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Hydrodynamisches Radial-Gleitlager Werknorm SN 03.01 Baureihe GLM

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Hydrodynamisches Radial-Gleitlager

Werknorm SN 03.01

Baureihe GLM

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Inhalt Seite

1. Allgemein 4

1.1. SPIETH hydrodynamisches Radialgleitlager 4

1.2. Hydrodynamische Schmierung 4

1.3. Schmiermittel 4

1.4. Schmierverfahren 4

1.5. Abdichtung 5

2. Stellbares SPIETH Radialgleitlager 5

2.1. Verwendung und Vorzüge 5

2.2. Aufbau und Funktion 6

2.3. Ausführung 7

2.4. Anschlussteile 7

2.4.1. Gehäuse 7

2.4.2. Welle 8

2.5. Einbau und Lagerspieleinstellung 8

3. Maßtabelle für Radialgleitlager, Baureihe GLM 10

4. Lagerberechnung 11

4.1. Ermittlung der Tragkraft 11

4.1.1. Nomogramm I 14

4.2. Ermittlung der Erwärmung des Lagers 11

4.2.1. Nomogramm II 15

4.3. Viskositäten handelsüblicher Schmieröle 13

4.3.1. Nomogramm III 16

4.4. Lagerspiel-Richtwerte 13

4.4.1. Nomogramm IV 17

4.5. Berechnungsbeispiele 13

4.6. Legende 18

5. Anwendungsbeispiele 19

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1. Allgemein

Bei modernen, leistungsstarken Maschinen kommt der Spindellagerung immer mehr Bedeutung zu.

Lösungsmöglichkeiten für diese Aufgabe bieten sowohl das Wälzlager als auch das Gleitlager. Steigende

Forderungen an Oberflächengüte, Formgenauigkeit und Fertigungstoleranz am Werkstück sowie an die

Werkzeugstandzeit lassen in den letzten Jahren immer deutlicher erkennen, dass speziell beim

Mehrflächengleitlager – mit seiner durch den Schmierfilm gegebenen Dämpfung und seiner

Rundlaufgenauigkeit – sowohl Laufruhe als auch Stoßunempfindlichkeit vereint mit hoher Lebensdauer

Merkmale sind, die vom Wälzlager kaum geboten werden können.

1.1. SPIETH hydrodynamisches Radialgleitlager

SPIETH-Gleitlager sind hydrodynamisch geschmierte, stellbare Mehrflächen-Radialgleitlager. Ihr

hauptsächliches Anwendungsgebiet ist der Maschinenbau, besonders der Werkzeugmaschinenbau mit

seinen vielschichtigen Forderungen.

1.2. Hydrodynamische Schmierung

Unter hydrodynamischer Schmierung versteht man den durch eine umlaufende Welle gebildeten

Strömungsvorgang im mit Schmiermittel gefüllten Keilspalt eines Gleitlagers. Dieser Strömungsvorgang

erzeugt im Schmiermittel Flüssigkeitsdrücke, deren Höchstwert kurz vor der engsten Spaltstelle in

Umlaufrichtung liegt. Bei richtiger Abstimmung von Keilspalt, Wellendrehzahl und Ölzähigkeit ist der

erzeugte Flüssigkeitsdruck in der Lage, hochbelastete Spindeln von der Lagerfläche abzuheben; die

Spindel >>schwimmt<< auf der Schmiermittelschicht.

1.3. Schmiermittel

Als Schmiermittel werden Mineralöle, vorwiegend Spindelöle verwendet, deren Viskosität nach den

jeweiligen Betriebsbedingungen bestimmt wird. Bei hydrodynamisch geschmierten Gleitlager ist eine

ausreichende Ölversorgung Voraussetzung für störungsfreien Betrieb. Das Schmiermittel hat dabei nicht

nur die Aufgabe der hydrodynamischen Druckentwicklung im Keilspalt, sondern dient gleichzeitig der

Abfuhr der dabei entstehenden Reibungswärme aus dem Gleitflächenbereich.

1.4. Schmierverfahren

Die meist angewandten Schmierverfahren sind:

Tauchschmierung, Schleuderschmierung und Fremdschmierung.

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Die Fremdschmierung durch eine Pumpe ist das sicherste und leistungsfähigste Schmierverfahren.

