Konstruieren mit technischen Kunststoffen...Konstruieren mit technischen Kunststoffen Konstruieren...

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Titel mit Rücken 2005 08.04.2005 11:03 Uhr Seite 1

Gleitlager aus Kunststoff

Konstr. Kunststoffe 3/05 (2) 18.04.2005 6:51 Uhr Seite 56

Gle

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1. Einsatz von thermoplastischen Kunststoffen als Gleitlagerwerkstoff

Anforderungen an einen Gleitlagerwerkstoff wie z.B.

• gute Gleit – und Notlaufeigenschaften• Verschleißfestigkeit• Druckfestigkeit• lange Lebensdauer• Wärmeformbeständigkeit

werden durch moderne thermoplastische Kunststoffe ohne Schwierigkeiten erfüllt.Der Einsatz von Kunststoffen erfolgt insbesondere dort, wo

• Trockenlauf oder Mischreibung auftritt• spezielle kunststoffspezifische Eigenschaften gefordert werden• geringe Herstellkosten auch bei niedrigen Stückzahlen Vorteile bringen

Dabei werden vor allem

• gute Gleiteigenschaften • niedrige Reibwerte• hohe Verschleißfestigkeit• gutes Dämpfungsvermögen• geringes Gewicht• gute Trocken- und Notlaufeigenschaften• Korrosionsbeständigkeit• chemische Beständigkeit• weitgehende Wartungsfreiheit nach einmaliger Einlaufschmierung• teilweise physiologische Unbedenklichkeit

als kunststoffspezifische Eigenschaften geschätzt.

Nachteile, wie niedrige Wärmeleitfähigkeit, temperaturabhängige Festigkeitswerte, relativ hoheWärmedehnung, Kriechneigung unter Langzeitbelastung sowie die teilweise Neigung zur Feuch-tigkeitsaufnahme sind durch werkstoffgerechtes Gestalten weitgehend zu beherrschen.

1.1 WerkstoffeVon der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Kunststoffe eignen sich die mit teilkristallinenoder hochkristallinen Molekulargefügen für die Verwendung als Gleitelement. Einige Werkstoffedieser Gruppe und deren speziell für Gleitanwendung eingestellte Modifikationen sind in Tabelle 1aufgelistet.

Gleitlager aus Kunststoff


Gle

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Material Kurzbezeichnung Eigenschaft

Polyamid 6 Guss PA 6 G hohe Verschleißfestigkeit

Polyamid 6 Guss PA 6 G + MoS2 höhere Kristallinität als PA 6 G + Molybdändisulfid

Oilamid® PA 6 G + ÖL höchste Verschleißfestigkeit, niedriger Reibwert

Calaumid® 1200 PA 12 G hohe Verschleißfestigkeit, hohe Tragfähigkeit

Polyamid 6 PA 6 mittlere Verschleißfestigkeit

Polyamid 66 PA 66 hohe Verschleißfestigkeit

Polyacetal (Copolymer) POM mittlere Verschleißfestigkeit, druckfest

Polyethylenterephthalat PET hohe Verschleißfestigkeit, niedriger Reibwert

Polyethylenterephthalat PET-GL hohe Verschleißfestigkeit, sehr niedriger und Gleitmittel Reibwert

Polyethylen UHMW PE - UHMW niedriger Reibwert, geringe Festigkeit, säurebeständig

Polytetrafluorethylen PTFE sehr gute Gleiteigenschaft, niedrige Festigkeit

Polytetrafluorethylen bedingt gute Gleiteigenschaft, und Glasfaser PTFE + Glas gute Festigkeit

Polytetrafluorethylen PTFE + Kohle sehr gute Gleiteigenschaft, und Kohle gute Festigkeit

Polyetheretherketon PEEK hoher pv-Wert, hohe Belastbarkeit, hoher Preis

Polyetheretherketon PEEK - GL beste Gleiteigenschaftenmodifiziert höchster pv-Wert und höchster Preis

Tabelle1: Gleitlagerwerkstoffe mit Eigenschaften

1.2 HerstellungGleitlager können spanabhebend oder im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Im Spritzguss-verfahren hergestellte Polyamidlager sind aufgrund ihrer amorphen Anteile im Molekulargefügeweitaus weniger verschleißfest als spanend hergestellte. Das feinkristalline Gefüge des imGießverfahren spannungsarm hergestellten Polyamid-Halbzeugs garantiert eine optimale Ver-schleißfestigkeit.

Spanend hergestellte Gleitlager ermöglichen gegenüber spritzgegossenen Gleitlagern eine hoheMaßgenauigkeit. Hohe Zerspanungsleistungen von konventionellen Werkzeugmaschinen, Dreh-automaten und CNC-Bearbeitungszentren ermöglichen eine kostengünstige Herstellung sowohlals Einzelteil, wie auch in kleinen und mittleren Losgrößen. Flexible, fast grenzenlos gestalterischeMöglichkeiten, insbesondere bei großen Wandstärken sind ein weiterer Vorteil von spanend her-gestellten Gleitlagern.

