Simulation: So legen Sie Ihre Gleitlager digital perfekt aus

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Schmierfilmbildung, Lagerverformungen oder Mischreibung – eine Software von Cadfem und Tribo Technologies bildet das komplexe Verhalten von Gleitlagerungen präzise ab. Die Anwendung Tribo-X Inside Ansys ist in das Simulationsprogramm Ansys Workbench integriert. Beim 23. International Colloquium Tribology vom 25. bis 27. Januar 2022 in Ostfildern bei Stuttgart wird die praktische Anwendung vorgestellt.

Wichtige Qualitätsmerkmale von hydrodynamischen Gleitlagern sind ihre Belastbarkeit und ihre Lebensdauer. Diese hängen wiederum ab von einem möglichst perfekten Zusammenspiel von Welle, Lager und Lagergehäuse. Angesichts unterschiedlichster Einbauszenarien und der Komplexität der Tribologie in Gleitlagersystemen ist die Dimensionierung der Komponenten kein einfaches Unterfangen. Entsprechend hoch ist der Entwicklungsaufwand. Ein großer Zeitfresser sind dabei Prüfstanduntersuchungen, denn es kann Tage dauern, bis sich im Trial-and-Error-Verfahren eine akzeptable Konfiguration der Baugruppe ergibt. Hier kann eine Simulation Abhilfe schaffen.

Hochpräzise Simulationen

Hydrodynamische Gleitlager nehmen eine Schlüsselfunktion bei vielen Produkten der Firma Hammelmann ein. „Die Gleitlager sind als kraftübertragende Teile eine Kernkomponente der Hochdruckpumpe. Da kommt es auf wenige Mikrometer an. Hier geht’s um echte Tribologie“, erklärt Felix Hartmann, Teamkoordinator Konstruktion Pumpen bei Hammelmann. Um keine Potenziale zu verschenken, geht man bei Hammelmann auch bei der Auslegung der Gleitlager zeitgemäße digitale Wege. Mit der Spezialsoftware Tribo-X Inside Ansys erfolgt die Dimensionierung der Bauteile und ihres Zusammenwirkens am Computer. Die Applikation ist eine gemeinsame Entwicklung der Tribologie-Experten von Tribo Technologies und den Ansys- und Simulationsspezialisten von Cadfem. Erst wenn mit Tribo-X Inside Ansys eine perfekte Lösung gefunden wurde, wird sie einmalig am Prüfstand verifiziert. Felix Hartmann fasst zusammen: „Der Simulationseinsatz ermöglicht den einfachen Vergleich von unterschiedlichen Designvarianten und das bei verhältnismäßig kurzen Antwortzeiten“.

Anwendungsbeispiel: Redesign der Lagerschale einer Plungerpumpe

Reinigung, Schichtabtrag oder Wasserstrahlschneiden sind typische Einsatzgebiete für Plungerpumpen. Die Produkte von Hammelmann sind sowohl für hohe Drücke bis 4500 bar als auch für hohe Fördermengen bis zu 3000 l/min ausgelegt. Solche Geräte unterliegen strengen Vorschriften, die sich immer wieder ändern können. Hersteller wie etwa Hammelmann müssen darauf reagieren. Ein typisches Beispiel ist die EU-Verordnung Reach zur Vermeidung von Blei in der Legierung der Gleitlagerschalen.

Die Vorteile der Simulation liegen auf der Hand: Die Lagerschale konnte unmittelbar im Simulationsmodell mit der neuen, vorschriftskonformen Legierung versehen und das elasto-hydrodynamische Verhalten mit Tribo-X Inside Ansys untersucht werden. Schnell fiel auf, dass das neue, bleifreie Material – bei ansonsten unveränderten Parametern – zu mehr Reibung und Verschleiß und damit zu einer signifikant verschlechterten Tragfähigkeit der Gleitlagerung führt. Am Simulationsmodell haben die Hammelmann-Ingenieure anschließend verschiedene Strategien zur Kompensation des Leistungsverlustes analysiert. Als besonders effektiv kristallisierten sich dabei die Neupositionierung der beiden Schmierstofftaschen und eine Modifikation des Lagerdesigns heraus. Diese Konfiguration hat sich auf Anhieb am Prüfstand bestätigt. Felix Hartmann: „Ein weiterer Vorteil der Simulation ist, dass im Vergleich zu den Prototypen bei der Simulation die kritischen Bereiche und die erforderlichen Toleranzgrenzen genauer analysierbar sind. Ferner können die Belastungsgrenzen exakt ermittelt werden, und das gesamte Maschinenverhalten ist besser steuerbar.“ Das wurde auch bei diesem Projekt ausgenutzt: Denn die Optimierung der Lagerschale hat sogar dazu geführt, dass Reibungsverluste und demzufolge auch der Energieverbrauch der Pumpe signifikant verringert und Einsatzzeiten verlängert werden konnten.

Trotz Corona: Präsentation auf dem 23. International Colloquium Tribology 2022

Vom 25. bis 27. Januar 2022 treffen sich in Ostfildern bei Stuttgart Tribologie-Experten aus der ganzen Welt anlässlich des 23. International Colloquium Tribology der Technischen Akademie Esslingen. Die Veranstaltung findet im Hybrid-Modus statt. Die Teilnahme ist mit 2G+ oder online möglich. Vincent Hofmann von Tribo Technologies wird dem Fachpublikum am 26. Januar im Rahmen der Session „Digitalization in Tribology“ die skizzierte Anwendung bei Hammelmann in einem ausführlichen Vortrag „Designing a Reach Conform Small Conrod Bearing of a Plunger Pump with the Help of EHD Simulation“ unter tribologischen Gesichtspunkten vorstellen. Informationen zum Colloquium: www.tae.de/go/tribology

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