Kegelrollenlager

Kugellager mit stehendem Außenring

Kegelrollenlager

Wälzlager sind Lager, bei denen zwei zueinander bewegliche Komponenten, der sogenannte Innenring sowie der Außenring, durch rollende Körper getrennt sind. Sie dienen der Abstützung von radialen und axialen Kräften bei Achsen und Wellen und sollen dabei die durch Reibung entstehende Verlustleistung und den Verschleiß möglichst klein halten. ^[1] Zwischen den drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und Wälzkörper tritt hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen, ist die Rollreibung dieser Lager relativ gering.

Geschichte des Wälzlagers

Die Geschichte des Wälzlagers reicht über 2700 Jahre zurück. Bei Ausgrabungen eines keltischen Streitwagens wurden kleine zylinderförmige Buchenholzstücke in der Nähe der Radnaben entdeckt. Forscher schließen daraus, dass die Kelten bereits gegen 700 v. Chr. das Zylinderrollenlager kannten. Auch im römischen Reich, gegen Ende der Republik, wurden Kugellager in Hebezeugen verwendet. Bei der Bergung der Nemi-Schiffe des Kaisers Caligula (Amtszeit: 37–41 n. Chr.) wurde ein Drucklager gefunden, das möglicherweise zu einer drehbaren Statuenbasis gehörte.

Im Zuge der Industrialisierung entstand der Bedarf nach einer Lagerung, die sich bei niedriger Drehzahl besser verhielt als Gleitlager. Das Gleitlager verschleißt bei niedriger Drehzahl und/oder bei unzureichender Schmierung sehr schnell. In alten Dampfloks etwa wurden die Radlager ständig neu gegossen.

Lager von 1904

• 1759 erfindet der Uhrmacher John Harrison für sein drittes Marine-Chronometer H3 ein Rollenlager mit Käfig ^[2]
• 1794 erhielt der Engländer Philip Vaughan das erste Patent für Achsen, hier kann man die ersten Rillenkugellager finden.
• 1869 erhielt der Franzose Jules Suriray ein Patent für Kugellager am Fahrrad.
• 1883 baute Friedrich Fischer („Kugelfischer“) in Schweinfurt die erste Kugelschleifmaschine. Fischer und Wilhelm Höpflinger entwickelten die Kugelschleifmaschine entscheidend weiter. Nun können sphärisch genau runde Kugeln produziert werden.
• 1890–1910 Kugellagerpatente von Friedrich Fischer, Wilhelm Höpflinger, Ernst Sachs, August Riebe
• 1898 meldete Henry Timken in den USA ein Patent für das Kegelrollenlager an. Heute Timken Company.
• 1898–1901 Die Grundlagen der Wälzkörpertechnik wurden von der Technischen Versuchsanstalt Potsdam-Neubabelsberg unter der Leitung von Prof. Stribeck erstmals wissenschaftlich untersucht.
• 1907 Sven Gustaf Wingqvist erfand das Pendelkugellager und gründete in Göteborg die Firma Svenska Kullagerfabriken – SKF
• 1934 Erich Franke erfand das Drahtwälzlager nach dem Prinzip der eingelegten Laufdrähte.

Im Laufe der Zeit kamen zahlreiche weitere Varianten hinzu. Insbesondere entwickelte sich die Fertigungsgenauigkeit und die Schmierstoffentwicklung weiter. Zahlreiche Normen legten auch gängige Standard-Abmessungen fest und vereinfachten so Konstruktion und Fertigung. Heute werden Lager mit integrierten Sensoren wie elektronischer Kraft- und Verschleißermittlung angeboten.

Geschichte der deutschen Wälzlagerindustrie

• 1883 baute Friedrich Fischer („Kugelfischer“) in Schweinfurt die erste Kugelschleifmaschine und legte damit den Grundstein für die industrielle Fertigung von runden Stahlkugeln. Sein Mitarbeiter Wilhelm Höpflinger entwickelte diese entscheidend weiter. Höpflinger machte sich 1890 selbständig und gründete gemeinsam mit Engelbert Fries das Unternehmen Fries & Höpflinger. Die drei Unternehmen FAG Kugelfischer, Fries & Höpflinger und Fichtel & Sachs begründeten die Stellung Schweinfurts als Zentrum der deutschen Wälzlagerindustrie.
• Um 1910: Weitere deutsche Wälzlagerproduzenten waren die Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken AG Berlin-Karlsruhe (DWF), die Maschinenfabrik Rheinland (Düsseldorf), die Riebe-Werke (Berlin), die Deutsche Kugellagerfabrik (DKF, Leipzig), Fritz Hollmann (Wetzlar), G. u. J. Jäger (Wuppertal).
• 1912 SKF beteiligte sich an der von Albert Hirth gegründeten Norma-Compagnie in Stuttgart-Cannstatt.
• 1929 Unter dem Druck von SKF schlossen sich sechs deutsche Wälzlagerproduzenten (Wälzlagerabteilung von Fichtel & Sachs, Wälzlagerabteilung von Berlin-Karlsruher Industriewerke (DWF), Fries & Höpflinger, Maschinenfabrik Rheinland, Riebe-Werke und SKF-Norma) unter schwedischer Führung zu den Vereinigten Kugellagerfabriken AG (VKF, Schweinfurt), zusammen. Als einziger deutscher Wälzlagerhersteller von Rang blieb FAG Kugelfischer selbständig. Die beiden Schweinfurter Firmen VKF und FAG Kugelfischer waren für die nächsten Jahrzehnte die dominierenden deutschen Wälzlagerhersteller.
• 1946 Georg und Wilhelm Schaeffler gründeten in Herzogenaurach die Firma INA-Nadellager.
• 1949 gründeten Erich Franke und Gerhard Heydrich die Firma Franke & Heydrich KG – inzwischen Franke GmbH – in Aalen. Erich Franke erfand 1934 das Drahtwälzlager nach dem Prinzip der eingelegten Laufdrähte.
• 1953 Umbenennung der Vereinigten Kugellagerfabriken AG (VKF) in SKF Deutschland GmbH mit Sitz in Schweinfurt.
• 1991 FAG Kugelfischer übernahm von der Treuhand den DDR-Wälzlagerproduzenten DKF in Leipzig. Dieses Engagement erwies sich als ein Faß ohne Boden. FAG geriet 1993 in eine existenziell gefährliche Schieflage.
• 2001 Im Rahmen einer feindlichen Übernahme wird FAG Kugelfischer, das 1993 in eine existenzell gefährliche Schieflage geraten war, von der Schaeffler Gruppe übernommen.

