Lager (technik)

Gleitlager-Käfig für eine Wellenlagerung mit Weißmetall-Pads

Gleitlagerschale für eine Schiffsdiesel-Kurbelwelle

Als Lager bezeichnet man in der Technik eine Verbindung von Maschinenelementen, die eine Bewegung relativ zueinander zulässt. Lager können Kräfte aufnehmen und ableiten, auch Bewegungen zulassen oder begrenzen.

Unterscheidung nach Krafteinwirkung

Vor allem Lager für rotierende Teile lassen sich nach der Art unterscheiden, in welche Richtung die auf das drehende Teil wirkende Kraft auf die Welle übertragen wird. Sehr häufig treten auch Kombinationen auf, so müssen beispielsweise Lager von Rädern sowohl das Gewicht tragen, als auch Querkräfte bei Kurvenfahrten aufnehmen.

Beide Lagerbauformen können als Wälzlager oder Gleitlager ausgeführt sein.

Radiallager

Bei Radiallagern, auch als Trag- oder Querlager bezeichnet, wirkt die vom Lager aufgenommene Kraft senkrecht (radial) zur Drehachse.

Axiallager

Axiallager, auch als Längslager, Drucklager oder Spurlager bezeichnet, nehmen Kräfte in Richtung der Wellenachse auf. Bei einer Dampfturbine bildet das Axiallager den Fixpunkt der Turbinenwelle.

Auch Spitzen- oder Körnerlager sowie die Spannbandlagerung sind Axiallager. Bei diesen wird die Kraft von einer einzigen, in Vertiefungen sitzenden Kugel, einer in einer Wölbung sitzenden Spitze oder gespannten Torsionsbandern aufgenommen.

Radiaxlager

Ein Radiaxlager vereint Eigenschaften beider zuvor genannter Lagerarten: es nimmt radiale und axiale Kräfte auf. Hierzu zählen zum Beispiel Wälzlager mit schrägstehenden Rollen oder mit Kugeln und im Querschnitt asymmetrischen Ringen.

Weitere Radiaxlager sind die Trompetenzapfenlagerung einer Unruh-Welle sowie Gleitlager mit einer einzelnen, axial eingelegten Kugel.

Unterscheidung nach Bewegungsart

Je nach Art der Bewegung der Teile zueinander, können die Lager unterteilt werden. Die jeweilige Ausführung ist sowohl als Gleit- als auch als Wälzlager möglich.

Ruhende Lager

Erfolgt die Lagerung der Maschinenelemente mit nur sehr geringer und langsamer oder keiner Bewegung zueinander, spricht man von ruhenden Lagern. Dazu zählen zum Beispiel Widerlager und Brückenlager. Ruhende Lager können in Festlager und Loslager unterteilt werden, wobei diese beiden Begriffe auch bei rotativen Lagern ihre Anwendung finden.

Festlager und Loslager

Festlager und Loslager bezeichnen die Art der Lagerung in Bezug auf ihre Fähigkeit, kleine axiale Bewegungen innerhalb der Lageranordnung mehrerer Lager auszuführen oder axiale Kräfte in einer bestimmten Richtung aufzunehmen. In der Technischen Mechanik wird auch von den Freiheitsgraden der Lager gesprochen. Die Kombination aus einem Festlager (nimmt axiale Kräfte auf) und einem Loslager (kann sich axial bewegen) an den Enden einer Welle dient zum Beispiel dem Zulassen von Wärmedehnungen der Welle oder dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen.

Bei vorwiegend senkrechter Betriebslage (Plattenspieler-Motor bzw. -teller, Kopftrommel in Videorecordern, Schwungmasse an Capstan-Wellen) verwendet man oft zwei Loslager und ein zusätzliches Axiallager (z. B. eine Kugel) am unteren Ende der Welle.

Für den Fall einer Welle mit zwei Lagern nimmt das Loslager nur eine Kraft senkrecht zu den Lagerstellen auf und ermöglicht so eine gewisse Längsverschiebbarkeit, wie es etwa bei Wärmeausdehnung notwendig ist. Das Festlager hingegen nimmt zusätzlich auch Kräfte in Längsrichtung auf, so dass sich das Bauteil nicht unkontrolliert seitlich aus den Lagern bewegen kann.

