Wirtschaftliche und ökologische Rahmenbedingungen zwingen die Forschung immer weiter, die Betriebseigenschaften von Maschinenelementen zu verbessern. Für hydrodynamische Gleitlager wird die Abweichung der zylindrischen Form untersucht, um gezielt Betriebsparameter zu begünstigen. Untersuchungen mit ALP3T dienen der Ermittlung lastfallabhängiger Vorzugsgeometrien. Weiterführende Simulationsuntersuchungen mit Creo Simulate ermöglichen im Anschluss die praxisnahe Formgenerierung. Eine Überführung der Ergebnisse zwischen den beiden Programmen liefert die lastfall- und formabhängigen Betriebsparameter des Gleitlagers. Mit Hilfe der Kopplung können in iterativen Simulationsschritten Fehler reduziert und somit lastfallspezifische Lagergeometrien präsentiert werden. Ferner lässt sich für das Gleitlager ein Demonstrator konzipieren, der diese Lagergeometrien aufbringt.

Die vorliegende Arbeit verfolgte die Zielstellung der Substitution des etablierten Weißmetalls als Laufschicht von hydrodynamischen Mehrflächengleitlagern durch neuartige Kunststoffschichten. Dazu wurden vergleichende Bauteilversuche an Mehrflächengleitlagern mit verschiedenen Laufschichten und Bohrungsformen vorgenommen. Eine Zinnbasislegierung als Laufflächenbeschichtung diente dabei als Referenzwerkstoff. Zur Durchführung des Versuchsprogrammes kam ein vorhandener, messtechnisch neu konditionierter Turbinenlagerprüfstand zum Einsatz. Die Versuchsreihen haben durchweg positive Beurteilungen der Lagerkennwerte im untersuchten Betriebsbereich der neuen Lagervarianten ergeben. Die neuartigen Laufschichtvarianten erfüllten die hohen tribologischen und thermischen Anforderungen. Einzelne Abweichungen der ermittelten Kennwerte wurden zahlenmäßig dokumentiert und können mit bereits verfügbaren physikalischen Modellen beschrieben werden. Die Ergebnisse erwiesen sich als unabhängig von der Lagerbauform aber abhängig von der gewählten Schichtvariante. Die Untersuchungen zum Betriebsverhalten unter hydrodynamischer Dauerbelastung sowie im Mischreibungsgebiet und im Notlaufbetrieb führten zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Im Mischreibungsgebiet wiesen die untersuchten Lager kaum Unterschiede im Betriebsverhalten auf. Im Dauerversuch zeigten die Lager mit Weißmetall, Gleitlack und Keramikschicht hervorragende Eigenschaften. Die Variante Klüberplast besaß eine ungenügende Bindefestigkeit und führte zu plastischen Verformungen der Schicht infolge der hydrodynamischen Drücke. Im Notlaufbetrieb übertrafen die untersuchten Kunststoffvarianten die Standzeiten des Referenzwerkstoffs Weißmetall. / The aim of this study was to identify and test an alternative liner material instead of common liner materials such as white alloy for multi-lobe radial bearings. For this purpose comparative tests with different radial bearings were carried out. The white alloy material was taken as a reference. In preparation for these test series, the measurement system of the turbine bearing test rig was upgraded. Experiments showed beneficial performances of the bearings with a plastic liner by evaluating the static and dynamic properties of different bearing geometries and liner thicknesses under a wide range of operating conditions. The new bearings fulfilled the high tribological and thermal requirements. Observed deviations of the determined parameters were documented in number and can be described with available physical models. The results were independent of the bearing type and depending on the selected liner material variant. The studies on operating performance in continuous operation in the mixed friction area and in dry running operation led to partially different results. The mixed friction tests showed little difference in the examined stock performance. The bearings with white alloy, ceramic layer and bonded coating showed excellent fatigue properties of long-term experiment. On Klüberplast insufficient bonding strength and plastic deformation of the layer due to the hydrodynamic pressure was found. In the dry running operation the investigated polymers exceeded the lifetime of the referencematerial white alloy.