Wälzkörper und Wälzkörperkäfig

Kugellager

Die umgangssprachlich bekannten Kugellager sind eine Untergruppe der Wälzlager, bei denen Kugeln als Wälzkörper dienen.

Bei modernen Wälzlagern werden die Wälzkörper (Kugeln, Zylinder, Nadeln, Tonnen oder Kegel) durch einen Käfig in gleichem Abstand gehalten. Ältere Wälzlagertypen und Sonderausführungen kommen ohne Käfig aus. Vor allem Wälzlager in Steuerungssystemen von Flugzeugen haben keinen Käfig. Dadurch können mehr Wälzkörper pro Lager eingesetzt werden, was die Belastbarkeit deutlich erhöht. Jedoch eignen sie sich nicht für Drehzahlen größer als ca. 300 Umdrehungen pro Minute.

Käfigwerkstoff war früher Messing, wegen der erhöhten Laufruhe. Heute wird der Käfig aus Kosten- und Gewichtsgründen oft aus Kunststoff (Polyamid) gefertigt. Messingkäfige gibt es weiterhin für Sonderanwendungen. Bei vielen Wälzlagertypen wird der Käfig aus niederlegiertem, nicht gehärtetem Stahl verwendet.

Lagerwerkstoffe

Üblicherweise werden Wälzlager aus Chromstahl gefertigt, sehr hart, aber leicht rostend, in der Stahlsorte 100Cr6 (Werkstoff-Nr. 1.3505), ein Stahl mit einem Gehalt von ca. 1 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom z.B. 100CrMn6, 100CrMo6.

Für Anwendungen in korrosiver Umgebung werden auch die Stähle X65Cr13 (Werkstoff-Nr. 1.4037) und X30CrMoN15-1 (Werkstoff-Nr. 1.4108) verwendet. Letzterer kann, zumindest für einige Tage, auch in lebenden Menschen zum Einsatz kommen. Härtbare Stähle sind nie wirklich „rostfrei“, sondern nur für einen gewissen Zeitraum erhöht korrosionsbeständig.

Für besondere Betriebsbedingungen gibt es Lager aus

• rostfreiem Stahl (z. B. Kugellager S6204 oder W6204)
• komplett Keramik (aus Siliciumnitrid, Zirconiumoxid oder Siliciumcarbid, je nach Beanspruchung)
• Hybridlager (zwei Werkstoffe), bei denen die Lagerringe aus Stahl, die Wälzkörper aus Keramik (Siliciumnitrid oder Zirkondioxid) bestehen, z. B. bei Spindellagern für Werkzeugmaschinen
• Kunststoff mit Wälzkörpern aus Glas oder Keramik gegen aggressive Säuren oder Laugen in Chemie- und Lebensmittelindustrie
• Kunststoff-Käfig (z. B. Kugellager 6205 TN9.C3) für geräuscharmen Lauf

Einbau von Wälzlagern

Üblicherweise werden Wälzlager auf Wellen oder Achsen montiert.

Bei Sonderbauformen (unter Verzicht auf einen getrennten Innen- und Außenring) können die geschliffenen bzw. gerollten und gehärteten Laufflächen direkt auf die Welle bzw. Achse und/oder in das Lagergehäuse eingepresst und das Wälzlager somit in diese Komponenten integriert werden.

Die Lager werden oft mit einem Sicherungsring, einer Sicherungsmutter oder einer Abstandshülse gegen Verrutschen gesichert. Zum Schutz vor Verschmutzungen werden Lager in ein Lagergehäuse eingebaut oder mit einem Wellendichtring abgedeckt.

Beim Einbau der Lager darf die Einpresskraft nie über den Wälzkörpersatz geleitet werden, das Lager würde dadurch sofort beschädigt. Mit Spezialwerkzeugen wie einer Einschlaghülse wird das Lager z. B. nur über den Außenring eingetrieben. Nadellager müssen mit einem Dorn eingepresst werden.

Beim Ausbau der Lager ist darauf zu achten, das passende Werkzeug zu verwenden, z. B. einen Abzieher.

Defekte Lager erkennt man durch Schwergängigkeit beim langsamen Durchdrehen per Hand, fühlbares Lagerspiel sowie Laufgeräusche und Vibration unter Betriebsdrehzahlen. Ungeschmierte Lager fallen sofort aus.

Mehr dazu unter Einbau.

Lebensdauer von Wälzlagern

Die Lagerlebensdauer hängt von zahlreichen Faktoren ab. Einige Einflussgrößen sind mess- oder berechenbar (wie etwa Lagerbelastung oder Oberflächengüte der Komponenten). Andere können nicht numerisch bestimmt werden (Verschmutzung oder genauer Schmierzustand). Einfache Berechnungstools gibt es auf den Seiten der Hersteller (siehe Weblinks).

