Simulationstool: Wie sich hydrodynamische Gleitlager perfekt auslegen lassen

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CADFEM Germany GmbH

Eine Simulationssoftware bildet das komplexe Verhalten von Gleitlagerungen präzise ab und trägt dazu bei, sie zu optimieren.

• Schmierfilmbildung, Lagerverformungen, oder Mischreibung – eine Software des Grafinger Simulationshauses Cadfem GmbH und des Magdeburger Tribologiespezialisten Tribo Technologies GmbH bildet das komplexe Verhalten von Gleitlagerungen präzise ab und hilft, die Gleitlager zu optimieren.

• In das Simulationsprogramm Ansys Workbench integriert, wird Tribo-X inside Ansys – so der Name der Applikation – bereits bei namhaften Unternehmen wie der Hammelmann GmbH eingesetzt.

• Beim 23. International Colloquium Tribology im Januar in Ostfildern bei Stuttgart kann sich das Tribologie-Fachpublikum ein Bild von der praktischen Anwendung machen.

Wichtige Qualitätsmerkmale der hydrodynamischen Gleitlager sind ihre Belastbarkeit und ihre Lebensdauer. Diese hängen wiederum ab vom Zusammenspiel von Welle, Lager und Lagergehäuse. Angesichts der vielen unterschiedlichen Einbauszenarien und der Komplexität der Tribologie in Gleitlagersystemen ist es nicht einfach, die Komponenten zu dimensionieren. Entsprechend hoch fällt der Entwicklungsaufwand aus. Ein großer Zeitfresser sind dabei Prüfstanduntersuchungen. Denn es kann Tage dauern, bis sich im Trial-and-Error-Verfahren eine akzeptable Konfiguration der Baugruppe ergibt.

Die Firma Hammelmann aus Oelde hat sich schon früh eine welt­weite Spitzen­position im Segment Hochdruckpumpen und -systeme erarbeitet. Hydro­dynamische Gleitlager nehmen eine Schlüsselfunktion bei vielen Hammelmann-Produkten 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.

Simulation ermöglicht einfachen und schnellen Vergleich der Designvarianten

Hammelmann nutzt auch bei der Auslegung der Gleitlager zeitgemäße digitale Tools. 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“.

Gleitlager: Redesign der Lagerschale einer Plungerpumpe

Reinigung, Schichtabtrag oder Wasserstrahlschneiden sind typische Einsatzgebiete für Plungerpumpen. Die Produkte von Hammelmann sind sowohl für hohe Drücke, bis 4'500 bar, als auch für hohe Fördermengen, bis zu 3'000 l/min ausgelegt. Solche Geräte unterliegen strengen Vorschriften, die sich immer wieder ändern können. Hersteller wie die Fa. 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: Die Lagerschale ließ sich unmittelbar im Simulationsmodell mit der neuen, vorschriftskonformen Legierung versehen und das elasto-hydrodynamische Verhalten konnte man zudem mit Tribo-X inside Ansys untersuchen. Schnell fiel dabei 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 dann 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.

Präsentation auf dem 23. International Colloquium Tribology 2022

Vom 25. – 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. 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.

Bild oben: Plungerpumpen von Hammelmann erreichen Drücke von bis zu 4'500 bar und eignen sich somit für anspruchsvolle Spezialanwendungen in der Industrie. Bildquelle: Hammelmann GmbH

Informationen zum Colloquium: https://www.tae.de/kolloquien-symposien/tribologie-reibung-verschleiss-und-schmierung/international-colloquium-tribology/

Weitere Informationen: https://www.cadfem.net/de/de/

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