Glidlager – en tribologisk analys av glidytor och konstruktionsbaserade metoder

Friktion är vanligtvis en förlustparameter i mekaniska konstruktioner som kan leda till ökat komponentslitage och fel. Det orsakas ofta av kontakt med ytor som rör sig i motsatt riktning. Installation av glidlager är ett av sätten att underlätta lågfriktionsrörelse mellan dessa komponenter. Men hur fungerar glidlager? Hur minimeras friktionen av glidlager och vilka är de designbaserade metoderna för att optimera låg friktionsrörelse? Denna artikel ger en inblick i tribologins värld (friktionsteori) och dess betydelse för att använda glidlager.

Vad är tribologi och varför är en analys meningsfull för glidlager?

Tribologi kallas också friktionsteori och behandlar enkelt friktionsbeteendet hos olika ytor mot varandra. Tribologi delas in i tre centrala områden: Friktion, slitage och smörjning.

Vad är friktion?

Friktion är motståndet mot rörelse mellan två kontaktpartiklar eller ytor på en kropp. En allmän skillnad görs mellan yttre och inre friktion. Extern friktion inkluderar statisk friktion, glidfriktion och rullfriktion. Den inre friktionen i en kropp, gas eller vätska kallas viskös friktion och orsakar materialets duktilitet.

I synnerhet påverkar extern friktion materialens slitagebeteende och leder i de flesta fall till högre eller snabbare slitage. Slitage är den progressiva förlusten av material på grund av en mekanisk orsak. Det uppstår när kroppar gnuggar för länge eller för hårt. Detta kan till exempel ske när två oskyddade komponenter vidrör varandra och samtidigt rör sig i förhållande till varandra. Friktion och slitage är så kallade förlustparametrar. Förslitning framgår vanligtvis av en förändring i materialytan. Smörjning tillämpas vid denna tidpunkt: Smörjmedel fungerar som ett friktionsreducerande frigörande medel. De skyddar kontaktytor och minimerar därmed friktion och slitage. Värme- och slitagepartiklar avlägsnas samtidigt.

Huvuduppgiften för glidlager är att säkerställa lågfriktionsrörelse av två rörliga ytor mot varandra. Glidlager gör detta möjligt genom materialet i glidlager själva, lagring av smörjmedel, eller genom en speciell struktur. Förutom att minska friktionen förbättrar användningen av smörjmedel också lagrets jämnhet och allmänna driftsegenskaper. En tribologisk analys är därför ganska användbar.

Översikt över slitagetyper

Det finns flera typer av slitage som orsakas av olika orsaker:

• Vidhäftning: en atombindning skapas mellan kropparna. Orsak: Molekylär interaktion mellan de olika ytorna.
• Slipning: Basstommen är repad eller mikrobearbetad. Orsak: Grovhet toppar i motstående kropp, hårda partiklar i mellanmediet.
• Tribokemisk reaktion: Baskroppar och motsatta kroppar reagerar med omgivande partiklar och smörjmedelspartiklar. Orsak: Ytorna aktiveras kemiskt på grund av friktion. Ett av de vanligaste fellägena för slitage.
• Ytuppdelning: Sprickor bildas, som fortsätter att växa tills enskilda partiklar lossnar. Orsak: Alternerande påfrestningar i kroppens ytområden.

Smörjmedel

Smörjmedel används för att minska friktionen och samtidigt minska korrosionen. Att bygga upp ett smörjmedelsgränssnitt minskar eller förhindrar direktkontakt mellan två friktionspartners. I de flesta fall baseras smörjmedlet på en basolja, som anpassas till respektive avsedd användning med ytterligare tillsatser. Smörjmedel finns i fasta, flytande eller gasformiga versioner med olika viskositet.

Oljor

Oljor består av en basolja, t.ex. mineralolja, ester eller polyglykol och flera tillsatser. De är bra värmeledare och kan användas vid höga temperaturer och hastigheter, t.ex. i glidlager och kedjor. Tillsatser används för att målmedvetet justera oljeegenskaperna, t.ex. för att minska slitage eller korrosion. Oljor kan också användas för rengöring eftersom de absorberar smutspartiklar.

Fett

Fett är gjorda av en basolja och ett förtjockningsmedel (även kallad tvål). Förtjockaren bestämmer prestandaegenskaperna. Fetten stannar kvar direkt vid smörjpunkten och motverkar friktion permanent. De skyddar mot inträngande fukt och smuts.

Solida smörjmedel

Fasta smörjmedel, t.ex. grafit eller molybdensulfid, används i fast form. De ger mycket låg friktion och har hög temperaturbeständighet. Fasta smörjmedel används till exempel när flytande smörjmedel inte kan användas, t.ex. i en vakuummiljö eller vid extrema temperaturer.

Viskositetsklasser

Viskositet är en egenskap som definieras för vätskor och gaser (gemensamt kallade vätskor) och representerar den inre friktionen hos vätskor. Viskositet är resultatet av de attraktiva krafterna hos partiklarna i vätskan och genereras av vätskans inre friktion. Viskositeten påverkar därför friktionen direkt. Motoroljor, växellådsoljor och industriella smörjmedel har specifika viskositetsklasser. De klassificeras exempelvis enligt SE (Society of Automotive Engineers) eller ISO.