Die von Wälzlagern geforderten Lebensdauern reichen von wenigen hundert Stunden z. B. für Haushaltsgeräte oder medizinisch-technische Geräte bis zu ca. 100.000 Stunden für Lauflager von Hochseeschiffen, Grubenpumpen und -gebläse und Papiermaschinen. In Umdrehungen ausgedrückt, können Lager je nach Belastung 3 Mrd. Umdrehungen und mehr überstehen. SKF gibt z.B. für einige Lager eine Lebensdauer von 2 Mrd. Umdrehungen an, was jedoch oft bei weitem überschritten wird.

Ob ein Lager seine Lebensdauer erreicht, hängt stark von den Einsatzbedingungen ab. Hohe Lagerbelastungen sollten ebenso möglichst vermieden werden wie schmutzige Einsatzbedingungen, hohe Betriebstemperaturen oder Eindringen von Wasser ins Lager. Speziell um das Eindringen von Schmutz und Wasser zu erschweren gibt es viele Lager auch in gekapselter Ausführung.

Mehr dazu unter Lagerauswahl.

Anwendungen

Wälzlager werden bevorzugt in Anwendungsgebieten verwendet, wo Lagerungen bei kleinen Drehzahlen und hohen Lasten reibungsarm arbeiten sollen und wo sich Drehzahlen häufig ändern. Ein weiteres Kriterium kann der geringe Schmierungsbedarf von Wälzlagern sein.

Vorteile	Nachteile
kaum Reibung (Anlaufmoment kaum größer als das Betriebsmoment), deshalb geringe Wärmeentwicklung kein Stick-Slip-Effekt kaum Schmierstoffverbrauch kaum Pflege und Wartung gute Normung und Bemessungsgrundlagen, deswegen gut austauschbar	Bei Stillstand und geringer Drehzahl empfindlich gegen Stöße und Erschütterungen begrenzte Höchstdrehzahl und Lebensdauer Verschmutzungsempfindlichkeit aufwendige Bauweise im Vergleich zu Gleitlagern höhere Geräuschentwicklung gegenüber Gleitlagern

Wälzlager-Bauformen

Diverse Wälzlager: Axialkugellager, Rollenlager und Nadellager in einem Drehmomentwandler

Es wird zwischen Radial- und Axiallagern unterschieden. Zur Einordnung in diese beiden Kategorien wird der Druckwinkel α zur Hilfe genommen. Druckwinkel ist der Winkel zwischen der Radialebene und der Drucklinie, wobei die Lage der Drucklinie stark von verwendeten Wälzkörpern und Rollbahnen abhängig ist.

• Radiallager: $0^\circ<\alpha<45^\circ$
• Axiallager: $45^\circ<\alpha<90^\circ$

Es gibt sechs Grundformen von Wälzlagern:

1. Kugellager
2. Zylinderrollenlager
3. Nadellager
4. Kegelrollenlager
5. Tonnenlager
6. Toroidalrollenlager (SKF CARB)

Kugellager sind die häufigsten verwendeten Wälzlager. Hier gibt es die breiteste Auswahl unterschiedlicher Abmessungen. Da sie kostengünstig sind, sollten sie bevorzugt verwendet werden.

Radiallager

Offenes einreihiges Rillenkugellager

Rillenkugellager (DIN 625)

Der bekannteste Typ ist das Rillenkugellager, es ist dafür ausgelegt, überwiegend radiale Kräfte aufzunehmen. Da die Kugeln eng an den relativ tiefen Laufrillen anliegen, kann dieses Lager auch geringe axiale Kräfte aufnehmen. Eine Faustregel besagt, dass die axiale Belastbarkeit ungefähr 10 % der radialen Belastbarkeit beträgt. Laut SKF-Katalog 2005 soll die axiale Belastung im Allgemeinen den Wert 0,5 C0, bei kleinen und leichten Lagern 0,25 C0 nicht übersteigen. Druckwinkel $\alpha=0^\circ$ Rillenkugellager gibt es als Miniaturkugellager bereits ab der Abmessung von 0,6 × 2,5 × 1 mm (d x D x B)

Schrägkugellager (DIN 628)

Schrägkugellager
(DIN 628)

Einreihig

Das Schrägkugellager kann axiale Kräfte in einer Richtung und radiale Kräfte aufnehmen. Sie werden meist paarweise eingebaut und vorgespannt. Der paarweise Einbau kann in Form von Tandem-, O- oder X-Ausführung erfolgen. Je nach Einbauart verändern sich die axial aufnehmbaren Kräfte. Durch Rollbahnneigung entsteht auch bei rein radialer Belastung eine nicht zu ignorierende (innere) Axialkraft. Druckwinkel $\alpha\approx40^\circ$

Zweireihig

Das zweireihige Schrägkugellager entspricht 2 einreihigen Schrägkugellagern in O-Anordnung. Es ist radial und axial in beide Richtungen hoch belastbar. Druckwinkel $\alpha\approx25^\circ$

Vierpunktlager (DIN 628)

Dieses Wälzlager ist eine Sonderform des Schrägkugellagers mit einem Druckwinkel von $\alpha\approx35^\circ$. Es gibt 4 Berührpunkte der Wälzkörper mit den Laufbahnen. Durch den geteilten Innenring oder Außenring können mehr Kugeln bei einer geringeren Abmessung verwendet werden. Aus diesem Grund erhöhen sich sowohl die aufnehmbaren axialen als auch radialen Kräfte in beide Richtungen.

Schulterkugellager (DIN 625)

Das Schulterkugellager ist eine spezielle und zerlegbare Form des Rillenkugellagers. Es hat nur eine geringe Tragfähigkeit in radialer und in einseitig axialer Richtung und wird für Geräte mit geringen Belastungen verwendet, wie zum Beispiel Messgeräte und Haushaltsgeräte. Es ist meist zerlegbar. Druckwinkel $\alpha\approx0^\circ$ Schulterkugellager sind bis zu 30mm genormt und sind für hohe Drehzahlen geeignet.