Besonders bei hohen Gleitgeschwindigkeiten, die auch zur Kühlung der Lagerstelle eine größere Ölmenge

erforderlich machen, ist Fremdschmierung durch eine Pumpe absolut notwendig. Auch kann bei dieser

Schmierart die Welle in beliebiger Betriebslage angeordnet werden. Der Pumpendruck muss lediglich die

Leitungs- und Kanalwiederstände überwinden, damit für den Temperaturausgleich eine ausreichende

Ölmenge zur Verfügung steht. Wie vorausgehend beschrieben, stellt sich der tragende Flüssigkeitsdruck

im Keilspalt des Gleitlagers bei Rotation der Welle selbsttätig ein.

1.5. Abdichtung

Bei Gleitlagern sollen Dichtungen das Austreten des Schmiermittels aus dem Innenraum verhindern,

gleichzeitig aber auch die Lagerstelle gegen Eindringen von Feuchtigkeit und Schmutz schützen. Die Art

der Dichtung richtet sich nach den Betriebsverhältnissen.

Berührende oder schleifende Dichtungen werden bei niedrigen bis mittleren Gleitgeschwindigkeiten

eingesetzt. Ihre Anwendung ist begrenzt durch die entstehende Reibungswärme und den Abrieb. Der

Anwendungsbereich reicht bis zu einer Umfangsgeschwindigkeit von 12 m/s.

Höhere Geschwindigkeiten fordern berührungslose Dichtungen in Form eines Dichtungsgewindes, eines

Labyrinths oder eines Ringspaltes, der z.B. durch einen in einem Einstich lose eingelegten Bronze-

Gleitring gebildet wird. Da sich hier im Ringspalt bei rotierender Welle ein hydrodynamischer Druck

aufbaut, der größer ist als der Druck des umlaufenden Schmieröls, kann bei laufender Spindel kein Öl

austreten. Allen berührungsfreien Dichtungen ist gemeinsam, dass bei Spindelstillstand eine geringe

Menge Lecköl austritt, welches jedoch aufgefangen und dem Ölbehälter wieder zugeführt werden kann.

2. Stellbare SPIETH-Radialgleitlager

2.1. Verwendung und Vorzüge

Diese Mehrflächen-Radialgleitlager finden dort ihr Anwendungsgebiet, wo optimales Lagerspiel und

höchste Laufruhe gefordert werden und eine ausreichende Schmiermittelversorgung gewährleistet ist. Es

können hohe oder niedere Drehzahlen in beiden Drehrichtungen gefahren werden.

Da das optimale Lagerspiel ein- und auch nachgestellt werden kann, sind langwierige Einpassarbeiten

zwischen Lager und Welle nicht erforderlich. Es ist ausreichend, wenn der Wellenlaufsitz und die

Aufnahmebohrung im Gehäuse zylindrisch nach einer ISO-Toleranz gefertigt werden.

Die sinnvolle Konstruktion dieser stellbaren Radialgleitlager wird heute mit viel Erfolg überall dort genutzt,

wo beste Oberflächengüte und Formgenauigkeit erzeugt werden muss; sei dies im Feinspindelbau als

Schleif-, Dreh- oder Feinbohrspindellagerung oder im Gegenlager von Fräsdornen und Bohrstangen. So

sind z. B. Schleif- und Werkstückspindeln mit GLM-Lagern im Einsatz, deren Rundlaufgenauigkeit kleiner

als 0,4 µm.

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Ein wesentlicher Vorteil eines hydrodynamischen Lagers ist dessen systembedingte Dämpfungs-

eigenschaft. Das hydrodynamische Lager der Baureihe GLM ist dadurch in der Lage, Vibrationen, welche

durch den Bearbeitungsprozess am Werkzeug entstehen vom Maschinenkörper zu entkoppeln, bzw.

Erregerfrequenzen zu schlucken um somit der Bildung von Rattermarken entgegen zu wirken.

2.2. Aufbau und Funktion (Bild 1)

Die hydrodynamischen SPIETH-Radialgleitlager bestehen aus einer mäanderförmig profilierten Stahl-

hülse (a) mit eingebauten Spannschrauben (b) und einer Lagerbuchse aus hochwertiger Lagerbronze (c).

