Ingenieurbüro Dr.-Ing. Martin Berger
Hybr3D-Gleitlager
Für 2-Second-People: neues Maschinenelement mit interressanten Möglichkeiten -> kontakt aufnehmen
Für Leute mit etwas mehr Zeit: Im Anschluss erklären wir Ihnen was das ist, stellen weitere Informationen zur Verfügung und berichten über Erfolgsgeschichten bei denen eine Anwendung bzw. ein Lizenznehmer vom Hybr3D-Gleitlager profitiert hat
Kurz erklärt:
Bei einem Hybr3D-Gleitlager handelt es sich um ein neues patentrechtlich geschütztes Maschinenelement. Dieses kann auf Basis einer hydrodynamischen Druckerzeugung 3-dimensionale Tragfähigkeiten realisieren (vertikal, horizontal und axial). Es zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus:
- nur 1 Gleitlager für radiale & axiale Kräfte
- hohe Leistungsdichte → geringere Reibungsverluste → Umwelt ☺
- besonders geräuscharm → Umwelt ☺
- keine Bauteil bedingte Drehzahlgrenze
- robust bei dynamischen Lasten
- Schwingungsdämpfend
- Druckwinkel anpassbar (0-90°)
- sehr hohe erreichbare Lebensdauer und damit nachhaltig → Umwelt ☺
- höhere Steifigkeit
Wir vergeben Lizenzen für den Einsatz dieser neuen Technologie in Ihren Anwendungen. Wenn Sie Interesse haben, nehmen Sie einfach Kontakt mit uns auf.
Ausführlich erklärt und Beispiele:
Was ist ein Hybr3D- oder 3D-Gleitlager ?
Das lässt sich gut beschreiben, wenn man betrachtet welche bestehenden Lagerlösungen es gibt und welche Lücke dieses neue Maschinenelement dabei füllt.
1. Stand der Technik mit hydrodynamischen Gleitlagern
Dabei wird ein Axialgleitlager z.B. ein Staurandlager für axiale Kräfte und ein Radialgleitlager für radiale Kräfte eingesetzt. Diese beiden Lagervarianten werden so miteinander kombiniert, dass ein kombiniertes Radial-Axial-Gleitlager heraus kommt. Also man benötigt 2 Lager für den 3D-Fall.
In der Vielzahl der Anwendungsfälle besitzt das Axialgleitlager die geringere spezifische Belastbarkeit (ca. 1/10 im Vergleich zum Radialgleitlager) und bestimmt dadurch die Baugröße dieser Lösung. Diese bauen deshalb recht groß.
2. Wälzlageransätze
Die oben beschriebene Aufgabe wird auch gelöst, indem verschiedene Wälzlager z.B. ein Radialrillenkugellager und Axialkugellager miteinander kombiniert werden.
Oder es kommt sinnvollerweise z.B. ein Schrägkugellager (oder Kegelrollenlager) zum Einsatz. Dieses kann den 3D-Fall ebenfalls realisieren. Die stets begrenzte Lebensdauer von Wälzlagern lässt sich dabei nur ausdehnen, wenn die Lager tendenziell größer werden.
3. Hydrodynamisches 3D-Gleitlager
Ein 3D-Gleitlager besteht aus zwei aufeinander abgestimmten Bauteilen mit einer Flüssigkeit (dem Schmierstoff) dazwischen. Die Bauteile bilden das Lagerelement und den rotierenden Gegenkörper (einen Laufring, die Welle oder allgemein der Rotor s.u.) und können aufgrund ihrer Geometrie 3-dimensionale Tragfähigkeiten realisieren. Dabei werden im Schmierstoff hydrodynamische Drücke erzeugt wodurch der Rotor auf der Flüssigkeit schwimmt und das Gleitlager 3D-Lasten tragen kann. Es ist somit ein Hybrid aus einem Radial- und Axialgleitlager und vereint die positiven Effekte beider Lagertypen zu einer 3D-Tragfähigkeit. Deshalb auch Hybr3D®-Gleitlager. Durch die Vereinigung der erzeugten hydrodynamischen Drücke aus den einzelnen Lastrichtungen ergibt sich in Summe eine höhere Gesamttragfähigkeit (der 3D-Effekt). Die Reibung findet bei richtiger Auslegung nur im Schmierstoff statt. Es handelt sich dann um reine Flüssigkeitsreibung mit sehr kleinen Verlusten.