Konstruktiv sollte bei Wellen das Loslager an der Stelle vorgesehen werden, an der die größere Radialbelastung auftritt.

Rotative und translative Lager

Bei rotativen Lagern verdreht sich die Welle gegen das Lager. Translative Lager werden auch Linearlager genannt. Dabei verschieben sich beispielsweise die Komponenten einer Wellenführung entlang einer Welle.

Gleitlager

Traglager an einer Dampfmaschine

Ein Gleitlager ist ein Maschinenelement oder Bauteil, das auf gleitender Bewegungen (Führung) eines Bauteils auf oder in einem Lager beruht (Gleitführung). Im Gegensatz zu anderen Lagertypen (Kugellager, Wälzlager) ist ein Gleitlager dadurch gekennzeichnet, dass die Partner sich direkt oder nur durch einen Schmierfilm getrennt aneinander vorbei bewegen, und sie daher im allgemeinen auf exzellente Schmierung gegen Gleitreibung angewiesen sind. Diese erfolgt durch Schmieröle, Schmierfette, aber auch durch Weichmetalllager (Kupfer, Bronze, Zinn, usw.) oder andere selbstschmierende Prinzipien, oder aber schmierungsfrei durch extrem harte, reibungsarme und verschleißfreie Bautypen.

Der Begriff umfasst einige, technisch recht verschiedene Lagertypen:

• Rotative Gleitlager: Radialgleitlager sowie Axialgleitlager für rotierende Bewegungen

  Die häufigste Anwendung mit weit über 95 % der Anwendungsfälle ist die Rundführung mittels Radialgleitlager: sie bezweckt, die prinzipiellen sechs Freiheitsgrade (drei Verschiebungsrichtungen, drei Drehachsen) zweier Körper zueinander auf eine einzige Rotationsachse einzuschränken.

• Translative Gleitlager: Lineargleitlager (Linearlager) für translatorische Bewegungen

  Die Aufgabe von Lineargleitlagern ist die lineare Führung, also eine translatorische Bewegung. Es werden meist Gleitbuchsen (auch Gleitbüchsen genannt), zum Beispiel aus Sinterwerkstoffen oder selbstschmierendem Kunststoff auf Stahl verwendet.

Unterscheidung nach Art der Reibung

Man unterscheidet Festkörperreibungslager, Hydrodynamische Gleitlager und Hydrostatische Gleitlager. Durch die Relativbewegung der beiden Lagerpartner, z. B. Schale und Welle, tritt Reibung auf, wodurch Wärme entsteht, die an die Umgebung abgegeben wird.

Festkörperreibung

Bei Festkörperreibungslagern tritt, wie der Name schon sagt, Festkörperreibung auf. Merkmal ist eine Selbstschmierungs-Eigenschaft eines der Partner. Partner sind zum Beispiel Graphit, Kunststoff und Stahl, Stahl und Keramik oder Kunststoff und Keramik.

Flüssigkeitsreibung

Bei vielen Gleitlagertypen erfolgt die Trennung der relativ zueinander bewegten Oberflächen durch einen Schmierfilm, wodurch es zu Flüssigkeitsreibung kommt. Bei Öldruckschmierung können sehr hohe Lebensdauern erreicht werden.

Mischreibung

Meist haben Gleitlager Mischreibung zu bewältigen; im Betrieb sind die Partner durch den Schmierstofffilm voneinander getrennt, aber in der Anlaufphase tritt ein Festkörperkontakt und dementsprechender Verschleiß auf.

Gleitlagerwerkstoffe

Abhängig von Belastung und Geschwindigkeit müssen die Materialien aufeinander abgestimmt werden. Für die aufeinander gleitenden Partner werden jeweils meist unterschiedliche Werkstoffe verwendet.