Die Gleitlager sind so gebaut, dass beim Anziehen der Spannschrauben zuerst die Beseitigung der

Einbauspiele (S1 + S2) erfolgt und dann erst die radiale, genau achsparallel gerichtete Einschnürung der

inneren Lagerbuchse beginnt. Es ist also möglich, jedes gewünschte Lagerspiel ein- und nachzustellen,

ohne dass Schabarbeiten erforderlich sind.

Bild 1

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Die innere Lagerbuchse ist mit axialen Schmiernuten (d) versehen, die durch radial gerichtete

Schmierbohrungen (e) mit den Außeneinstichen (f) der Stahlhülse und damit mit der

Schmiermittelzuleitung (g) und Schmiermittelableitung (h) der Gehäusebohrung verbunden sind.

Die Schmiernuten teilen die Lagerbuchsenbohrung in Mehrgleitflächen auf. Diese Gleitflächen ändern bei

der Laufspieleinstellung ihren ursprünglich gegebenen Radius so, dass zwischen Gleitfläche und Welle ein

Keilspalt entsteht, dessen engste Stelle in der jeweiligen Gleitflächenmitte liegt und sich nach beiden

Seiten gegen die Schmiernuten aufweitet. SPIETH-Radialgleitlager sind also unabhängig von der

Drehrichtung der Welle, da das Schmiermittel sowohl bei Links- als auch bei Rechtslauf unter

Druckentwicklung in den sich verengenden Keilspalt strömen kann und dabei die Welle von der

Lagergleitfläche abhebt. Dieser nach den physikalischen Gesetzen der Hydrodynamik ablaufende

Schmiervorgang tritt an jeder Gleitfläche des Lagers auf, so dass die umlaufende Welle zwangsläufig

zentriert wird.

Die Radiallagebestimmung des Gleitlagers in der Gehäusebohrung übernimmt ein Zylinderstift (i), der in

eine im Gehäuse anzubringende Nut eingreift.

2.3. Ausführung

Die als Stellelement fungierende mäanderförmige Stahlhülse ist aus Spezialstahl gefertigt und nicht

gehärtet. Die Lagerbuchse besteht aus hochwertiger Lagerbronze. Aus Sicherheitsgründen wurde dieser

Werkstoff mit besten Notlaufeigenschaften gewählt, da beim An- und Auslauf über die minimale

Zeitspanne in der keine geschlossene Schmierschicht vorhanden ist, metallische Berührung zwischen

Welle und Lagergleitfläche stattfinden kann.

Der Außendurchmesser des Gleitlagers ist geschliffen nach Toleranz h5, die Bohrung ist feinstgedreht

nach F6. Da diese Bearbeitung in leicht vorgespanntem Zustand erfolgt, kann eine Kontrollmessung der

Bohrung im entspannten Anlieferungszustand nicht durchgeführt werden.

Die eingebauten Spannschrauben sind mit einem Stiftschlüssel ISO 2936 zu betätigen.

2.4. Anschlussteile

2.4.1. Gehäuse

Die Gehäusebohrung ist zylindrisch nach Toleranz H6 herzustellen. In eine im Gehäuse

anzubringende Nut greift der Zylinderstift des Gleitlagers ein und übernimmt damit dessen

Radiallagebestimmung im Gehäuse. Im Normalfall wird die Lager-Radiallage so gewählt, dass

die Richtung der Lagerbelastung in Umlaufrichtung ca. 6° vor einer Gleitflächenmitte liegt.

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Die Ölzuleitung ist so zu legen, dass das Schmiermittel einem Außeneinstich der Stahlhülse

des Gleitlagers zugeführt werden kann. Die Ölrückleitung erfolgt je nach Betriebsbedingung

über den zweiten Außeneinstich und/oder durch seitliches Ausströmen als Lecköl. Rückleitung

und Lecköl werden dem Vorratsbehälter wider zugeführt. Zweckmäßig ist, Zulauf und

Rücklauf bei horizontalen Spindeln von oben anzuschließen. Bei vertikalen Spindeln soll der

Zulauf unten, der Rücklauf oben sein.