1.3 Gleitverschleiß/GleitpaarungDer Gleitverschleiß ist in erster Linie vom Werkstoffund der Oberflächenbeschaffenheit des Gleitpartnersabhängig. Als günstiger Gleitpartner für Kunststoffehat sich gehärteter Stahl mit einer Mindesthärte von50 HRc herausgestellt. Werden Oberflächen mit einergeringeren Härte verwendet, besteht die Gefahr, dassRauheitsspitzen abbrechen und im Gleitlager zu er-höhtem Kunststoff-/Metallabrieb führen.

Der Einfluss der Oberflächenrauheit auf Gleitver-schleiß und Gleitreibungszahl ist unterschiedlich zubewerten. Bei den verschleißfesteren, rauheitsunemp-findlicheren Kunststoffen (z.B. PA und POM) lässt sichbeobachten, dass bei besonders glatten Oberflächendie Gleitreibungszahl relativ hoch ist (Abbildung 1).

Gle

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ibu

ng

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l µ

durchschnittliche Rautiefe µm

POM

PA

Abbildung 1

0,20 2 4 6

0,4

0,6


Gle

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Mit zunehmender Rauheit nimmt sie bis auf einMinimum ab und steigt dann im weiteren Ver-lauf wieder an. Der Gleitverschleiß wird dabeimit zunehmender Rauheit größer.

Dagegen zeigen die verschleißanfälligerenKunststoffe (z. B. PE-UHMW, PTFE) mit zuneh-mender Rauheit eine stetig steigende Gleitrei-bungszahl. Der Bereich, in dem sich die Gleitrei-bungszahl durch zunehmende Rauheit verbes-sern lässt, ist nur minimal ausgeprägt. Der Gleit-verschleiß wird dabei mit zunehmender Rauheitgrößer.

Die Modellvorstellung zur Erklärung dieses Verhaltens geht davon aus, dass der Abrieb im Gleitla-ger eine Schmiermittelfunktion übernimmt. Dabei ist zu beobachten, dass günstiges Gleitverhal-ten dann vorliegt, wenn Menge und Form des Abriebs optimal sind.

Bei den rauheitsunempfindlichen Kunststoffen wirken im niedrigen Rauheitsbereich des Gleit-partners Adhäsionskräfte und Klebebrücken. Bedingt durch die glatte Oberfläche erfolgt keinnennenswerter Abrieb, der Schmierfunktion übernehmen kann. Mit zunehmender Rauheit wer-den die bewegungshemmenden Kräfte weniger, so dass sich durch den zunehmenden Abrieb dieGleitreibungszahl verbessert. Ab einer bestimmten Rauheit setzt die Zerspanung des Kunststoffsein, was höhere Bewegungskräfte erforderlich macht. Die Menge des Abriebs übersteigt das Opti-mum. Bedingt durch diese Mechanismen verschlechtert sich die Gleitreibungszahl.

Da bei den rauheitsempfindlichen Kunststoffen das optimale Abriebvolumen sehr gering ist, ha-ben dies Kunststoffe nur einen sehr engen Bereich, in dem sich eine Verbesserung des Gleitverhal-tens durch Abrieb zeigt. Mit zunehmender Rauheit überwiegt der Einfluss der Zerspanungsarbeit.Eine Verbesserung des Gleitverhaltens ist nicht möglich. Umgekehrt stellt sich demzufolge nur beiGleitpartnern mit extrem glatter Oberfläche aufgrund des fehlenden Abriebs eine Verschlechte-rung des Gleitverhaltens ein.

Die Oberflächenrauheit der Kunststoffe spielt bei dieser Betrachtung keine Rolle, da sie im Ver-gleich zu den metallischen Gleitpartnern eher weich sind und sich dem Tragbild dieser schnell an-passen. Maßgeblich für die Auswahl der Oberflächengüte der Stahlgleitfläche ist demzufolge dieFrage, ob die Funktionalität des Gleitelements eher durch die Höhe des Gleitverschleiß oder dieder Gleitreibungszahl in Frage gestellt wird. Für die Kombination mit Kunststoffgleitlagern kön-nen die in der Tabelle 2 genannten Gleitpartner mit den zugehörigen Oberflächengüten empfoh-len werden:

Tabelle 2: Empfohlene Oberflächengüten für Gleitpaarungen

Geringere Oberflächenhärten und kleinere/größere Oberflächenrauheiten als die angegebenenfördern den Gleitverschleiß des Lagers und verkürzen somit die Lebensdauer.

PA 6 G PA 12 G PA 6 PA 66 PA 12 POM PET PE- PTFEUHMW

Gleit- Härte partner HRc min. 50 50 50 50 50 50 50 50 50gehärte-ter Stahl Rz [µm] 2 – 4 2 – 4 2 – 4 2 – 4 2 – 4 1 – 3 0,5 – 2 0,5 – 2 0,2 – 1

Gleit- Werkstoff POM POM POM POM POM PA PA/POM PA/POM PA/POM/PETpartnerThermo- Rz [µm] 10 10 10 10 10 10 10 10 5plast

durchschnittliche Rautiefe µm

PET

PE-UHMW

0,6

0,4

0,2

Abbildung 2

0 2 4 6

Gle

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ng

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l µ


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Neben den oben genannten Faktoren sind auch die Gleitgeschwindigkeit, Flächenpressung undTemperatur Faktoren, die den Gleitverschleiß beeinflussen. Hohe Gleitgeschwindigkeiten,Flächenpressungen und Temperaturen steigern ebenfalls den Gleitverschleiß.Die nachfolgende Tabelle enthält Richtwerte für den Gleitverschleiß von Kunststoffen.