Häufig verwendete Lagerwerkstoffe sind

• Bronze
• Weißmetalle
• Bleilagermetalle
• Aluminiumlegierungen
• Kunststoffe
• verschiedene Legierungen, die speziell mit geringen Reibungskoeffizienten entwickelt werden.
• Keramik und in geringerem Umfang auch faserverstärkte Keramik

Normalerweise wird ein Partner des Lagers aus einem weicheren Material hergestellt, typischerweise der Außenring, der leichter und billiger zu ersetzen ist. Die Schmierung ist bei Gleitlagern besonders wichtig, geschmierte Gleitlager besitzen keine Notlaufeigenschaften wie zum Beispiel Kugellager. Ein typisches Beispiel für Gleitlager sind die Lager von Kurbelwellen (Dampfmaschinen, Großdiesel, alte Maschinen), denn Gleitlager können leicht geteilt als Zweihälften-Lagerschalen hergestellt und ausgetauscht werden, siehe Bild. Alternativlos sind sie bei Kolbenmaschinen (Gleiten des Kolbens im Zylinder).
Gleitlager werden oft mit einem Ölkreislauf geschmiert (Druckölschmierung), wobei ein Ölfilter und oft zusätzlich ein Dauermagnet Verschleißpartikel abscheidet.

Häufig werden Motoren-Gleitlager galvanisch beschichtet mit Dreistoff-Schichten, und teils noch im Vakuum mit Metallen aufgesputtert oder aufgedampft. Insbesondere Turbodiesel-Motoren mit ihren hohen Lagerdrücken stellen heutzutage die komplexesten Bauformen hydrodynamischer Gleitlager dar. Der Fertigungsprozess von Gleitlagern ist ein Prozess mit großer Fertigungstiefe: nicht selten werden über 70 Arbeitsschritte auf verschiedenen Maschinen benötigt, bis aus dem Ausgangsmaterial Bandstahl ein Gleitlager geworden ist.

Sinterlager

Gleitlagerbuchsen aus Sintermetall; links ein Elektromotor-Lagerschild mit taumelnd befestigter Buchse

Sinterlager sind eine Variante der Gleitlager, bei denen die Lagerschale(n) nicht aus massivem, sondern aus gesintertem Material besteht. Durch die in diesem Prozess nicht vollständige Verdichtung ergeben sich Vorteile bei der Schmierung, da sich Schmierstoffe in den Poren einlagern und halten können.

Verharzte Sinterlager können nach starker Erhitzung neu mit Öl getränkt werden.

Sinter-Gleitlager arbeiten gegen Stahlwellen. Sie finden sich in vielen kleinen Elektromotoren (Drucker, Lüfter) und als Gleitbüchsen.

Graphit-Gleitlager

Graphit (Kohlenstoff) als Lagerwerkstoff ist geeignet, da sein Abrieb selbstschmierend wirkt. Die Kohlenstoffmodifikation Graphit besitzt Kristallebenen, die leicht aufeinander gleiten können. Graphit-Lager sind zudem vorteilhaft, wenn elektrische Ströme über Lagerstellen übertragen werden müssen, was bei anderen Lagern - sowohl Gleitlagern als auch insbesondere Kugellagern - vermieden werden sollte, da Ströme durch Kontaktstellen unterschiedlicher Metalllegierungen Materialabtrag mit sich bringen.

Zu beachten ist, dass bei diesen Lagern bei höherer Belastung und damit steigender Temperatur der Reibkoeffizient deutlich ansteigt. Dennoch sind sie für höhere Temperaturen geeignet, bei denen geschmierte Lager bereits versagen.
Ein Beispiel für ein Graphit-Lager ist das Axiallager zur Betätigung der Kupplung des PKW Trabant.

Vergleiche auch Schleifkontakt.

Keramiklager

Hier ist unter anderem Siliciumcarbid als keramischer Werkstoff in Pumpen eingeführt und in Großpumpen auch faserverstärkte Keramik. Die Gleitlager liegen im Pumpengehäuse und werden mit der geförderten Flüssigkeit geschmiert. Die Korrosionsbeständigkeit und der durch die Härte bedingte extrem niedrige Verschleiß durch Reibung oder Partikelabrieb sind die großen Vorteile dieser Lager. Probleme ergeben sich jedoch beim Trockenlauf der Pumpen.