Die vorliegende Arbeit verfolgte die Zielstellung der Substitution des etablierten Weißmetalls als Laufschicht von hydrodynamischen Mehrflächengleitlagern durch neuartige Kunststoffschichten. Dazu wurden vergleichende Bauteilversuche an Mehrflächengleitlagern mit verschiedenen Laufschichten und Bohrungsformen vorgenommen. Eine Zinnbasislegierung als Laufflächenbeschichtung diente dabei als Referenzwerkstoff. Zur Durchführung des Versuchsprogrammes kam ein vorhandener, messtechnisch neu konditionierter Turbinenlagerprüfstand zum Einsatz. Die Versuchsreihen haben durchweg positive Beurteilungen der Lagerkennwerte im untersuchten Betriebsbereich der neuen Lagervarianten ergeben. Die neuartigen Laufschichtvarianten erfüllten die hohen tribologischen und thermischen Anforderungen. Einzelne Abweichungen der ermittelten Kennwerte wurden zahlenmäßig dokumentiert und können mit bereits verfügbaren physikalischen Modellen beschrieben werden. Die Ergebnisse erwiesen sich als unabhängig von der Lagerbauform aber abhängig von der gewählten Schichtvariante. Die Untersuchungen zum Betriebsverhalten unter hydrodynamischer Dauerbelastung sowie im Mischreibungsgebiet und im Notlaufbetrieb führten zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Im Mischreibungsgebiet wiesen die untersuchten Lager kaum Unterschiede im Betriebsverhalten auf. Im Dauerversuch zeigten die Lager mit Weißmetall, Gleitlack und Keramikschicht hervorragende Eigenschaften. Die Variante Klüberplast besaß eine ungenügende Bindefestigkeit und führte zu plastischen Verformungen der Schicht infolge der hydrodynamischen Drücke. Im Notlaufbetrieb übertrafen die untersuchten Kunststoffvarianten die Standzeiten des Referenzwerkstoffs Weißmetall. / The aim of this study was to identify and test an alternative liner material instead of common liner materials such as white alloy for multi-lobe radial bearings. For this purpose comparative tests with different radial bearings were carried out. The white alloy material was taken as a reference. In preparation for these test series, the measurement system of the turbine bearing test rig was upgraded. Experiments showed beneficial performances of the bearings with a plastic liner by evaluating the static and dynamic properties of different bearing geometries and liner thicknesses under a wide range of operating conditions. The new bearings fulfilled the high tribological and thermal requirements. Observed deviations of the determined parameters were documented in number and can be described with available physical models. The results were independent of the bearing type and depending on the selected liner material variant. The studies on operating performance in continuous operation in the mixed friction area and in dry running operation led to partially different results. The mixed friction tests showed little difference in the examined stock performance. The bearings with white alloy, ceramic layer and bonded coating showed excellent fatigue properties of long-term experiment. On Klüberplast insufficient bonding strength and plastic deformation of the layer due to the hydrodynamic pressure was found. In the dry running operation the investigated polymers exceeded the lifetime of the referencematerial white alloy.