Pendelkugellager (DIN 630)

Das Pendelkugellager besitzt zwei Kugelreihen. Die Rollenlaufbahn des Außenrings hat eine Hohlkugelform. Innenring, Käfig und Kugeln lassen sich um wenige Winkelgrade aus der Mittelstellung schwenken. So können Fluchtfehler oder Durchbiegungen der Welle durch das Pendellager ausgeglichen werden. Die Belastung kann sowohl axial als auch radial in beide Richtungen erfolgen.

Zylinderrollenlager (DIN 5412)

Zylinderrollenlager vom Typ NU (DIN 5412). Der Innenring lässt sich beidseitig herausziehen.

Das Zylinderrollenlager hat eine große radiale Tragfähigkeit, allerdings ist es in axialer Richtung nicht bzw. nur sehr wenig belastbar. Wälzkörper von Zylinderrollenlagern sind Kreiszylinder. Sie werden in unterschiedlichen Bauformen gefertigt (siehe Tabelle unten).

Abhängig von der Bauform können sie ausschließlich radiale (z.B. NU wie abgebildet), oder zusätzlich axiale Kräfte aufnehmen (z.B. einseitig mit Typ NJ). Die Bauformen unterscheiden sich durch Anordnung der „Borde“ am Innen- und Außenring. Bei fehlenden Borden kann der Innenring abgezogen werden, bei der Variante NU sogar von beiden Seiten. Daher eignen sich Zylinderrollenlager für Fest-Los-Lagerungen, denn Axialverschiebungen sind in gewissen Grenzen möglich.

Standard-Bauformen einreihiger Zylinderrollenlager:

1. NU: 2 feste Borde am Außenring, kein Bord am Innenring
2. N: kein Bord am Außenring, 2 Borde am Innenring
3. NJ: 2 Borde am Außenring, 1 Bord am Innenring
4. NUP: 2 Borde am Außenring, 1 Bord am Innenring und 1 lose Bordscheibe am Innenring

Ein Lager ohne Innenring bekommt den Vorsetzbuchstaben R, so bezeichnet RNU202 einen Zylinderrollenlager-Außenring vom Komplettlager NU202. In diesen kann ggf. auch ein NJ202-Innenring eingesteckt werden. Das führt bei Reparaturen zu Verwirrungen. Den Vorsatz R findet man weiter bei vielen Typen von Nadellagern und Stützrollen.

Kegelrollenlager (DIN 720)

Kegelrollenlager

Dieses Lager ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sehr hoch belastbar. Es wird in der Regel paarweise eingebaut: 2 Lager werden gegeneinander angestellt, denn das Lager besteht aus 2 losen Elementen: dem Innenring (engl. cone) mit Wälzkörpern, und dem Außenring (engl. cup) als Lagerschale. Gängige Anwendungen sind: Radlager in PKWs, LKWs, als Lenkkopflager für Motorräder.

Die Wälzkörper auf dem Innenring haben die Form eines Kegelstumpfes, außerdem sind sie etwas gegen die Wellenachse geneigt. Das Spiel ist einstellbar. Die Kegelachsen von Innenring, Außenring und Kegelrollen treffen sich in einem Punkt auf der Drehachse, denn nur dann können die Kegelrollen ohne Schlupf abrollen.

Zwei Kegelrollenlager ( [< ) können in „O“- ( [< >] ) oder „X“-Anordnung ( [> <] ) als Lagerung montiert werden. Beispiel: Bei der Motorrad-Lenkkopflagerung ist die X-Anordnung gängig. Der Außenring wird oben unter dem Lenker eingepresst, der Innenring wird nach unten zeigend in den Innenring gelegt. Das untere Gegenlager wird mit Innenring nach oben zeigend montiert.

Gängig sind Lager in metrischen und auch Zollabmessungen, letztere haben ein völlig anderes Bezeichnungsschema.

Tonnen- und Pendelrollenlager (DIN 635)

Tonnenrollenlager

Dieses einreihige Pendelrollenlager ist für hohe stoßartige Radialkräfte ausgelegt, allerdings in Axialrichtung nur gering belastbar. Es eignet sich gut zum Ausgleichen von Fluchtfehlern. Diese sind winkeleinstellbar (bis zu 4° aus der Mittellage), da der Außenring eine kugelförmige Lauffläche hat. Die Rollkörper, die sogenannten Tonnenrollen, sind fassförmig. Tonnenlager sind einreihig, d. h. sie besitzen eine Reihe von Tonnenrollen in einem Käfig.

Pendelrollenlager

Das Pendelrollenlager hält axialen und radialen Belastungen stand und eignet sich gut, um Fluchtfehler auszugleichen. Pendelrollenlager sind, wie die Tonnenlager, winkeleinstellbar (bis zu 2° bei geringer Belastung, sonst bis 0,5°), jedoch zweireihig. Sie sind für schwerste Belastungen geeignet, weisen also hohe Tragzahlen auf.

Nadellager

Ein Nadellager hat kreiszylindrischen Wälzkörper (Nadeln) mit sehr großen Längen im Verhältnis zum Wälzkörperdurchmesser (>2,5). Es ist die kleine Sonderform des Zylinderrollenlagers. Es bietet sehr geringe Baugröße, wird häufig in Getrieben und Motoren verwendet. Gerade bei Nadellagern wird häufig auf einen Innenring verzichtet, dann dient die entsprechend ausgelegte Welle als Laufbahn.