Tabelle 3: Gleitverschleiß von Kunststoffen

Werkstoff Gleitverschleiß Werkstoff Gleitverschleißin µm/km in µm/km

Oilamid® 0,05 POM-C 8,9

PA 6 G 0,1 PET 0,35

PA 6 0,23 PET-GL 0,1

PA 66 0,1 PE-UHMW 0,45

PA 12 0,8 PTFE 21,0

Die angegebenen Werte sind vom Gleitsystem abhängig und können sich durch Parameterverän-derung des Gleitsystems ebenfalls verändern.

1.4 Schmierung/TrockenlaufFür Gleitlager, die aus Kunststoff gefertigt sind, existieren zur Zeit noch keine allgemeingültigenSchmiervorschriften. Es können die für Metallgleitlager üblichen Schmiermittel verwendet wer-den. Die Verwendung von Schmierstoffen empfiehlt sich trotz der guten Trockenlaufeigenschaf-ten von Kunststoffen, da der Schmierstoff zur Verringerung der Reibwerte und somit der entste-henden Reibwärme führt. Des Weiteren trägt eine kontinuierliche Schmierung zur besseren Ab-fuhr der Lagerwärme bei. Die Schmierung der Gleitlager führt zu höherer Tragfähigkeit sowie ge-ringerem Verschleiß und damit zu längerer Lebensdauer. In stark staubbelasteter Umgebung soll-te auf eine Schmierung jedoch verzichtet werden, da die Staubpartikel im Schmierstoff gebundenwerden und eine Schleifpaste bilden können, die zu erhöhtem Verschleiß führt. Die in der Tabelleauf Seite 53 empfohlenen Kunststoff-Lagerwerkstoffe sind gegen die heute meist eingesetztenSchmierstoffe beständig.

Eine Alternative zur externen Schmierung stellen Kunststoffe mit Selbstschmiereigenschaften wiez.B. Oilamid oder PET-GL dar. Diese Werkstoffe haben aufgrund des bereits im Kunststoff inte-grierten Schmierstoffs niedrigste Verschleißraten bei gleichzeitig hervorragenden Trocken- undNotlaufeigenschaften. Wenn es aus konstruktiven Gründen erforderlich ist, besteht jedoch auchdie Möglichkeit, Kunststoff – Gleitlager ohne Schmierung zu betreiben.

Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass die Belastungswerte innerhalb der in Tabelle 4 angegebe-nen pv – Werte liegen. In jedem Fall sollte, wenn möglich, auch bei vorgesehenem Trockenlauf ei-ne einmalige Schmierung beim Einbau vorgesehen werden. Dadurch wird das Einlaufverhaltenbeträchtlich verbessert und die Lebensdauer kann gesteigert werden. Eine Nachschmierung inempirisch zu ermittelnden Zeitabständen ist möglich.

1.5 Verschmutzung/KorrosionBei Gleitlagern, die im Trockenlauf betrieben werden, besteht die Gefahr, dass durch einwandern-de Feuchtigkeit die Stahlwelle korrodiert. Eine durch Korrosion beschädigte Oberfläche des Gleit-partners verursacht erhöhten Gleitverschleiß und kann zu vorzeitigem Versagen des Lagersführen. Dem kann durch Abschotten der Lagerstelle gegen die Feuchtigkeit entgegengewirktwerden. Weitere wirksame Maßnahmen stellen das Verchromen des Gleitpartners bzw. die Ferti-gung des Gleitpartners aus rostfreiem Stahl dar.

Die Neigung zu Reiboxidation ist bei Kunststoffgleitlagern aufgrund ihrer niedrigen Gleitrei-bungszahlen wesentlich geringer, als bei metallischen Lagerwerkstoffen. Durch Schmierung kannder Verschleiß durch Reiboxidation noch weiter gesenkt werden. Gegenüber metallischen Lager-


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werkstoffen ist der Verschleiß von Kunststoffgleitlager durch Verschmutzungen wie z.B. Stauboder Abrieb wesentlich geringer, da Kunststoffe, speziell die Polyamide, die Eigenschaft haben,Schmutzpartikel einzubetten und so die schmirgelde Wirkung zu verhindern. Bei Betrieb in Um-gebungen mit starker Schmutzbelastung wird empfohlen, die Lagerung mit Schmiernuten zu ver-sehen. Das darin enthaltene Schmiermittel bindet die Schmutzpartikel und hält diese aus derGleitzone fern.

1.6 BelastungsgrenzenBelastungsgrenzen für Gleitlager aus thermoplastischen Kunststoffen werden durch die Druckfes-tigkeit und Lagertemperatur festgelegt. Dabei steht die Lagertemperatur im direkten Zusammen-hang mit der Gleitgeschwindigkeit und der Umgebungstemperatur, bei dynamisch belastetenGleitlagern zusätzlich mit der Einschaltdauer. Aber auch der gewählte Gleitpartner, dessen Ober-flächengüte sowie die gewählte Betriebsart (geschmiert oder ungeschmiert) haben Einfluss aufdie Lagertemperatur eines thermoplastischen Gleitlagers.