Ein Hybr3D-Gleitlager kann die Kombination aus radialen und axialen Lasten (denn 3D-Lastfall) besser realisieren und unterscheidet sich von existierenden Lösungen durch folgende Eigenschaften:
Vorteile gegenüber bestehenden Gleitlagerlösungen:
- nur 1 Lager für radiale und axiale Lasten
- höhere Leistungsdichte bedeutet Reibungsverluste minimieren → Umwelt ☺
- geringerer Platzbedarf
- höhere realisierbare Axialkräfte
- noch höhere Dämpfung im Vergleich mit den einzelnen Lager
Vorteile gegenüber Wälzlagerlösungen:
- besonders geräuscharm → Umwelt ☺
- keine Bauteil bedingte Drehzahlgrenze
- unempfindlich gegen Laststöße
- robust bei dynamischen und zyklischen Lasten
- Schwingungsdämpfend (wichtig bei hohen und kritischen Drehzahlen )
- Druckwinkel individuell anpassbar (Winkel zur Rotationsachse 0-90°)
- sehr hohe erreichbare Lebensdauer (keine konstruktiv bedingte Werkstoffermüdung oder Mischreibung infolge Schlupf zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen) → Umwelt ☺
- ebenfalls höhere Leistungsdichte → Umwelt ☺
- höhere Steifigkeit
- beherrschbares Mischreibungsverhalten
Nachteile gegenüber Wälzlagerlösungen:
- höhere Anlaufreibung (wie bei Gleitlagern üblich, durchfahren des Mischreibungsgebiets was jedoch beherrschbar ist s.o.)
- abhängig von der Bauform größeres Lagerspiel (ca. Faktor-2)
Erfolgsgeschichten: Hybr3D-Gleitlager in der Praxis
Einsatz von Hybr3D-Gleitlagern in Abgasturboladern (ATL)
Benefits beim Projekt mit der BMTS Technology GmbH:
- Einsparung diverser Bauteile (5 stk. am gesamten ATL -> Reduzierung Logistik-, Qualitätsaufwand und Kosten)
- Minimierung der Reibungsverluste
- Steigerung ATL-Wirkungsgrad
- Reduzierung des CO2-Ausstoßes
- sehr hohe Laufruhe (keine eigenerregte Schwingungen -> Beseitigung des sogenannten "Konstanttons")
- Erhöhung der Positioniergenauigkeit des Rotors (-> Minimierung der Hinterflutung von Verdichter- und Turbinenrad)
Status:
- Seit 03.2023 in Serie (Serienstart bei einem bekannten amerikanischen Automobilhersteller)
- weitere Nominierungen im Automobilbereich bei asiatischen Herstellern
- Ausweitung der Techologie auf Turboverdichter für die Brennstoffzellentechnologie
Wasserkraftwerk mit 400kW Leistung (Les Talcs - Frankreich)
Benefits beim Projekt mit der DIVE Turbinen GmbH & Co. KG:
- Reduzierung des Bauraums der Lagereinheit (Einsparung Materialbedarf, kompaktere Bauweise)
- Durch Eigenfertigung kurze Beschaffungszeiten
- Minimierung der Reibungsverluste auf 1,5 - 2% der Anlagenleistung (Reibungszahl = 0,003-0,009)
- Signifikante Erhöhung der Laufruhe (insbesondere bei Durchgangsdrehzahl)
- Optimale Zentrierung des magnetischen Rotors (Minimierung der magnetischen Züge/Disbalancen)
- Aufnahme von Kippmomenten (Einsatz als sogenanntes Momentenlager -> Alternative zu 4-Punktwälzlagern)
Status:
- Seit 12.2021 in Betrieb
- Folgeprojekt für eine Wasserkraftturbine der 4 MW-Klasse (Lagerdurchmesser = 1500 mm)
Schallmessungen an Zahnradpaarungen und der Einfluss von 3D-Gleitlagern
Benefits beim Projekt mit der Konzelmann GmbH:
- Variante 1 = Stahl Zahnräder + hochwertige Industriekugellager
- Variante 2 = Stahl Zahnräder + Hybr3D-Gleitlager
- Variante 3 = Kombination Stahl mit Kunststoffzahnrad + Hybr3D-Gleitlager
Erbrachte Nachweise:
- Reduzierung der Schallabstrahlung; Variante 1 ↔ Variante 2 ≈ -5 dBA; Variante 1 ↔ Variante 3 ≈ -10 dBA
- Reduzierung der Körperschallausbreitung (Nutzung der guten Dämpfungseigenschaften)
- Spritzölversorgung über die Lagerränder für 3D-Gleitlager (hier aus Werkstoff PEEK) hinreichend
Lagerung der Spindel einer Werkzeugmaschine (Y-Achse Deckel FP1)
Benefits für die eigene Werkstatt (CNC-Fertigung):
- Höhere Steifigkeit der Y-Achse (besseres Fräsbild z.B. bei Kreistaschen)
- reduziertes Umschlagspiel der Y-Achse (Axialspiel < 0,01 mm)
- sammeln pratischer Erfahrung für sehr langsam laufende 3D-Gleitlager (n < 1/min)
Status:
- Seit 08.2016 wartungsfrei in Betrieb
Bilder: Prüfstände und Demonstratoren
Hier zeigen wir Ihnen Bilder von Prüf- und Versuchständen, womit wir die positiven Effekte des 3D-Gleitlagers untersucht und sichtbar gemacht haben.