Steinlager

17steiniges Armbanduhrwerk; 14 davon sind Lagersteine, hiervon wiederum gehören vier zur Trompetenzapfen-Lagerung der Unruh, der Rest davon sind Gleitlagerbuchsen ohne Deckstein

Lagerbuchsen aus weitgehend einkristallinem Rubin werden besonders in kleinen mechanischen Uhren, Instrumenten und Waagen eingesetzt. Sie arbeiten gegen Stahl und werden bei Uhren geschmiert, bei Waagen jedoch nicht. Steine werden bei höherwertigen Uhren zumindest bei der Unruh-Lagerung (Trompetenzapfen mit Lochstein und Deckstein), deren vom Anker betätigten Mitnehmer, am Anker (Ankersteine) sowie dessen Lagerung und dem Steigrad-Lager eingesetzt (insgesamt somit 11 Steine).

Kunststoffgleitlager

Völlig ohne weitere Schmierung kommen Gleitlager aus speziellen Kunststoffen aus. Sie sind für niedrige bis mittlere Belastung geeignet. Im Gegensatz zu anderen Materialien ist die Gefahr des Festfressens bei Lagern aus selbstschmierenden Kunststoffen nahezu ausgeschlossen. Kunststoffgleitlager zählen somit zu den wichtigsten Vertretern bei den schmierungs- und wartungsfreien Gleitlagern. Diese Lagerwerkstoffe arbeiten gegen Stahl.

Für diese Anforderungen wurden spezielle Werkstoffe entwickelt - sogenannte Compounds - die aus Basispolymer, Verstärkungsstoffen (z. B. Fasern) und aus eingebetteten Festschmierstoffen bestehen. Während des Betriebs gelangen diese Schmierstoffe durch Mikroverschleiß ständig an die Oberfläche und senken so Reibung und Verschleiß der Lager.

Wegen des besonders geringen Reibungskoeffizienten von PTFE (Polytetrafluorethylen) gegen andere Stoffe (z. B. Stahl) wird PTFE gerne als Lagerwerkstoff verwendet. Ein anderer gut geeigneter Festschmierstoff ist in die Kunststoffe eingelagertes Graphit; besonders, wenn die Lager mit Wasser in Kontakt kommen. Auch Öle können in Kunststoff eincompoundiert werden. Die Schmierstoffe sind mikroskopisch klein, dafür aber gleichmäßig im Basispolymer verteilt. Während des Betriebs der Lager sorgt der Mikroverschleiß dafür, dass neue Schmierstoffpartikel freigesetzt werden und der Lagerstelle dadurch ständig neuer Schmierstoff zugeführt wird.

Bei geringerwertigen Lagern, bei denen beide Partner aus Thermoplast bestehen, ist PTFE in den dafür erforderlichen Schmierstoffen enthalten.

Wälzlager

Hauptartikel: Wälzlager

Bei Wälzlagern sind die zu lagernden Elemente durch sogenannte Wälzkörper, die in einem Wälzkörperkäfig gefasst sein können, voneinander getrennt. Sie bestehen aus Lagerschalen bzw. Lageraussenring und Lagerinnenring sowie den dazwischen befindlichen Wälzkörpern. Damit ist hauptsächlich Rollreibung oder Wälzreibung zu überwinden. Bekannteste Beispiele sind Kugellager, Linearkugellager, Zylinderrollenlager, Nadellager, Rollenlager und Kegelrollenlager. Vergleichbar zum Wälzlager im Bereich der Führungen ist die Wälzführung.

Andere Lagerarten

Die Trennung der relativ zueinander bewegten Oberflächen kann auch durch andere Wirkprinzipien erfolgen:

• Druckluft (Luftlager) oder
• elektromagnetische Kräfte bzw. Felder (Magnetlager)
• Supraleitendes Magnetlager
• Hydraulische Lager
• Spannbandlagerung: gespannte Metallbänder dienen als Lagerung und zugleich als Rückstellfeder bei Drehspulmesswerken

Literatur

• Milowiz, Kurt & al.: Die Verbrennungskraftmaschine, Bd.8: Lager und Schmierung. Wien, New York, 1962 (Springer)
• Stopa, Frank: Wartungsfreie Kunststoffgleitlager - Ein Beitrag zum Einsatz in nicht umlaufenden Kreuzgelenken, Düsseldorf 2003, ISBN 3-18-336501-4, VDI-Verlag

Siehe auch

• Lagermetall