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Fluidtechnik und Tribologie

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HydroBear 2.0

Energetisch optimiertes Gleitlager mit hydrostatischer Unterstützung - HydroBear 2.0

Ein Lager stellt ein hochkomplexes tribologisches System aus Grund- und Gegenköper, Zwischenmedium und Umgebungsmedium dar und unterliegt somit während des gesamten Betriebs ständigen Reibungs- und Verschleißvorgängen. Bislang bekannte Ausführungsformen hydrostatischer Lager arbeiten auf der Basis von Schmierölen oder Wasser in Verbindung mit Spaltdichtungen. Für diese Lager ist im Stillstand eine hohe Pumpenleistung notwendig, um die Verlustschmierung auszugleichen und den Entlastungsdruck im Lager zu halten. Der Vorteil der allzeit verfügbaren Flüssigkeitsreibung verschlechtert somit im Stillstand den Gesamtwirkungsgrad massiv.

Motivation

Ein Lager stellt ein hochkomplexes tribologisches System aus Grund- und Gegenköper, Zwischenmedium und Umgebungsmedium dar und unterliegt somit während des gesamten Betriebs ständigen Reibungs- und Verschleißvorgängen. Die häufigste Ausführungsform im Maschinenbau sind Wälzlager. Bei stoßartigen Belastungen im Stillstand ist dieses Lagerprinzip jedoch wenig vorteilhaft (Riffelbildung / false brinelling). Einfache Gleitplatten- oder Gleitbuchsenlager erzielen durch die große Kontaktfläche niedrigere Flächenlasten, weisen aber hohe Reibwerte auf. Gleitlager mit hydrodynamischer Unterstützung arbeiten im Nennbereich mit niedrigen Reibwerten der Flüssigkeitsreibung, besitzen aber nach wie vor ein nennenswertes Losbrechmoment zu Bewegungsbeginn.

 

Wesentlich vorteilhafter erscheinen somit Gleitlager mit hydrostatischer Unterstützung. Bislang bekannte Ausführungsformen arbeiten auf der Basis von Schmierölen oder Wasser in Verbindung mit Spaltdichtungen. Für diese Lager ist im Stillstand eine hohe Pumpenleistung notwendig, um die Verlustschmierung auszugleichen und den Entlastungsdruck im Lager zu halten. Der Vorteil der allzeit verfügbaren Flüssigkeitsreibung verschlechtert somit im Stillstand den Gesamtwirkungsgrad massiv.

Zielsetzung

Im Projekt HydroBear 2.0 sollte ein Lagerkonzept untersucht werden, das den Vorteil der inneren Lagerkraftübertragung durch ein hydraulisches Druckfeld um den Vorteil der Leckageminimierung ergänzt. Als alternative Druckübertragungsmedien wurden nicht-newtonsche Fluide in Verbindung mit Dichtkörpern betrachtet. Das grundlegende Funktionsprinzip war durch eine konstruktionssystematische Vorgehensweise in unterschiedliche Produkte zu überführen.

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Danksagung

Supported by „Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) 2014-2020 (ANBest-EFRE)“

Grant No. EFRE-0400144

Ergebnisse

Die zu Beginn des Projekts definierte Hypothese zur Energieeinsparung und weiteren Vorteilen des neuartigen Gleitlagers konnte in einer Reihe von theoretischen Untersuchungen und Berechnungen sowie Versuchen an eigens entwickelten sowie vorhandenen Prüfständen nachgewiesen werden.

Vorteile für die Lagertechnik: 

  • Reduzierte Anfahrkräfte bei Bewegungsbeginn,
  • Verringerte und vergleichmäßigte Reibung im Lager,
  • Minimierung der Lagerleckage und verbessertes Fluidhandling durch fehlende Umwälzkreisläufe,
  • Fail safe Eigenschaft durch Druckspeichervermögen im Inneren des Lagers,
  • Reduzierte Fertigungskosten durch adaptive Dichtelemente. 

 

Vorteile für die Antriebstechnik und die hydraulische Versorgungseinheit:

  • Reduzierung der installierten Antriebsleistung,
  • Vergleichmäßigte und verbesserte Regelbarkeit des Bewegungsvorganges,
  • Vermeidung von Stößen durch Ruckgleiten in den Antriebskomponenten,
  • Reduzierung der installierten hydraulischen Leistung. 

Kontakt

Konstruktionslehre
Axialgleitlager
Axialgleitlager

Axialgleitlager mit vier individuell regelbaren Taschen, Sonderfunktion Spalthöhenregelung

Radialgleitlager
Radialgleitlager

Radialgleitlager mit einer Tasche

Prototyp
Prototyp

Frei aufstellbares Einzellager mit Hub- und Winkelausgleich, frei einstellbare hydrostatische Entlastung.

Prototyp
Prototyp

Mehrtaschenlager mit vier einzeln ansteuerbaren Drucktaschen. Auf das Lager bei einer Drehbewegung einwirkende Kippmomente werden durch das Lager eliminiert und somit nicht an den Unterbau weitergeleitet.  Die Taschendrücke können statisch voreingestellt oder dynamisch angepasst werden.    

Prototyp
Prototyp

Mehrtaschenlager mit vier einzeln ansteuerbaren Drucktaschen. Auf das Lager bei einer Drehbewegung einwirkende Kippmomente werden durch das Lager eliminiert und somit nicht an den Unterbau weitergeleitet.  Die Taschendrücke können statisch voreingestellt oder dynamisch angepasst werden.    

Messergebnisse

Messergebnisse zum Mehrtaschenlager am Prototypen, hergestellt durch rapid prototyping: Einstellen des gewünschten Reibwertes durch hydrostatischen Taschendruck, Funktionsnachweis für Belastungen bis 50.000N, minimaler Reibwert von µ=0.01 über weiten Taschendruckbereich konstant. 

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