2.4.2. Welle

Die Wellenlauffläche ist ebenfalls zylindrisch und nach Toleranz g5 bei genauem Rundlauf

zu fertigen. Empfohlen wird feinstschleifen der Wellenlauffläche im Rauhtiefenbereich Rz

von 0,4 ... 0,63 µm. Der Wellenwerkstoff richtet sich nach den gestellten Anforderungen. Bei

hohen Beanspruchungen sollen möglichst einsatzgehärtete (≈ HRC 64) oder nitrierte Wellen

(≈ HV 8500 N/mm2) verwendet werden.

Im Hinblick auf die bei der Laufspieleinstellung erforderliche Tragbildkontrolle wird bei

Verwendung gleicher Gleitlagergrößen empfohlen, den beim Zusammenbau zuerst

einzuführenden Wellenlaufsitz um ca. IT3 schwächer zu fertigen als den anderen

Wellenlaufsitz. Dadurch verhindert man, dass das auf den Gleitflächen der vorderen

Lagerbuchse abgezeichnete Tuschierbild beim Ausfahren der Spindel vom hinteren

Wellenlaufsitz verwischt wird.

2.5. Einbau und Lagereinstellung

Um den Monteur bei erstmaliger Verwendung der SPIETH-Gleitlager eingehend zu informieren, ist jeder

Lieferung eine ausführliche Anleitung beigelegt. Weitere Exemplare stehen auf Anforderung oder als

Internet-Download zur Verfügung.

Eine Grundvoraussetzung für einwandfreie Lagerfunktion ist die sorgfältige Reinigung aller ölführenden

Gehäusebohrungen, -kanäle und Leitungen. Fertigungsrückstände und sonstige Fremdteilchen lassen sich

durch eine Druckspülung mit dünnem, angewärmten Öl am sichersten entfernen.

2.5.1. Spannschrauben des Gleitlagers ausbauen, Kopfauflagefläche und Gewinde einfetten.

Schrauben wieder eindrehen und darauf achten, dass diese vollständig bis zur Kopfauflage

eingeschraubt, jedoch nicht vorgespannt sind.

2.5.2. Gleitlager in Gehäusebohrung einführen, wobei der Zylinderstift nicht zur axialen Anlage in

der Fixiernut im Gehäuse kommen darf. Die Schrauben nun kreuzweise und gleichmäßig

solange anziehen, bis das Gleitlager in der Gehäusebohrung festsitzt. Das gleichmäßige

Anziehen geschieht am besten indem man jeweils einen bestimmten Winkelbetrag (z.B.

30°) nachzieht.

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2.5.3. Spindel in die Gleitlagerbohrungen einführen. Hochgenauer Feinzeiger an beiden

Spindelenden einstellen. Darauf achten, dass das durch Radialbewegen der Spindel

feststellbare Radialspiel genau in Richtung der Spannschrauben und möglichst nahe am

Gleitlager gemessen wird.

2.5.4. Jetzt durch kreuzweises Anziehen der Spannschrauben das Lagerspiel an beiden Lagern

stufenweise so weit einengen, bis dies etwa noch 0,01 mm größer als das gewünschte

Laufspiel ist. Nach jedem Nachstellen der Spannschrauben mit einem Gummihammer einige

leichte Prellschläge auf die Spindel in Richtung Schrauben ausführen. Es ist möglich, dass

durch diese Maßnahme das Lagerspiel wieder etwas größer wird; dieser Effekt ist jedoch

erwünscht.

2.5.5. Nachdem nun das Lagerspiel um ca. 0,01 mm größer als das gewünschte Laufspiel ist,

Spindel ausbauen und tuschieren. Um das Tragbild auf den Gleitflächen der Lagerbuchse

einwandfrei begutachten zu können, ist nur ein äußerst dünner Tuschierfilm an den

Laufflächen der Spindel aufzutragen.

2.5.6. Spindel in Gleitlager einfahren und durch radial und axial ausgeführte Spindelbewegungen

Tuschierbild auf den Gleitflächen erzeugen. Danach Spindel wieder ausfahren und

abgezeichnetes Bild begutachten.

2.5.7. Ist das Tuschierbild im Gleitlager gleichmäßig an allen Gleitflächen, kann nun wie oben

beschrieben das endgültige Laufspiel durch gleichmäßiges Anziehen der Spannschrauben

eingestellt werden.

Bei ungleichem Tuschierbild sind die Schrauben individuell entsprechend dem vorhandenen

Tragbild nachzustellen, das heißt, dass eventuell nur noch einseitig nachgestellt wird.