Nadellager ist der Oberbegriff für eine ganze Reihe spezieller Typen:

• Nadelkränze
• Nadelhülsen, Nadelbüchsen
• Nadellager mit massivem Außenring
• kombinierte Nadellager (Nadellager und Axial-Lager in einer Einheit)
• Sonderformen wie nadelgelagerte Stützrollen

Toroidalrollenlager

Toroidalrollenlager ähneln in ihrer Außengeometrie Nadellagern, verfügen aber über torusförmige Rollen. Zusammen mit entsprechend geformten Rollbahnen können sie sowohl Axial- als auch Winkelversatz ausgleichen, ohne dass sich das Reibmoment des Lagers erhöht. Somit kann ein Toroidalrollenlager die Funktion eines Zylinderrollenlagers und eines Pendelrollenlagers gleichzeitig erfüllen. Toroidalrollenlager werden seit 1995 exklusiv von SKF unter dem Markennamen CARB angeboten.

Axiallager („Drucklager“)

Axial-Rillenkugellager

Beim Axial-Rillenkugellager laufen die Kugeln zwischen zwei oder drei Scheiben, abhängig davon, ob die Axialkraft in beiden Richtungen auftritt oder nur in einer. Bei beidseitiger Krafteinwirkung wird die mittlere Scheibe auf der Welle festgehalten, die beiden äußeren im Gehäuse. Diese Lager können ausschließlich Axialkräfte aufnehmen.

Axial-Zylinderrollenlager

Dieser Lagertyp ist aufgebaut aus einer Wellenscheibe, einer Gehäusescheibe und einer Einheit mit zylindrischen Rollen und Käfig. Er eignet sich besonders bei schweren Axiallasten.

Lagerauswahl

Bemessung

Werte, die notwendig sind, ein Lager zu bemessen, sind:

• Radialkraft
• Axialkraft
• Drehzahl oder
• Geschwindigkeit
• Belastungsrichtung
• Durchbiegung und Schiefstellung der Welle oder Achse
• Tragzahl statisch, dynamisch (insb. bei Linearlagern)
• Umgebungswerte, wie
  • Temperatur
  • Staubwerte
  • Schwingungen

Lebensdauer (DIN ISO 281 Beiblatt 2)

1. Schritt

Die Dynamische äquivalente Belastung errechnen.

Input-Variablen:

X,Y = Anpassungsfaktoren, aus einem Lagerkatalog entnehmen

F_r = Radialkraft am Lager, in kN, selbst ermitteln

F_a = Axialkraft am Lager, in kN, selbst ermitteln

Formel ausrechnen: $P=X \cdot F_{r} + Y \cdot F_{a}$

Ergebnis:

P = Dynamische äquivalente Belastung in kN

2. Schritt

Input-Variablen:

C = Dynamische Tragzahl in kN (= Kilonewton. Tragzahl für gegebenes Lager aus Lagertabelle der Hersteller entnehmen)

P = Dynamische äquivalente Belastung in kN (muss zuerst berechnet werden, siehe oben 1. Schritt)

p = Lebensdauerexponent, p=3 (für Kugellager), p=10/3 (für alle anderen Lager)

n = Drehzahl in 1/min (Umdrehungen pro Minute)

Ergebnisse: $L_{10}=\left({C\over P}\right)^{p}$Lebensdauer in Millionen Umdrehungen bei 10 % Ausfallwahrscheinlichkeit

$L_{10h}=\frac{10^6}{60 \cdot n} \cdot L_{10}=\left({16666 \over n}\right) \cdot \left({C\over P}\right)^{p}$Lebensdauer in Stunden bei 10 % Ausfallwahrscheinlichkeit

Die Lebensdauer für andere Ausfallwahrscheinlichkeiten wird durch Multiplikation von L₁₀ mit einem Faktor berechnet:

$L_{5}=0{,}62 \cdot L_{10}$ in Millionen Umdrehungen bei 5 % Ausfallwahrscheinlichkeit
$L_{4}=0{,}53 \cdot L_{10}$ in Millionen Umdrehungen bei 4 % Ausfallwahrscheinlichkeit
$L_{3}=0{,}44 \cdot L_{10}$ in Millionen Umdrehungen bei 3 % Ausfallwahrscheinlichkeit
$L_{2}=0{,}33 \cdot L_{10}$ in Millionen Umdrehungen bei 2 % Ausfallwahrscheinlichkeit
$L_{1}=0{,}21 \cdot L_{10}$ in Millionen Umdrehungen bei 1 % Ausfallwahrscheinlichkeit

Bei veränderlicher Drehzahl n muss mit der mittleren Drehzahl n_m gerechnet werden. Diese mittlere Drehzahl wird aus den Einzeldrehzahlen und der jeweiligen Wirkdauer q in % berechnet:

$n_m=n_1 \cdot \frac {q_1} {100} + n_2 \cdot \frac {q_2} {100} \dotsb$

Wie aus der zweiten Formel ersichtlich wird, geht die Belastung des Lagers durch die Potenz sehr stark in die Lebensdauer mit ein. Bei veränderlicher Belastung haben deshalb auch über nur kurze Zeitanteile wirkende, hohe Belastungen einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer. Für die dynamisch äquivalente Lagerbelastung gilt dann:

$P=\sqrt[p]{ P^p_\text{1} \cdot \frac {n_\text{1}} {n_\text{m}} \cdot \frac {q_\text{1}} {100}+P^p_\text{2} \cdot \frac {n_\text{2}} {n_\text{m}} \cdot \frac {q_\text{2}} {100} + \dotsb}$

Berechnungsbeispiel

An einer Lagerstelle nimmt die Welle 12 kN Radialkraft auf. Die Welle dreht sich im Betrieb mit 6000 U/min. Als Teil einer Fest/Los-Lagerung soll dieses Lager als das Loslager axial verschieblich sein, also keine Axialkräfte aufnehmen. Dieses Lager soll ein Zylinderrollenlager sein. Es soll mindestens 10.000 Stunden Lebensdauer erreichen.