Viskositeten beror dock också på smörjmedlets temperatur. De olika viskositetsnivåerna anges därför ofta för två tillstånd. För motoroljor som SE 5W-30 eller SE 15W-40 indikerar den första siffran fluiditet vid kalla temperaturer och den andra siffran indikerar viskositet vid driftstemperatur.

Generellt sett finns följande viskositeter:

• Låg viskositet: Mycket flytande material som vatten eller bensin som flyter enkelt och snabbt utan motstånd. Används för låga tryckbelastningar och höga glidhastigheter.
• Medelhög viskositet: Viskösa material, såsom rapsolja eller melass, som flyter långsammare och med märkbart motstånd.
• Hög viskositet: Pastösa ämnen, såsom lim, som är mycket tjocka och därmed flyter tungt och långsamt med hög motståndskraft. De uppvisar ofta plastiska egenskaper. Används för höga tryckbelastningar och låga glidhastigheter.

Grunderna i glidlager

Glidlager är robusta och pålitliga. Särskilda glidytor möjliggör minskad friktionsrörelse hos kontaktkomponenten. Till skillnad från rullningslager glider en komponent som stöds av ett glidlager på en lageryta. Krafterna som ska absorberas fördelas inte över enskilda punkter, som på ett kullager, utan över ett större område. Högre krafter kan absorberas som ett resultat. Glidlager kännetecknas också av en enkel, utrymmesbesparande design och ljud- och vibrationsabsorberande egenskaper. Glidlager kan realiseras i olika former, t.ex. som bussningar, plattor eller stänger. Glidfriktion, som verkar mot påtryckningskraften, uppstår under glidrörelsen. Det är därför värt att smörja glidlager med ett friktionsreducerande medel.

Detta kan till exempel vara något av följande:

• Gas (separaterar ytor vid extremt låga temperaturer)
• Olja (t.ex. för hydrodynamiska glidlager)
• Fasta smörjmedel (t.ex. vid höga temperaturer eller centrifugalkrafter)
• Magnetfält (t.ex. i renrum).

Val av enkellager

Det finns olika typer av glidlager. MISUMI har till exempel underhållsfria glidlager på vilka bussningarna antingen är direkt indränkta med smörjmedel eller är utrustade med inbäddat smörjmedel eller styrbussningar med smörjning. Detta kräver ingen eller endast sporadisk smörjning. Underhållsfria glidlager rekommenderas för tunga belastningar och krävande förhållanden. Det finns flera materialversioner: Sintrad brons, gjutgods, kopparlegering, plast samt olika varianter av sammansatta lager.

Vanliga former inkluderar:

• Rak: kan enkelt monteras om inget ytterligare stöd behövs, t.ex. axiell rörelse av axeln
• Med fläns: Flänsar ger stabilitet och enkel montering
• Pressversioner (standard, skruvhål) för permanenta anslutningar mellan lager och hus, bättre lastfördelning
• Bricka skyddar lagerytor, fördelar trycket jämnt
• Skjutplattor: Ger stor kontaktyta för bättre tryckfördelning och minskad friktion

Följande tabell ger en översikt över olika former:

Som i exemplet här kan enkla glidlager användas i en kamspak:

Se vår artikel Glidlager - Kostnadsbesparingar genom kostnadseffektiva produkter för mer information om val av glidlager.

Designbaserade metoder för att optimera smörjning

Det finns flera designbaserade metoder för att säkerställa effektiv smörjning. I en dammig och aggressiv miljö rekommenderas det till exempel att ge glidlager en tätning. Detta bibehåller funktion och smörjning. Vid användning av tätningar är en jämn yta på glidytan fördelaktig. Samtidigt innebär en jämn yta också att oljor inte fäster bra. Valet av smörjmedel måste justeras i enlighet med detta.

Spår kan också användas för att optimera smörjningsprestanda. Smörjspår, till exempel längs glidytan, kan fungera som en reservoar för smörjmedel och därmed säkerställa en kontinuerlig tillförsel av smörjmedel. Vid användning av fasta tillsatser rekommenderas det också att använda spår eller hål i utloppszonen, eftersom vissa fasta ämnen tenderar att bilda pastor, vilket minskar livslängden för glidlagret. Beroende på smörjmedlet ska en lämplig spårform också väljas och smörjhål ska läggas till efter behov. Diamantformade fickor är lämpliga för smörjning av fett, sfäriska lock för flytande smörjmedel och smörjoljor samt perforeringar eller smörjhål när smörjoljor och fetter används.

Materialval kan också vara viktigt för att optimera smörjning eller minimera glidfriktion, även utan att tillsätta ett smörjmedel. Mekaniskt släta ytor har till exempel ett bra pärlbeteende, vilket minskar friktionen. Men som redan nämnts, oljor inte hålla sig bra i detta fall. Sintrade metaller har speciella strukturer och egenskaper som underlättar smörjning. Deras porösa struktur stöder smörjmedlets intag genom att skapa en smörjmedelsbehållare. Ett annat sätt är att använda en ytbehandling. PTFE, grafit eller keramiska glidlager kan förbättra smörjningen av glidlager. Keramik erbjuder till exempel också hög temperaturbeständighet och PTFE erbjuder god kemisk beständighet, vilket också utökar tillämpningsområdet för glidlager.