Wurde das Laufspiel durch Unachtsamkeit zu eng eingestellt, sind alle Schrauben soweit zu

lösen, bis das Spiel 0,01 ... 0,02 mm größer ist; dann erfolgt erneut die Spieleinengung wie

vorausgehend beschrieben.

Der gesamte Stellbereich entspricht ungefähr der Grundtoleranzreihe IT10 bezogen auf den

Wellendurchmesser.

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3. Maßtabelle für Radialgleitlager, Baureihe GLM

Bezeichnung eines stellbaren Radialgleitlagers mit d1 = 40 mm, d2 = 65 mm, and L = 45 mm:

Gleitlager GLM 40 . 65

Maße in mm Zylinderstift ISO 2338 - m6 Spannschrauben

D1 d2 L l1 l2 d3 d4 c l3 αααα Abmessungen n Kurz-

zeichen F6 1) h5 max

. mm mm mm ° ISO 4762 - 8.8 Stk.

GLM 30.55 30 55

GLM 35.60 35 60 40 13,8 12,5 4 M 4 x 35

GLM 40.65 40 65

GLM 45.70 45 70 45 15 15 6

2 2 3 45

M 4 x 40

4

GLM 50.80 50 80 52 17,8 16,5 6 M 5 x 45

GLM 55.85 55 85 56 18,8 18,5 8 M 5 x 50

GLM 60.90 60 90 62 20,3 21,5

3 2 4

M 5 x 55

GLM 65.100 65 100 68 23,5 21 10

4 3 6

45

M 6 x 60

4

GLM 70.105 70 105 72 24,5 23 10 M 6 x 65

GLM 75.110 75 110 78 26 26 M 6 x 70

GLM 80.115 80 115 82 27 28

GLM 85.120 85 120 85 27,8 29,5

15 4 3 6 45

M 6 x 75

4

GLM 90.125 90 125 90 29,8 30,5 15 M 6 x 80

GLM 95.130 95 130 95 31 33 M 6 x 85

GLM 100.135 100 135 100 32,3 35,5 M 6 x 90

GLM 110.160 110 160 110 34,8 40,5

20 4 3 6 45

M 8 x 100

4

GLM 120.170 120 170 120 38,5 43 M 8 x 110

GLM 130.180 130 180 130 41 48 M 8 x 120

GLM 140.190 140 190 140 43,5 53

25 4 3 7 30

M 8 x 130

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1) siehe Abschnitt 2.3 Änderungen vorbehalten

ISO 2338

ISO 4762

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4. Lagerberechnung

Mit dem hier aufgezeigten Verfahren wird dem Konstrukteur die Möglichkeit gegeben, die für die

Lagerbestimmung noch unbekannten Größen auf graphischem Wege einfach und ausreichend genau zu

bestimmen.

4.1. Ermittlung der Tragkraft F (Nomogramm I)

Die SPIETH-Gleitlager der Baureihe GLM besitzen näherungsweise keilförmige Staufelder in vorbe-

stimmten geometrischen Abmessungen. Die Tragkraft ist deshalb gemäß technischer Literatur:

2o

2

h

lbuCF ⋅⋅⋅η⋅=

Der kleinste im Betrieb auftretende Schmierspalt h0 ist nach technischer Literatur von der Größenordnung

m2ho µ≈

Deshalb kann tho <

angenommen werden und die Tragzahl C wie folgt dargestellt werden:

t

h25,0C o⋅≈

Für die Geometrie der GLM-Lager ist somit die Tragkraft F:

Und die mittlere Flächenpressung p :

oh1

u150bl

Fp ⋅⋅η≈

⋅=

Das Nomogramm I wurde für einen im Betrieb auftretenden kleinsten Schmierspalt m2ho µ≈ erstellt;

η ist die dynamische Viskosität bei Betriebstemperatur.