This paper discusses an investigation on a novel hydraulic pump concept. The idea aims on a pump principle to be directly connected to high-speed electric motors to build compact high-pressure drives. The pump can theoretically work without solid contact and has no kinematic pulsation. The composition of the pump is basically similar to cylindrical journal bearings. In general, a journal bearing is used to support external loads on a rotating shaft. When the shaft rotates with the loads, hydrodynamic fluid force is generated in the fluid film, which compensates the external force and reduces an eccentricity of the shaft. The difference of the introduced pump concept from the bearing is that the eccentricity is fixed and it has an outlet port at the high pressure area, through which the fluid can be transferred. To examine the functionality of the pump, a test bench is constructed and experiments are performed to investigate the pressure build-up and discharging flow of the pump concept. The experimental results are numerically analyzed by using elasto-hydrodynamic lubrication (EHL) simulation, based on the 2D Reynold’s equation. From these results, the functionality of the pump concept is confirmed. Moreover, several variables that influence the characteristic curve of the pump are studied. Based on these results, geometric parameters of the test pump are redesigned to discharge sufficient flow rate for usage as commercial pumps.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Einsatz von Hochleistungskeramiken im Bereich der Gleitlagertechnik. Dabei liegt der Fokus auf das keramikgerechte Design, welches die umge-bende Struktur mit einbezieht. Insbesondere die Einbettung aber auch der Bolzen sind durch konstruktive Maßnahmen zu adaptieren, sodass eine möglichst geringe Zugspannung unter Last im keramischen Werkstoff entsteht. Parameterstudien mit Hilfe der FEM erlauben die Aufstellung von Anforderungen an das Design nach dem Kriterium des Spannungsminiums und in Abhängigkeit der Lagergröße und -belastung sowie des verwendeten keramischen Werkstoffes. Eine experimentelle Validierung des keramikgerechten Designs bestätigt eine statische und dynamischer Tragfähigkeit bis mindestens 150 N/mm². Weiterhin wird ein Weg eines fluidfreien und wartungsfreien Tribologiesystems für keramische Werkstoffe aufgezeigt, das einen geringen Reibwert von kleiner 0,1 und einen nicht messbaren Verschleiß aufweist. Optimierungspotenzial besteht hinsichtlich des erreichbaren Gleitweges. Abschließend wird eine Berechnungsvorschrift zur Dimensionierung eines keramischen Gleitlagers gegeben.:Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis XI Symbole und Abkürzungen XII 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 2.1 Technische Merkmale und Marktanalyse heutiger Gleitlager 3 2.2 Keramische Werkstoffe 7 2.3 Hochleistungskeramik in hochbeanspruchten Gleitanwendungen sowie Präzisierung der Aufgabenstellung und angewandten Methoden 14 3 Berechnungsmethoden für keramische Werkstoffe 18 3.1 Spannungszustand im keramischen Bauteil 18 3.2 Zulässige Spannung und Sicherheitsbeiwert für keramische Werkstoffe 20 3.3 Lebensdauerbestimmung mittels Messmethoden 24 4 Mechanisches Design eines keramischen Gleitlagers (mechanische Lebensdauer) 26 4.1 Verbindungselement Koppelstange und typische Lastsituationen 26 4.2 Konstruktive Voraussetzungen für eine rein elastische Beanspruchung 27 4.3 Parameterstudien zu konstruktiven Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanische Beanspruchung 30 4.3.1 Einfluss der Fertigungsqualitäten des Lagersitzes 31 4.3.2 Einfluss der Gleitlagerbuchsen- und Einbettungssteifigkeit 32 4.3.3 Einfluss der Bolzenballigkeit 36 4.3.4 Einfluss der Einbettungsbauform 36 4.3.5 Einfluss der Lagerbelastung und des Nenndurchmessers 40 4.3.6 Einfluss der Lagerluft 41 4.3.7 Weitere Parameterstudien 42 4.4 Ableitung von Konstruktions- und Werkstoffanforderungen 43 4.5 Experimentelle Festigkeitsuntersuchung 45 4.5.1 Prüfstandsvorrichtungen 46 4.5.2 Proben zur Festigkeitsuntersuchung und Messprogramm 47 4.5.3 Statische und dynamische