Um ein Lager auszuwählen, welches diese Last tragen kann, muss man zuerst die Dynamische Tragzahl bestimmen. Dazu berechnet man zuerst die Dynamische äquivalente Belastung.

Für die Lagerbauart Zylinderrollenlager finden sich im Lagerkatalog die Werte X = 1 und Y = 0

Mit anderen Worten: P = F_r (Zylinderollenlager nehmen keine Axialkräfte auf)

In die Formel für L_10h setzen wir nun die geforderte Betriebszeit von 10.000 Stunden, die Umdrehungszahl und unser ermitteltes P ein. Diese Formel muss dann nur noch nach C umgeformt werden, um die Dynamische Tragzahl zu erhalten. Mit dieser lässt sich im Lagerkatalog dann ein geeignetes Lager mit passendem Wellendurchmesser finden.

Zur Abschätzung der Belastung der Lager können folgende Richtwerte herangezogen werden:

$\frac{C}{P}&amp;amp;gt;15$ niedrige Belastung

$\frac{C}{P}&amp;amp;lt;15$ mittlere Belastung

$\frac{C}{P}&amp;amp;lt;6$ hohe Belastung

$\frac{C}{P}&amp;amp;lt;3$ sehr hohe Belastung des Lagers

Bei der Auslegung des Lagers sollten unbedingt, selbst bei niedrigen Drehzahlen, sehr hohe Belastungen vermieden werden. Ebenso sollten niedrige Belastungen vermieden werden, da dann kein Rollen der Wälzkörper sondern Gleiten stattfindet. Gleitreibung muss unbedingt vermieden werden, denn sie sorgt für starken Verschleiß und verkürzte Lebensdauer.

Bei Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern in einer angestellten Lagerung verursacht eine vom Lager aufzunehmende Radialkraft eine innere Axialkraft, welche in die Lebensdauerberechnung mit einbezogen werden muss.

Für die meisten Anwendungen des allgemeinen Maschinenbaus reicht die obige Lebensdauerberechnungsmethode aus. In bestimmten Fällen kann es jedoch erforderlich sein, eine erweiterte Lebensdauerberechnung durchzuführen, welche weitere Einflüsse wie Viskosität des Schmierstoffes, Betriebstemperatur, Erlebniswahrscheinlichkeit und Sauberkeit berücksichtigt. Die entsprechende Vorschrift ist ebenfalls in der DIN ISO 281 enthalten.

Bezeichnungsschema

Wälzlager werden fast nur nach Tabellenbüchern oder Online-Katalogen ausgewählt.

Die Bezeichnungen bestehen aus Kombinationen von Buchstaben und Zahlen, die nach einem logischen, in DIN 623 genormten Prinzip aufgebaut sind. So können Lager der gleichen Bezeichnung unabhängig vom Hersteller eingesetzt werden.

Das Bezeichnungsschema umfasst Vorsetzzeichen, Basiskennzeichen und Nachsetzzeichen. Ein S608 2RS ist so aufgeschlüsselt: ein Edelstahllager (Vorsatz „S“), mit den Hauptabmessungen 8 × 22 × 7 mm (Basiskennzeichen „608“), das beidseitig abgedichtet ist (Nachsatz „2RS“).

Lagerabmessungen

Wälzlager sind sowohl in den Abmessungen (Bohrung, Außendurchmesser, Breite), als auch in den Belastbarkeiten weitgehend genormt.

Außerdem gibt es diese Lager auch in fertigen Lagerböcken (siehe Lagereinheiten, Gehäuselager), die ggf. schwenkbar sind oder Gummipuffer zur Stoßdämpfung haben.

Manche Bauformen werden auch mit Dichtscheiben und Dauerschmierung oder Abdeckscheiben geliefert (siehe Abdichtung; Nachsetzzeichen: 2RS, bzw. 2Z oder, je nach Hersteller, ZZ), so dass die Laufflächen vor Schmutz oder Staub geschützt sind.

Eine einfache Zuordnung der Lagerbezeichnung zu den Hauptabmessungen: Wellendurchmesser (d) und Außenring-Durchmesser (D) können für Lager mit einem Wellendurchmesser von 10 bis 80 mm aus folgender Tabelle entnommen werden. Einige Lagerbauarten werden zusätzlich in unterschiedlichen Breiten gebaut und sind daher in Lagerkatalogen (s. Weblink) nachzuschlagen.

Die Bezeichnung der unterschiedlichen Lagertypen lässt sich wie folgt bestimmen (wobei „xxx“ aus der Tabelle zu entnehmen ist): Hierzu identifiziert man zuerst die Lagerbauform und dann den Innenring-Innendurchmesser, sowie den Außenring-Außendurchmesser. Wälzlager werden also über gleich zwei Nenndurchmesser definiert.

Jetzt folgt man in der Tabelle der Innendurchmesser-Spalte nach unten und der Außendurchmesser-Zeile nach rechts bis zum Schnittpunkt. Mit der hier stehenden Ziffer ergänzt man die Typenbezeichnung.

Beispiel: Ein einreihiges Rillenkugellager, Typenbezeichnung beginnt also mit 6, hat d = 25 mm und D = 52 mm, im Schnittpunkt befindet sich die Ziffer 205. Das passende Ersatzlager ist also ein Typ 6205 mit möglicherweise noch Nachsetzzeichen für Deck- oder Dichtscheiben.