4.2. Ermittlung der Erwärmung des Lagers (Nomogramm II)

Aus der für das keilförmige Staufeld angegebenen Beziehung

ohp

u)1...5,0(

⋅⋅η⋅≈µ

b = tragende Lagerbreite

o

2

hd

u30F ⋅⋅η≈

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ergibt sich der Reibungskoeffizient

200

1≈µ

und die Reibleistung

uF200

1P ⋅⋅=

Im Nomogramm II werden zwei Fälle dargestellt, die sich überlappen:

Fall 1: Wärmeabgabe an der Lageroberfläche. Bei einer wärmeabgebenden Oberfläche

2d10A ⋅≈

und der Wärmeübergangszahl

⋅=α

2mK

W20

ist die von der Lageroberfläche abgeführte Reibleistung

LuftTAP ∆⋅⋅α=

damit wird die Übertemperatur im Lager

2LuftLuft

d

PKT ⋅≈∆ ;

wobei

⋅=WmK

005,0K2

Luft

Die Übertemperatur wird in diesem Fall im Nomogramm II mit der Durchmesser-Skala ermittelt.

Fall 2: Wärmeabgabe an das Kühlmittel. Bei einer angenommenen spezifischen Wärme

⋅=

KkgNm

1900c

und Dichte des Kühlmittels

[ ]3m/kg310⋅0,9=ρ

ist die vom Kühlmitteldurchsatz Q abgeführte Reibleistung

ÖlTQcP ∆⋅⋅⋅ρ=

damit wird die Übertemperatur im Lager:

QP

KT ÖlÖl ⋅≈∆ ; wobei

⋅⋅≈minWIK

03,0KÖl

Die Übertemperatur wird in diesem Fall im Nomogramm mit der Kühlmitteldurchsatz-Skala ermittelt.

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4.3. Viskositäten handelsüblicher Schmieröle

Aus dem Nomogramm III kann der für einige handelsübliche Schmieröle zutreffende

dynamische Zähigkeitswert η in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur ermittelt werden.

4.4. Lagerspiel-Richtwerte

Das Lagerspiel ist die Differenz zwischen dem eingestellten Durchmesser der Lagergleitflächen und dem

Wellendurchmesser. Im Nomogramm IV sind Richtwerte für die Lagerspieleinstellung erfasst, die nach

Lagergröße und –Übertemperatur abgestuft sind.

4.5. Berechnungsbeispiele

Lager

Abl

esun

g

Benennung Kurz-zeichen Dimension nach Fall 1

Wärmeabgabe an der Lageroberfläche

nach Fall 2 Wärmeabgabe an das Schmiermittel

Durchmesser (Welle) d mm 70 90 Tragzahl F kN 3,6 8,7 Drehzahl n 1/min 355 2760 Umfangsgeschwindigkeit u m/s 1,3 13

Mittlere Flächenpressung p N/mm2 3,6 5,6

Betriebsviskosität η smPa ⋅ 34 5,4 Übertemperatur T∆ K 22 15 Reibleistung P W 22 590 N

omog

ram

m I

und

II

Kühlmitteldurchsatz Q l/min - 1,25

Betriebstemperatur T °C 42 35

N'g

r. II

I

kinematische Viskosität υ mm2/s 134 at 20°C

10 at 20°C

N'g

r. IV

Lagerspiel-Richtwert S µm 18,5 17

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4.1.1. Nomogramm I

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4.2.1. Nomogramm II

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4.3.1. Nomogramm III

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4.4.1. Nomogramm IV

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4.6. Legende

F = Tragkraft η = dynamische Viskosität bei Betriebstemperatur u = Umfangsgeschwindigkeit d = Durchmesser (Welle)

p = mittlere Flächenpressung

P = Reibleistung Q = Kühlmitteldurchsatz ∆ T = Übertemperatur (Differenz zwischen Betriebs- und Kühlmittel-Zulauf-Temperatur) T = Betriebstemperatur ν = kinematische Viskosität s = Lagerspiel

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5. Anwendungsbeispiele

Schleifspindelstock mit offenem Gehäuse

Die stellbaren Radialgleitlager GLM sind direkt in den Bohrungen des Spindelstocks eingebaut. Die Axial-

führung ist zwischen den Radiallagern angeordnet, auf gewünschtes Laufspiel abgestimmt und mit einer

SPIETH-Stellmutter gegen den Spindelansatz gezogen. V-Ringe übernehmen die Abdichtung gegen

Ölaustritt.

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www.spieth-maschinenelemente.de www.spieth-me.de

SPIETH-Maschinenelemente GmbH & Co KG Alleenstrasse 41 73730 Esslingen

SN 0

3.01

d 0

505/

0000

/050

5

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