4 Simulation der Schmiermittelströmung im Kavitationsgebiet
Kavitation im Gleitlager ist eine normale Erscheinung, die weder verhindert werden muss, noch generell verhindert werden kann. Für die Funktion des hier beschriebenen Gleitgelenks ist Kavitation eine notwendige Voraussetzung. Würde ein Schmiermittel keine Kavitation zulassen und statt dessen beim Abheben des Zapfens Zugspannungen aufbauen, würde sich der Zapfen an der Lagerschale festsaugen und damit das Auffüllen des Schmierspalts erschweren. Wichtig für die optimale Gestaltung eines Gleitgelenks mit versetzten Lagerabschnitten ist die genaue Kenntnis der Schmiermittelströmung im Kavitationsgebiet. Sie zeigt, wie sich der Schmierspalt in der Entlastungsphase wieder auffüllt, denn das ist eine Voraussetzung für die anschließende Tragfähigkeit des Lagerabschnitts in der Belastungsphase. Das Gleitlagerberechnungsprogramm SIRIUS verwendet eine erweiterte Reynoldssche Differentialgleichung zur Berechnung der Schmiermittelströmung und geht dabei von der Annahme eines Schmiermittel-Gas-Gemischs aus [1]. Mit dieser Gleichung kann die Strömung sowohl im Druckberg als auch im Kavitationsgebiet einschließlich der Übergänge genau berechnet werden. Durch die starken Schwankungen des Druckes und des Gasanteils im Schmiermittel, insbesondere an den örtlichen und zeitlichen Übergängen vom Druckberg in das Kavitationsgebiet, sind eine recht feine Gitterteilung der Schmierspaltfläche und geringe Zeitschrittweiten zur numerischen Berechnung erforderlich. Im oben gezeigten Beispiel wurde mit einer Gitterteilung von 180x40 Gitterpunkten für die halbe Lagerschale gearbeitet und mit 200 Zeitschritten über eine Lastperiode. Bild 8 zeigt für das oben beschriebene Gleitgelenk je zwei Halbschnitte durch das Gleitgelenk, jeweils einen durch den vorderen Lagerabschnitt und einen durch den hinteren Lagerabschnitt zu einem ausgewählten Zeitpunkt innerhalb eines Lastzyklusses von 200 berechneten Zeitpunkten. Die blaue schraffierte Kurve unterhalb der Lagerschale zeigt den Druckverlauf im Schmierspalt an. Die rote Fläche im Schmierspalt symbolisiert den Anteil der flüssigen Phase und die gelbe Fläche den Anteil der Gasphase im Schmierspalt. Zum ausgewählten Zeitpunkt Nr. 51 trägt der vordere Lagerabschnitt die volle Last, während im hinteren Lagerabschnitt die Gelenkachse abgehoben hat und Schmiermittel nachströmen kann. Die zugehörige Animation zeigt den zeitlichen Verlauf über den gesamten Lastzyklus.
Bild 8: Druckverteilung p, Spalthöhe h und Schmierflüssigkeitsverteilung Fh in zwei Querschnitten durch je einen Lagerabschnitt nach 50 von 200 Zeitschritten pro Lastzyklus für ein Gleitgelenk mit 0,1 mm Achsversatz und zwei Lagerabschnitten2) (Animation über einen Lastzyklus)
Bild 9 zeigt für das gleiche Gleitgelenk die Spalthöhe h(x,z) (grün) und darunter die Schmierflüssigkeitsverteilung Fh(x,z) (rot) über den abgewickelten Schmierspalt zum augewählten 51.Zeitpunkt. Die zugehörige Animation zeigt wieder den Lastzyklus.
Bild 9: Spalthöhe h und Schmierflüssigkeitsverteilung Fh über die abgewickelte Schmierspaltfläche nach 50 von 200 Zeitschritten pro Lastzyklus für ein Gleitgelenk mit 0,1 mm Achsversatz und zwei Lagerabschnitten3) (Animation über einen Lastzyklus)
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