In Tabelle 4 sind Richtwerte für die einzelnen Kunststoffe zusammengestellt. Für statisch belaste-tete Lager bzw. Gleitlager mit sehr niedrigen Gleitgeschwindigkeiten können die Angaben zurDauerdruckbelastung angewendet werden. Für dynamisch belastete Lager wird üblicherweiseder pv-Wert (Produkt aus Flächenpressung und mittleren Gleitgeschwindigkeit) als Kenngrößegewählt. Dabei ist zu beachten, dass dieser Wert keine Werkstoffkenngröße darstellt, da die Belas-tungsgrenze der Kunststoffe von den oben genannten Größen abhängig ist.

Tabelle 4: Werkstoffrichtwerte

Dauerdruckbelastung statisch MPanicht gekammert, Verformung < 2% 23 20 24 15 18 10 22 35 33 5 5 12 57 68

gekammert; Verformung < 2% 70 60 - 50 60 43 74 80 75 20 20 - 105 120

Reibungszahl µ 0,36 0,18 0,40 0,38 0,35 0,32 0,30(mittlerer Wert) - - - - - - 0,30 0,25 0,2 0,29 0,08 0,1 - 0,11Trockenlauf auf Stahl 0,42 0,23 0,60 0,42 0,42 0,38 0,38

pv-RichtwertMPa . m/sTrockenlauf/EinbauschmierungV = 0,1 m/s 0,13 0,23 0,12 0,11 0,13 0,08 0,15 0,15 0,25 0,08 0,05 0,40 0,34 0,66V = 1,0 m/s 0,08 0,15 0,10 0,07 0,08 0,10 0,10 0,15 0,05 0,22 0,42kontinuierlich geschmiert 0,50 0,50 0,35 0,40 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,40 0,40 0,50 1,0 1,0

Wärmeausdehnungs-koeffizient+20°C bis +60°C in 10-5 . K-1 8 8 10 9 8 10 10 8 8 18 20 11 5 4,5

Maximal zulässigeLagertemperatur imDauerbetrieb (RF< 80%) +90 +90 +90 +80 +90 +80 +90 +80 +90 +50 +160 +200 +250 +250

Feuchtigkeitsaufnahmein % bei 23°C/50% RF 2,2 1,8 0,9 2,1 3,1 0,8 0,2 0,2 0,2 0 0 0 0,2 0,14bei Sättigungin Wasser 7,0 7,0 1,4 10 9 1,5 0,8 0,5 0,4 < 0,01 < 0,01 < 0,01 0,45 0,3

PA 6

G

Oila

mid

®

Cal

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id®12

00

PA 6

PA 6

6

PA 1

2

POM

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GL

PE-U

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PTFE

PTFE

Ko

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PEEK

PEEK

-GL


Gle

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2. Konstruktive Gestaltung

2.1 LagerspielBei der Gestaltung von Gleitlagern wird zwischen dem Betriebsspiel h0, Einbauspiel he und Ferti-gungsspiel hf unterschieden (siehe Abbildung 3).

• Das Betriebsspiel (Grundspiel oder Mindestspiel)h0 ist das Spiel, das unter ungünstigsten Bedin-gungen als Minimalspiel noch vorhanden seinmuss, um ein Klemmen des Lagers zu vermeiden.

• Das Einbauspiel he ist das im eingebauten, jedochnicht betriebswarmen Zustand vorhandene Spiel.

• Das Fertigungsspiel hf ist das Maß, um das der La-gerinnendurchmesser größer als der Wellen-durchmesser gefertigt werden muss, damit unterBetriebsbedingungen das Betriebsspiel gewähr-leistet ist.

Das erforderliche Betriebslagerspiel h0 kann aus Diagramm 1 entnommen werden. Bei höherenFührungsansprüchen ist es möglich, das Lagerspiel kleiner zu wählen. Die Literatur empfiehlt alsBerechnungsgrundlage

h0 = 0,015Mdw mith0 = Betriebslagerspiel in mmdw = Wellendurchmesser in mm

Für die rechnerische Ermittlung sollten jedoch un-bedingt die Betriebsbedingungen genau bekanntsein, da sonst der Temperatur- und Feuchteein-fluss nicht sicher genug berücksichtigt werdenkann.

2.2 Wanddicken/LagerbreiteDie Wanddicken thermoplastischer Gleitlager sind im Hinblick auf die guten Isoliereigenschaftender Kunststoffe von großer Bedeutung. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Wärmeabfuhrund guten Maßhaltigkeit sollte die Wandstärke des Gleitlagers gering sein. Die Wahl der Lager-wandstärke hängt jedoch auch von der Höhe und Art der Belastung ab. Lager mit hohen Um-fangsgeschwindigkeiten und/oder hohen Flächenpressungen sollten dünnwandig, solche mit ho-hen Stoßbelastungen dickwandiger sein. Die von uns in Abhängigkeit vom Wellendurchmesserund der Belastungsart empfohlenen Lagerwanddicken sind in Diagramm 2 dargestellt.