Gängige Wälzlagerserien

Sondertypen und seltene Wälzlagerungen sind nicht angeführt. Es wird unterschieden zwischen ^[3]

• 1xx = Pendelkugellager, zweireihig (108, 126 bis 129 und 135)
• 6xx = Rillenkugellager, einreihig (603 bis 609 und 617 bis 630)
• 7xx = Schrägkugellager, einreihig (706 und 709xx)
• 1xxx = Pendelkugellager, zweireihig, schmale Bauform (12xx bis 14xx)
• 2xxx = Pendelkugellager, zweireihig, breite Bauform (22xx und 23xx)
• 3xxx = Schrägkugellager, zweireihig (30xx, 32xx und 33xx, 38xx und 39xx)
• 4xxx = Rillenkugellager, zweireihig (42xx und 43xx)
• 5xxx = Zylinderrollenlager (siehe Nxxx und NNxxxx)
• 6xxx = Rillenkugellager, einreihig (60xx bis 64xx)
• 7xxx = Schrägkugellager, einreihig (70xx, 72xx bis 74xx)
• 11xxx = Pendelkugellager mit breitem Innenring (112xx und 113xx)
• 16xxx = Rillenkugellager, einreihig, schmal (160xx und 161xx)
• 2xxxx = Pendelrollenlager, zweireihig (222xx, 223xx, 223xx, 230xx bis 233xx, 238xx bis 241xx)
• 20xxx = Tonnenlager = einreihiges Pendelrollenlager (202xx bis 204xx)
• 29xxx = Axial-Pendelrollenlager (292xx – 294xx)
• 3xxxx = Kegelrollenlager (302xx, 303xx, 313xx, 320xx, 322xx, 323xx, 329xx bis 332xx)
• 51xxx = Axial-Rillenkugellager, einseitig wirkend (511xx bis 514xx)
• 52xxx = Axial-Rillenkugellager, zweiseitig wirkend (522xx bis 524xx) 542xx bis 544xx)
• 53xxx = Axial-Rillenkugellager, einseitig wirkend mit kugeliger Gehäusescheibe (532xx bis 534xx)
• 54xxx = Axial-Rillenkugellager, zweiseitig wirkend mit kugeliger Gehäusescheibe (542xx bis 544xx)
• 6xxxx = Rillenkugellager, einreihig (617xx bis 619xx, 622xx und 623xx, 630xx, 632xx bis 633xx 638xx)
• 7xxxx = Schrägkugellager, einreihig (718xx und 719xx)
• 81xxx = Axial-Zylinderrollenlager einreihig (811xx bis 812xx)
• 89xxx = Axial-Zylinderrollenlager einreihig (893xx bis 894xx)
• 234xxx = Axial-Schrägkugellager, zweiseitig wirkend (2344xx und 2347xx)
• 76xxxxx = Axial-Schrägkugellager, einseitig wirkend (7602xxx und 7603xxx)
• Nxxx = Zylinderrollenlager einreihig (NU, NJ, NUP – s. unten, RNU, NUB, NUC, NJP, NH, NUJ, RN, N, NF, NP, NCF; NJF)
• NNxx = Zylinderrollenlager zweireihig (NN, NNU, NNC, NNCF, NNCL, NNF)
• Qxxx(x) = 4-Punkt-Lager = Schrägkugellager mit geteiltem Aussenring (Q2xx, Q3xx, Q10xx und Q12xx)
• QJxxx(x) = 4-Punkt-Lager = Schrägkugellager mit geteiltem Innenring,(QJ2xx, QJ3xx, QJ10xx und QJ12xx)

Hiermit lässt sich jedes noch so verrostete Lager auf einfache Weise identifizieren.

Kombinationstabelle Innen- und Außendurchmesser

	d	10	12	15	17	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80
D	xxx
26		000
28			001
30		200
32			201	002
35		300		202	003
37			301
40					203
42				302		004
47					303	204	005
52						304	205
55								006
62					403		305	206	007
68										008
72						404		306	207
75											009
80							405		307	208		010
85											209
90								406		308		210	011
95														012
100									407		309		211		013
110										408		310		212		014
115																	015
120											409		311		213
125																214		016
130												410		312			215
140													411					216
150														412	313	314
160																	315
170															413			316

Abdichtung

Viele Wälzlager sind als abgedichtete Ausführung erhältlich. Die Abdichtung erfolgt nach dem Prinzip des Wellendichtrings, Folgende Dichtungen sind üblich:

• Z = einseitige Blechdeckscheibe mit Spaltdichtung
• ZZ = wie oben, beidseitig
• RS = einseitige, schleifende Gummidichtung
• 2RS = wie oben, beidseitig
• RZ = einseitige, berührungslose Gummidichtung
• 2RZ = wie oben, beidseitig

Axialluft

Axialluft wird wie folgt beschrieben: Axialluft ist das Maß bei nicht eingebauten Lagern, um das sich die Lagerringe in axialer Richtung von einer Endlage in die andere bis zur spannungsfreien Anlage gegeneinander verschieben lassen. Dabei werden die Lager gedreht. In der Praxis werden die Lager einzeln vermessen. Es wird der Abstand zwischen den beiden Stirnseiten (Innen- und Außenring) gemessen. Zueinander addiert ergibt die Zwischenringbreite, bzw. wie viel von den entsprechenden Ringen (auch Innen- oder Außenlagerring) abgeschliffen werden muss. Im Betrieb sollte die Lagerung unter Null Axialluft bzw. mit leichter Vorspannung laufen. Dadurch verteilen sich die äußeren Kräfte auf mehr bzw. alle Wälzelemente.

Einbau

Befestigung

Je nachdem, ob es sich bei der Lagerung um ein Festlager oder ein Loslager handelt, werden Außenring und/oder Innenring mit dem Gehäuse bzw. mit der Welle fest verbunden.

