ANTRIEBE UND ANTRIEBSELEMENTE I GLEITLAGER Aussicht auf wartungs- und fettfreie Gleitlager Keramische Gleitlager verbessern Wartungs- und Ökobilanz mobiler Arbeitsmaschinen Investitionskosten stellen häufig ein Hauptentscheidungskriterium bei der Beschaffung von mobilen Arbeitsmaschinen dar. In den Fokus rücken jedoch zunehmend die Betriebskosten (TCO – Total Cost of Ownership) und ökologische Aspekte, die die mobile Arbeitsmaschine in sich vereint. Neben den Betriebsstoffen ist der Wartungsaufwand einer der Hauptkosten für den Unterhalt einer mobilen Arbeitsmaschine. Ebenso sind Peripherien, wie Zentralschmieranlagen, erforderlich, um einen sicheren Betrieb der Maschine zu gewährleisten. Autoren: Dipl.-Ing. Christian Stentzel und Dipl.-Ing. Thomas Breitenbach, beide tätig an der Professur für Baumaschinen der TU Dresden Komponenten mit kurzen Wartungsintervallen sind in den Gelenken der Arbeitsausrüstungen in Form von Gleitlagern zu finden, die der Hersteller in Schmierplänen mit Wartungsintervallen von teils t < 50 h vorschreibt. Ziel ist die Erhaltung der Verschleißtieflage, um eine möglichst lange Lebensdauer der Gleitlager zu erreichen. Dennoch treten vorzeitige Ausfälle aufgrund tribologischer (erhöhter Verschleiß durch Trockenlauf, Abrasivteilchen etc.) oder mechanischer (Fließen des Buchsenmaterials, Kantentragen) Überbeanspruchungen auf, die ein unzulässiges Lagerspiel und Lärmbelastungen verursachen sowie bis zu einer kompletten Blockade des Gelenkes führen können. Bedingt durch das oszillierende Bewegungsprofil der Gleitlager innerhalb eines definierten Schwenkwinkels sowie den typischerweise hohen und teils stoßartigen Belastungen und damit Flächenpressungen (50 MPa < p < 400 MPa) bei sehr geringen Gleitgeschwindigkeiten (v < 0,3 m/s) wird häufig auf eine Fettschmierung zurückgegriffen, um den Reibwert und den Verschleiß auf einem nied rigen Niveau zu halten. Bedingt durch die zyklischen Nachschmierungen werden Abrasivteilchen ausgeschwemmt und gleichzeitig wird bewusst ein stirnseitiger Fettkragen am Gleitlager gebildet, der als Dichtung gegenüber Umwelteinflüssen dient. Folglich werden jedoch auch verschmutzte Maschinenteile und ein Um welteintrag des Schmierfettes in Kauf genommen, das je nach Anwendungsfall, 58 MobileMaschinen 6/2017
wie z. B. beim Feldeinsatz in der Landtechnik, unerwünscht ist. Neuartige Gleitlager aus Hochleistungskeramik Im Rahmen des IGF-Projektes Nr. 18382 BR/1 „Wartungsfreie und verschleißarme Lager“ wird ein wartungsfreies Gleitlager für den oszillierenden Betrieb in mobilen Arbeitsmaschinen entwickelt. Ziel ist die Vermeidung von nötigen Schmierintervallen sowie die Erreichung eines geringen Verschleißes, um eine Parität zwischen Gleitlager- und Maschinenlebensdauer zu erreichen. Dabei wird auf das enorme Verschleißreduzierungspotenzial von keramischen Werkstoffen zurückgegriffen (siehe Aufmacherbild), die mit Leichtigkeit Härtewerte von über HV 10 > 1 300 erzielen und somit härter als Quarzsand sind. Aufgrund der hohen Sprödigkeit (Bruchzähigkeit K I,C < 12 MPa*√m) dieser Werkstoffe erfolgte in einer ersten Phase des Projektes der Festigkeitsnachweis für keramische Gleitlagerbuchsen unter den Einsatzbedingungen einer mobilen Arbeitsmaschine. Hierzu sind numerische Simulationen zur Ermittlung der Hertz’schen Pressung und Beanspruchungen unter dem Einfluss der umgebenden Konstruktion durchgeführt worden. Basierend auf den Berechnungsergebnissen konnten verschiedene Anforderungen an den Werkstoff abgeleitet werden und die Werkstoffwahl fiel in der Folge auf Zirkoniumdioxid (ZrO 2 ) und Siliziumnitrid (Si 3 N 4 ). Die Buchsen wurden anschließend auf einer eigens entwickelten Prüfvorrichtung mit verschiedenen Laststufen (p max = 150 MPa) und -frequenzen (f max = 12,5 Hz) beaufschlagt. Als Ergebnis dieser Untersuchungen stand eine Festigkeitserfüllung des Si 3 N 4 über alle Laststufen und -frequenzen bis zu einer Lastwechselzahl von N ≥ 10 6 . Das ZrO 2 wies bei erhöhter Lastfrequenz eine Rissbildung in einzelnen Proben auf. Zur Erzielung der Lebensdauer mussten festigkeitssteigernde Maßnahmen unter Ausnutzung von Druckeigenspannungen ergriffen und das Kontaktbild über geometrische Adaptionen zur Vermeidung des Kantentragens optimiert werden. Weiterhin hat die umgebende Konstruktion der Buchse einen entscheidenden Einfluss auf die Keramikbeanspruchung. Ebenfalls wurde dieser Aspekt mithilfe von numerischen Untersuchungen betrachtet, um eine ausreichende Steifigkeit der umgebenden Struktur zu garantieren, sodass die keramischen Buchsen einer rein elastischen Beanspruchung unterliegen. Gewährleistung einer Lebensdauerschmierung In der derzeitigen und zweiten Phase des Projektes erfolgt eine Optimierung des tribologischen Systems, bestehend aus Si 3 N 4 -Buchsen und hartverchromten Stahlbolzen. Ebenfalls finden tribologische Messungen auf dem Prüfstand unter Variation der statischen Last und Gleitgeschwindigkeit statt, um Kenndaten zum Verschleiß, Reibwert und dem erreichbaren Gleitweg zu quantifizieren. Dabei wurden drei Abbruchkrite rien definiert, bei denen das Gleitlager als „verschlissen“ angesehen wird: FIX & FERTIG LEE gewindelose Miniatur- Ventile, -Siebe und -Blenden Sicherer Sitz bis 400 bar Systemdruck Check Valves Calibrated Orifices Pilot operated Check Valve Relief Valves NEU Flow Controls Safety Screens 01 Si 3 N 4 -Buchse ohne Strukturierung (links) und mit einer Laserstrukturierungsvariante (rechts) Airbleed NEU Betaplugs LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH Am Limespark 2 · 65843 Sulzbach Telefon 06196 / 77369-0 E-mail info@lee.de www.lee.de THE LEE COMPANY SINCE 1948