Dort, wo thermoplastische Gleitlager als Ersatz für Lager aus anderen Werkstoffen zum Einsatzkommen sollen, sind die Wanddicken in der Regel bereits durch die vorhandenen Wellen und La-

gergehäuse festgelegt. In diesen Fällen istdarauf zu achten, dass die Mindestwand-dicken aus Diagramm 2 nicht unterschrittenwerden. Zur Vermeidung eines Wärmestausin der Gleitlagermitte ist bei der Festlegungder Lagerbreite darauf zu achten, dass dieseim Bereich von 1 – 1,5 dw liegt. Erfahrungs-werte zeigen, dass eine Lagerbreite von ca.1,2 dw in Bezug auf die Vermeidung einesWärmestaus in der Lagermitte als ideal an-zusehen ist.

D

he

hfho

he

Abbildung 3: Schematische Darstellung derverschiedenen Lagerspiele

00 10 30 50 100 150 200

0,1

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

Lagerinnendurchmesser in mm

h0

in %

bez

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en a

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Lag

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hohe

Stoßb

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normale B

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hohe Gleitgeschw

indigkeitLag

erw

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Wellendurchmesser in mm0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

05

1015

2025

3035

40

Diagramm 1: erforderliches Betriebslagerspiel

Diagramm 2: empfohlene Lagerwanddicke


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2.3 ZuschlägeFür Gleitlager, die in Umgebungen mit erhöhten Temperaturen eingesetzt werden sollen, ist beider Dimensionierung eine entsprechende Maßverän-derung aufgrund von Wärmedehnung zu berücksichti-gen. Die zu erwartende Maßänderung errechnet sich aus

∆ l = sL . kw [mm]

mit∆ l = MaßänderungsL = LagerwandstärkekW = Korrekturfaktor für Wärmeausdehnung

Der Korrekturfaktor kW für die jeweilig max. auftretende Umgebungstemperatur wird aus Dia-gramm 3 abgelesen.

Die so rechnerisch bestimmte Maßänderung muss dem Betriebslagerspiel zugeschlagen werden.

Ist absehbar, dass aus Polyamiden gefertigte Gleitlager dauerhaft unter Bedingungen mit erhöh-ter Luftfeuchtigkeit oder mit Wasserschmierung eingesetzt werden sollen, ist aufgrund derFeuchteaufnahme eine zusätzliche Maßveränderung zu berücksichtigen.

Die zu erwartende Maßänderung errechnet sich aus

∆ l = sL . kF [mm]

mit∆l = MaßänderungsL = LagerwandstärkekF = Korrekturfaktor für Feuchteaufnahme

Der Korrekturfaktor kF für die jeweilig max.auftretende Luftfeuchtigkeit wird aus Dia-gramm 4 abgelesen.

Die so rechnerisch bestimmte Maßänderungmuss dem Betriebslagerspiel zugeschlagenwerden.

Für Einsatzbedingungen, die eine Korrektur des Betriebslagerspiels aufgrund von Temperaturund Feuchte erfordern, werden beide Werte ermittelt und addiert. Die Summe der Ergebnisse bil-det den erforderlichen Zuschlag.

2.4 Gestaltung als geschlitzte LagerbuchseFür den Einsatz unter extremen Feuchtig-keits- und Temperaturbedingungen hat sichdie Ausführung der Lagerbuchse mit einemzwischen 15° - 30° schräg zur Wellenachseverlaufenden Axialschlitz bewährt.

Der Schlitz nimmt dabei die Umfangsausdeh-nung der Lagerbuchse auf, so dass eineDurchmesserveränderung aufgrund vonTemperatur- oder Feuchteeinwirkung bei derLagerspielberechnung nicht berücksichtigtwerden muss. Es ist lediglich die Wandstär-

20 40 60 80 100

0,04

0,03

0,02

0,01

0

Lagertemperatur in °C

Ko

rrek

turf

akto

r k w

50 60 70 80 90 100

relative Luftfeuchte in %

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0

Ko

rrek

turf

akto

r k F

0 50 100 150 200 250 300 350

Lagerdurchmesser in mm

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Sclit

zbre

ite

in m

m

Diagramm 3: Korrekturfaktor kw

Diagramm 5: Schlitzbreite

Diagramm 4: Korrekturfaktor kF

1,5% von UL

1% von UL


Gle

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kenänderung in die Berechnung einzubeziehen,wobei diese im Vergleich zur Durchmesserverände-rung infolge von Umfangslängung nur gering ist.

Bei geschmierten Lagern kann der Schlitz zusätz-lich die Aufgabe eines Schmiermitteldepots erfül-len und zur Aufnahme von Abriebteilchen dienen.

Die Schlitzbreite ist vom Lagerdurchmesser und denErfordernissen der Einsatzbedingungen abhängig.Wir empfehlen ca. 1 – 1,5 % des Gleitlagerumfangs als Schlitzbreite.