Die einfachste Art ist, beide Ringe ein- bzw. aufzupressen. Dazu müssen Welle und Gehäuse eine bestimmte Maßtoleranz aufweisen.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass der Ring, der rotiert (Außen oder Innen) in einem Festsitz und der Ring, der steht, in einem Lossitz ausgeführt wird. Wirken auf das Lager Stöße, werden beide Ringe in Festsitzen ausgeführt. Es muss ein Kompromiss zwischen leichter (De-)Montierbarkeit und Verhindern des Mitdrehens des Ringes gefunden werden.

Auf einer Welle kann der Innenring auch zwischen einem Anlaufbund (Schulter) und einer Spannschraube oder einer Mutter eingespannt sein oder mit einer Spannhülse gepresst werden.

Beim Verfahren des Aufschrumpfens wird das Lager auf hohe Temperatur gebracht (z. B. mit einem Induktionsgerät). Durch das Erhitzen dehnt sich das gesamte Lager aus, das erhitzte Lager wird nun zügig über die kalte Welle geschoben. Wenn das Lager abkühlt, zieht es sich wieder zusammen und sitzt extrem fest auf der Welle. Bei der Erwärmung müssen die Temperaturgrenzen beachtet werden.

Im Gehäuse wird meist der Außenring mit dem Deckel gegen einen Anlaufbund (Schulter) gepresst oder mit einem Seegerring gehalten. Bei Loslagern gewährt man dem Außenring ein gewisses Längsspiel, der Ring muss aber so eingepresst sein, dass er sich nicht mitdreht.

Sonderfälle

Bei Präzisionslagerungen haben sich auch Klebeverbindungen bewährt. Dabei werden anaerobe Klebstoffe mit Klebespalten von 0,0004 bis 0,001 x Durchmesser der Welle bzw. der Gehäusebohrung verwendet. Die Temperaturgrenzen liegen zwischen ca. −20 °C und +100 °C. Wichtig ist genaue Klebstoffdosierung, überdosierter Klebstoff kann in die Lager gelangen und diese festsetzen.

Lagerungskonzepte

Siehe Hauptartikel Lagerungskonzepte

Die Anordnung der Lager wird unterschieden in Fest-Los-Lagerung und Trag-Stütz-Lagerung. Die Trag-Stütz-Lagerung wird wiederum in schwimmende Lagerung und angestellte Lagerung unterschieden.

Es ist unbedingt notwendig, dass eine der genannten Lageranordnungen gewählt wird, da sich das zu lagernde Element (z. B. Welle, Achse…) aufgrund von Erwärmung ausdehnt und diese Ausdehnung gewährt werden muss, ohne dass sich die Lager verspannen. Des Weiteren müssen die bei der Fertigung entstehenden Toleranzen ausgeglichen werden.

Fest-Los-Lagerung

Bei der klassischen Fest-Los-Lagerung ist eines der Lager verschiebbar und das andere fixiert. Das Festlager ist so auf dem zu lagernden Element montiert, dass es sich nicht in axialer Richtung verschieben kann. Das Festlager nimmt also sowohl Radialkräfte als auch Axialkräfte auf. Wie groß die maximal aufnehmbare Axialkraft sein kann, hängt von der Ausführung dieses Lagers ab.
Das Loslager kann im Gegensatz zum Festlager in axialer Richtung wandern. Vom Loslager werden keine Axialkräfte aufgenommen.

Trag-Stütz-Lagerung

Bei dieser Art der Lagerung teilt sich die Axialkraft auf beide Lager auf. Jedes der beiden Lager nimmt axiale Kraft in einer Richtung auf, sodass beide Lager zusammen alle axialen Kräfte auffangen können. Es ist ein Axialspiel erforderlich.

Lagereinheiten

Lagereinheiten bilden eine besonders einfache Möglichkeit für die Lagerung von Wellen. Sie werden hauptsächlich im Sondermaschinenbau und in landwirtschaftlichen Maschinen eingesetzt. Sie bestehen aus einem Radial-Rillenkugellager mit balligem (kugelförmigem) Außenring und einem Lagergehäuse.

In dem Gehäuse kann das Lager um einige Winkelgrade verstellt werden, um Fluchtungsfehler auszugleichen. Die Lagergehäuse werden je nach Einsatzzweck aus Grauguss, Leichtmetallguss, Kunststoff oder Stahlblech gefertigt und können sehr einfach am Maschinenträger befestigt werden.

Gängige Gehäuseformen sind:

• UCP = Stehlager
• UCF = Quadratische Flanschlager, 4 Befestigungslöcher,
• UCFL = Flanschlager, 2 Befestigungslöcher,
• UCT = Spannlager.

Stehlager

Vierloch-Flanschlager

Zweiloch-Flanschlager

Spannlager

Darüber hinaus sind weitere Bauformen verfügbar, wie z. B. spannbare Flanschlager usw.

Die Befestigung der Welle erfolgt entweder mit Gewindestiften in einem einseitig verlängertem Innenring oder mit Hilfe eines Klemmrings. Hierzu hat der Innenring der Lagereinheit und der Klemmring jeweils eine exzentrisch-kegelige Eindrehung.

Wälzlagerhersteller

• GRW Gebrüder Reinfurt Würzburg
• Kugel- und Rollenlagerwerk Leipzig (KRW)
• Nippon Seiko (NSK)
• Rothe Erde (ThyssenKrupp)
• Schaeffler Gruppe (INA, FAG Kugelfischer)
• Svenska Kullagerfabriken (SKF)
• Timken Company

Weblinks

• Wälzlagerberechnung mit Java Applet
• Videofilm "Wie ein Rillenkugellager entsteht" (Kommentar in englischer Sprache)

Einzelnachweise

1. ↑ Bernd Künne: Einführung in die Maschinenelemente - Gestaltung, Berechnung, Konstruktion, 2. Auflage, Teubner, 2001, Seite 147
2. ↑ http://www.nmm.ac.uk/harrison
3. ↑ Sames Bearings Import Export