Tragfähigkeit keramischer Gleitlager 49 5 Design eines fluidfreien und reibwertreduzierten Tribologiesystems (tribologische Lebensdauer) 51 5.1 Allgemeine und keramische Tribologie 53 5.2 Zusammenfassung tribologischer Kennwerte einer Si3N4-Stahl-Paarung 57 5.3 Möglichkeiten zur Reibwert- und Verschleißreduzierung 59 5.4 Experimentelle Analyse des Tribologiesystems 65 5.4.1 Tribologiesystem und Abbruchkriterien 65 5.4.2 Tribologische Proben und Messprogramm 69 5.4.3 Ergebnisse zum Reibwert und zum erzielbaren Gleitweg 74 5.4.4 Verschleißzustände und tribologisches Verhalten 78 5.4.5 Diskussion der tribologischen Ergebnisse 83 6 Berechnungsvorschrift zu rein elastisch beanspruchten Gleitlagerbuchsen nach dem Spannungsminimum 85 7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 90 8 Ausblick 93 Literaturverzeichnis 95 Anlagenverzeichnis 97 / This paper describes an application of ceramics in the plain bearing technology. The main issue is the specific ceramic design including the surrounding structure. Especially the embedding as well as the bold have to be adapted to minimize the tensile stress of the ceramic in operation. Parametric studies based on FEM allowing to define the design requirements depending on the criteria of minimum stress, size of bearing, bearing load and ceramic material. Experiments verify the ceramic design regarding to a static and dynamic load rating of 150 N/mm². Furthermore an opportunity is shown to create a fluid free and maintenance-free tribology system for ceramics which has a coefficient of friction less than 0,1 and a not measurable wear. The sliding distance limit has to be optimize. In summary it is given a calculation regula-tion to dimension a ceramic plain bearing.:Abbildungsverzeichnis VIII Tabellenverzeichnis XI Symbole und Abkürzungen XII 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Stand der Technik und Wissenschaft 3 2.1 Technische Merkmale und Marktanalyse heutiger Gleitlager 3 2.2 Keramische Werkstoffe 7 2.3 Hochleistungskeramik in hochbeanspruchten Gleitanwendungen sowie Präzisierung der Aufgabenstellung und angewandten Methoden 14 3 Berechnungsmethoden für keramische Werkstoffe 18 3.1 Spannungszustand im keramischen Bauteil 18 3.2 Zulässige Spannung und Sicherheitsbeiwert für keramische Werkstoffe 20 3.3 Lebensdauerbestimmung mittels Messmethoden 24 4 Mechanisches Design eines keramischen Gleitlagers (mechanische Lebensdauer) 26 4.1 Verbindungselement Koppelstange und typische Lastsituationen 26 4.2 Konstruktive Voraussetzungen für eine rein elastische Beanspruchung 27 4.3 Parameterstudien zu konstruktiven Einflussgrößen und deren Auswirkung auf die mechanische Beanspruchung 30 4.3.1 Einfluss der Fertigungsqualitäten des Lagersitzes 31 4.3.2 Einfluss der Gleitlagerbuchsen- und Einbettungssteifigkeit 32 4.3.3 Einfluss der Bolzenballigkeit 36 4.3.4 Einfluss der Einbettungsbauform 36 4.3.5 Einfluss der Lagerbelastung und des Nenndurchmessers 40 4.3.6 Einfluss der Lagerluft 41 4.3.7 Weitere Parameterstudien 42 4.4 Ableitung von Konstruktions- und Werkstoffanforderungen 43 4.5 Experimentelle Festigkeitsuntersuchung 45 4.5.1 Prüfstandsvorrichtungen 46 4.5.2 Proben zur Festigkeitsuntersuchung und Messprogramm 47 4.5.3 Statische und dynamische Tragfähigkeit keramischer Gleitlager 49 5 Design eines fluidfreien und reibwertreduzierten Tribologiesystems (tribologische Lebensdauer) 51 5.1 Allgemeine und keramische Tribologie 53 5.2 Zusammenfassung tribologischer Kennwerte einer Si3N4-Stahl-Paarung 57 5.3 Möglichkeiten zur Reibwert- und Verschleißreduzierung 59 5.4 Experimentelle Analyse des Tribologiesystems 65 5.4.1 Tribologiesystem und Abbruchkriterien 65 5.4.2 Tribologische Proben und Messprogramm 69 5.4.3 Ergebnisse zum Reibwert und zum erzielbaren Gleitweg 74 5.4.4 Verschleißzustände und tribologisches Verhalten 78 5.4.5 Diskussion der tribologischen Ergebnisse 83 6 Berechnungsvorschrift zu rein elastisch beanspruchten Gleitlagerbuchsen nach dem Spannungsminimum 85 7 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse 90 8 Ausblick 93 Literaturverzeichnis 95 Anlagenverzeichnis 97