2.5 Befestigung

In der Praxis hat es sich bewährt, Gleitlager mitÜbermaß in Lagerbohrungen einzupressen. BeimEinpressen wird die Lagerbuchse um den Betragdes Übermaßes zusammengedrückt. Daher mussdieses äußere Übermaß als Zuschlag zum Be-triebslagerspiel am Innendurchmesser der Buchseberücksichtigt werden. Das erforderliche Über-maß ist aus Diagramm 6 zu entnehmen.

Infolge von Temperaturerhöhungen werden dieSpannungen im Lager größer und es besteht nachAbkühlung die Gefahr der Relaxation. Dies kann dazu führen, dass die Presskraft nicht mehr ausrei-chend groß ist, um das Gleitlager kraftschlüssig im Lagersitz zu halten. Aus diesem Grund empfeh-len wir für Temperaturen über 50 °C eine zusätzliche Sicherung mit einem im Maschinenbau übli-chen, formschlüssigen Sicherungselement.

3. Berechnung dynamisch belasteter Gleitlager

Im Unterschied zu Gleitlagern, die ausschließlich durch eine ruhende Normalkraft belastet wer-den, sind statisch belastete Gleitlager zusätzlich durch eine Tangentialkraft beansprucht. Diesführt zur Zunahme der Schubspannungen im Kunststoff und infolgedessen zu höherer Werkstoff-anstrengung.

3.1 DauerbetriebAls Kenngröße für die dynamische Belastbarkeit von Gleitlagern wird üblicherweise der pv-Wert(das Produkt aus mittlerer Flächenpressung und mittlerer Gleitgeschwindigkeit) gewählt. Zur Be-rechnung der dynamischen Belastbarkeit von Querlagern ist die Ermittlung des pvDauer - Wertesnotwendig.

Die mittlere Flächenpressung für Querlager ist

mit F = Lagerlast in NdW = Wellendurchmesser in mmL = Lagerbreite in mm

0,007

0,006

0,005

0,004

0,003

0,002

0,001

20 40 60 80 100 120 140 160 1800

Außendurchmesser des Gleitlagers

Ein

pre

ssü

ber

maß

pro

mm

Da

dw

SL

LD

Querlager

[MPa]F

p =dw.L

Diagramm 6: erforderliches Einpressübermaß

Abbildung 5: Querlager

15°- 30°

[mm]

[mm]


Gle

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Die mittlere Gleitgeschwindigkeit für Querlager ist

dw.π.nv = –––––––– [m/s]60000

mit dW = Wellendurchmesser in mmn = Drehzahl in min-1

Somit wird pvDauer bei dynamischer Belastung für Querlager ohne Schmierung zu

r F i r dw . p . n ipvDauer = e–––––– e. e–––––––––– e [MPa . m/s]

qdw . L t q 60000 t

Der errechnete pvDauer - Wert sollte kleiner oder gleich dem in Tabelle 4 angegebenen werkstoff-spezifischen pv – Wert sein.

3.2 AussetzbetriebDie dynamische Belastbarkeit von thermoplastischen Gleitlagern ist maßgeblich von der im Be-trieb entstehenden Wärme abhängig. Demzufolge sind Gleitlager im Aussetzbetrieb mit abneh-mender Einschaltdauer zunehmend belastbar. Dem wird durch Einsetzen eines Korrekturfaktorsfür die relative Einschaltdauer (= ED) Rechnung getragen.

Unter diesen Voraussetzungen wird für Querlager im Aussetzbetrieb

pvDauerpv

Aus = ––––––––

fmitf = Korrekturfaktor für ED

Die relative Einschaltdauer ED wird als das Verhältnis der Belastungsdauer t zur gesamtenSpieldauer T in Prozent definiert.

Für Gleitlager aus thermoplastischen Kunststoffen istdie Gesamtspieldauer T = 60 min festgelegt. Die Summealler während dieser 60 min auftretenden Einzelbelas-tungszeiten bildet die Belastungsdauer.

Mit dem so errechneten Wert kann nun aus Diagramm 7der Korrekturfaktor f bestimmt werden. Dabei ist zubeachten, dass jede Belastungsdauer t, die über 60 minhinaus geht (unabhängig davon, ob dies eventuell nureinmal auftritt), als Dauerbelastung zu bewerten ist.

3.3 Bestimmung des GleitverschleißesDie Vorausbestimmung des Gleitverschleißes zur Bestimmung der zu erwartenden Lebensdauereines Gleitlagers ist äußerst problematisch. In der Regel ist eine ausreichend genaue Erfassung deräußeren Bedingungen nicht möglich oder die Bedingungen verändern sich im Laufe des Betriebsauf nicht nachvollziehbare Weise. Dennoch ist es möglich, den zu erwartenden Gleitverschleiß füreine grobe Abschätzung der Lebensdauer ausreichend genau zu berechnen. Hierzu werden Rau-heits-, Druck- und Temperaturanteile zur Ermittlung in einer auf vereinfachten Annahmen basie-renden Gleichung zusammengefasst.

tED = . 100 [%]

T

0% 50% 100%

relative Einschaltdauer ED

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0Ko

rrek

turf

akto

r f

Diagramm 7: Korrekturfaktor f


Gle

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Damit wird der Gleitverschleiß ∆S zu

r cF cF–c0 i

∆S = 10pN (S0 + S1 . RV . + S2 . R2V ) . e1 - ––– + 400 d0 e. r2g [µm/km]

q c0 t

mitS0 = Mess- und ErfahrungswertS1 = Mess- und ErfahrungswertS2 = Mess- und Erfahrungswertc0 = Mess- und ErfahrungswertcF = Gleitflächentemperatur in °CRV = mittlere Rautiefe in µmpN = maximale Pressung in MPar2 = Riefenrichtungsfaktorg = Glättungsfaktor

Der Riefenrichtungsfaktor r2 wird nur dann in die Gleichung eingesetzt, wenn die Gleitrichtungmit der Richtung der Bearbeitungsriefen des Metallpartners übereinstimmen. Dadurch wird derEinfluss der unterschiedlichen Rauheiten bei der Relativbewegung des Metallgleitpartners inRichtung und senkrecht zur Richtung der Bearbeitungsriefen berücksichtigt.

Der Glättungsfaktor g soll die Glättung des Metallpartners durch Abtrag von Rauheitsspitzenund/oder die Füllung von Rauheitstälern durch Kunststoffabrieb beschreiben.

Die maximale Pressung pN wird durch eine Näherungsgleichung zu

16 FpN = –––– . ––––––––– [MPa]

3p dw . L

mitF = Lagerlast in NdW = Wellendurchmesser in mmL = Lagerbreite in mm

wobei pN 6 (0,8 bis 1,0) . jD (Druckfestigkeit des gewählten Kunststoffs) nicht überschreiten darf.

Die aufgeführten Mess- und Erfahrungswerte könne aus Tabelle 5, die Riefenrichtungsfaktorenaus Tabelle 6 entnommen werden. Für andere als die unten aufgeführten Werkstoffe liegen unskeine Mess- und Erfahrungswerte vor.

Werkstoff S0 S1 S2 c0 g

PA 6 0,267 0,134 0 120 0,7PA 66 0,375 0,043 0 120 0,7PA 12 0,102 0,270 0,076 110 0,7POM-C 0,042 0,465 0,049 120 0,8PE-UHMW 1,085 - 4,160 4,133 60 0,7PET 0,020 0,201 - 0,007 110 0,8PTFE 1,353 -19,43 117,5 200 0,6

Tabelle 5: Mess- und Erfahrungswerte für die einzelnen Kunststoffe


Gle

itla

ger

au

s K

un

stst

off

Rv senkrecht zur Richtung derBearbeitungsriefen in µm PA POM-C PET PE-UHMW

> 0,5 1,0 0,9 0,8 0,80,5 – 1 0,9 0,6 0,6 0,41 – 2 0,8 0,3 0,4 0,22 – 4 0,8 0,2 0,3 —4 – 6 0,8 0,2 0,3 —

3.4 Bestimmung der LebensdauerDas Ende der Lebensdauer eines Kunststoffgleitlagers ist in der Regel dann erreicht, wenn das La-gerspiel einen unzulässig hohen Wert erreicht hat. Das Lagerspiel setzt sich aus mehreren Fakto-ren zusammen. Zum einen liegen Verformungsanteile aufgrund der Lagerlast vor, zum anderenist das Betriebsspiel und der im Betrieb erfolgende Verschleiß zu berücksichtigen. Da dieser imvoraus nur rechnerisch zu ermitteln ist und in die Berechnung der Lebensdauer nur der nach 3.3angenähert ermittelte Gleitverschleiß eingeht, ist die ermittelte Lebensdauer ebenfalls nur alsNäherungswert zur groben Abschätzung zu betrachten.

Unter diesen Voraussetzungen und in Verbindung mit der Gleitgeschwindigkeit wird die zu er-wartende Lebensdauer H zu

r h0 ieDhzul - Dh - eq 2 t

H = ––––––––––––––––––– . 103 [h]DS . v . 3,6

mitDhzul = zulässige Zapfeneinsenkung in mmDh = Zapfeneinsenkung in mmh0 = Betriebsspiel in mmDS = Verschleißrate in µmv = Gleitgeschwindigkeit in m/s

Für eine grobe Annäherung an die tatsächliche Lebensdauer ist es vertretbar, die Zapfeneinsen-kung Dh in der Berechnung zu vernachlässigen, da diese unter realistischen Bedingungen sehrklein ist und häufig im Bereich der Fertigungstoleranzen liegt.

Tabelle 6: Riefenrichtungsfaktoren für Kunststoffe


Unsere spangebenden Bearbeitungsmöglichkeiten:• CNC-Fräsmaschinen bis Arbeitsbereich 3000 x 1000 mm • 5-Achsen CNC-Fräsmaschinen• CNC-Drehmaschinen bis Ø 1560 mm und 2000 mm Länge• konventinellen Drehautomaten bis Ø 100 mm Spindeldurchlaß• CNC-Drehautomaten bis Ø 100 mm Spindeldurchlaß• Verzahnungen ab Modul 0,5 bis Ø 1500 mm• Tischfräsen• Kreissägen bis 170 mm Schnittstärke und 3100 mm Schnittlänge• Vierseitenhobel bis 125 mm Dicke und 225 mm Breite• Dickenhobel bis 230 mm Dicke und 1000 mm Breite


Wir verarbeiten:• Polyamid PA • Polyacetal POM• Polyethylenterephthalat PET • Polyethylen 1000 PE-UHMW • Polyethylen 500 PE-HMW • Polyethylen 300 PE-HD • Polypropylen PP-H • Polyvinylchlorid (hart) PVC-U• Polyvinylidenfluorid PVDF • Polytetraflourethylen PTFE • Polyetheretherketon PEEK• Polysulfon PSU • Polyetherimid PEI

Beispiele für Konstruktionsteile:• Seil- und Laufrollen• Führungsrollen• Umlenkrollen• Gleitlager• Gleitplatten• Gleitleisten• Zahnräder• Kettenräder• Bewegungsmuttern• Einlaufbögen• Einlaufsterne• Einlaufschnecken

• Bogenführungen• Dosierscheiben• Kurvenscheiben• Verschraubungen• Dichtungen• Schaugläser• Ventilgehäuse• Gerätegehäuse• Spulenkörper• Vakuumleisten/-platten• Abstreiferleisten• Stanzunterlagen


Hin

wei

se z

um

Geb

rau

ch/L

iter

aurv

erw

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Hinweise zum Gebrauch

Alle Berechnungen, Ausführungen sowie technischen Angaben dienen nur zur Information undBeratung und entbinden nicht von der eigenen Prüfung hinsichtlich der Eignung der Werkstoffefür konkrete Anwendungsfälle. Aus dem Inhalt dieser Arbeitsunterlage können keine rechtsver-bindlichen Zusicherungen von Eigenschaften und / oder Ergebnissen aus den Berechnungen abge-leitet werden. Die angegebenen Werkstoffkennwerte sind nicht als verbindliche Mindestwertesondern als Richtwerte zu verstehen und wurden, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben, mitgenormten Prüfkörpern bei Raumtemperatur und 50 % relativer Luftfeuchte ermittelt. Die Ent-scheidung, welcher Werkstoff für einen konkreten Anwendungsfall verwendet wird, sowie dieVerantwortung für die daraus hergestellten Teile obliegen dem Anwender. Wir empfehlen dahervor dem Serieneinsatz einen Eignungsnachweis durch einen praktischen Versuch.

Irrtümer und Änderungen hinsichtlich des Inhalts der Arbeitsunterlage bleiben ausdrücklich vor-behalten.Die jeweils aktuelle Version, in der alle Änderungen und Ergänzungen berücksichtigt sind, erhal-ten Sie als PDF-Download im Internet unter www.licharz.de.

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Literaturverweis

Für die Erstellung der Arbeitsunterlage „Konstruieren mit Kunststoffen“ wurde folgende Literatur hinzugezogen:

Ebeling, F.W. / Lüpke, G. Kunststoffverarbeitung; Vogel VerlagSchelter, W. / Schwarz, O.

Biederbick, K. Kunststoffe; Vogel Verlag

Carlowitz, B. Kunststofftabellen; Hanser Verlag

Böge, A. Das Techniker Handbuch; Vieweg Verlag

Ehrenstein, Gottfried W. Mit Kunststoffen Konstruieren; Hanser Verlag

Strickle, E. / Erhard G. Maschinenelemente aus thermoplastischen KunststoffenGrundlagen und Verbindungselemente; VDI Verlag

Strickle, E. / Erhard G. Maschinenelemente aus thermoplastischen KunststoffenLager und Antriebselemente; VDI Verlag

Erhard, G. Konstruieren mit Kunststoffen; Hanser Verlag

Severin, D. Die Besonderheiten von Rädern aus Polymerwerkstoffen;Fachbericht TU-Berlin

Severin, D. / Liu, X. Zum Rad-Schiene-System in der Fördertechnik,Fachbericht TU-Berlin

Severin, D. Lehrunterlage Nr. 701, Pressungen

Liu, X. persönliche Mitteilungen

Becker, R. persönliche Mitteilungen

VDI 2545 Zahnräder aus thermoplastischen Kunststoffen; VDI Verlag

DIN 15061 Teil 1 Rillenprofile für Seilrollen; Beuth Verlag

DIN ISO 286 ISO-System für Grenzmaße und Passungen; Beuth Verlag

DIN ISO 2768 Teil 1 Allgemeintoleranzen; Beuth Verlag

DIN ISO 2768 Teil 2 Allgemeintoleranzen für Form und Lage; Beuth Verlag


2x45°

30+0,5

20+0,5

Ø 7

0,05

+0,1

Ø 5

0,05

+0,1

2

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8

2x45º

Konstruieren mit technischen Kunststoffen

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Schutzgebühr 18,- €

Licharz GmbHIndustriepark NordD-53567 BuchholzDeutschlandTelefon: ++49 (0) 26 83-977 0Telefax: ++49 (0) 26 83-977 111Internet: www.licharz.deE-Mail: [email protected]

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• Lieferprogramm Halbzeuge • Broschüre „Fertigungsspektrum Konstruktionsteile“

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Titel mit Rücken 2005 08.04.2005 11:03 Uhr Seite 1

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