Ein vollständiger Leitfaden für Wälzlager

Lager sind mechanische Teile, die die Drehung eines Objekts unterstützen, Lasten tragen und die Reibung zwischen beweglichen Teilen verringern. Sie sind in einer Vielzahl von Ausführungen erhältlich, von denen jede ihre eigenen Eigenschaften hat, die sie für bestimmte Anwendungen geeignet machen. Eine der häufigsten Anwendungen von Wälzlagern ist die Lagerung einer Welle, die sich im Inneren eines Maschinenteils dreht. Nahezu jede Anwendung, die mit Rotation arbeitet, verwendet auf die eine oder andere Weise Lager, von Autos, Flugzeugen, Stromgeneratoren und Turbinen bis hin zu medizinischen Geräten und Uhren. Dieser Artikel befasst sich mit den verschiedenen Arten von Wälzlagern, die auf dem Markt üblich sind.

Inhaltsübersicht

• Grundlagen des Lagers
• Lädt
• Kugellager
• Rollenlager
• Besondere Lagerbezeichnungen
• Kriterien für die Auswahl von Lagern

Grundlagen des Lagers

Ein Wälzlager wird für Rotationsanwendungen verwendet, um entweder Lasten zwischen Maschinenkomponenten zu übertragen oder Maschinenelemente wie Räder, Achsen und Wellen zu führen. Sie bieten geringe Reibung, sind hochpräzise und ermöglichen hohe Drehzahlen bei geringem Geräusch-, Wärme- und Energieverbrauch. Die Lager sind kostengünstig, austauschbar und entsprechen den internationalen Normen für Abmessungen.

Wälzlager und Kugellager

Wälzlager lassen sich anhand der darin enthaltenen Wälzkörper in zwei Grundkategorien einteilen. Der Hauptunterschied liegt im Kontakt zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen.

• Kugellager Ein Kugellager besteht aus Kugeln, die einen Kontaktpunkt mit Ringlaufbahnen bilden. Wenn die Belastung des Lagers zunimmt, wird die Kontaktfläche des Lagers elliptisch. Kugellager können aufgrund ihrer kleinen Kontaktflächen hohe Drehzahlen aufnehmen, ihre Tragfähigkeit leidet jedoch aufgrund ihrer Konstruktion.
• Wälzlager: Bei Wälzlagern bilden die Rollen eine Berührungslinie mit den Ringlaufbahnen. Mit zunehmender Belastung wird die Berührungslinie rechteckiger (Abbildung 2). Aufgrund dieser größeren Kontaktfläche kann es schwerere Lasten aufnehmen, dreht sich aber mit einer geringeren Geschwindigkeit als ein Kugellager ähnlicher Größe.

Lagerteile

Ein Wälzlager besteht aus 4 Hauptkomponenten, wie in Abbildung 3 dargestellt:

• Innenring und Laufbahn (A): Die innere Laufbahn ist ein kleinerer Ring über der Welle. Er befindet sich innerhalb der äußeren Laufbahn (D).
  • Bei Rollenlagern ist die Laufbahn flach oder kegelförmig mit einem Flansch, der die Rollen in Position hält.
  • Bei Kugellagern wird in den Außenumfang eine Rille geschnitten.
• Rollende Elemente (B): Durch die zwischen den Innen- und Außenringen befestigten Kugeln oder Rollen können sich die Lager frei drehen. Wären sie nicht vorhanden, würde die Reibung zwischen den Laufringen das Lager schnell zerstören. Die Kugeln und Rollen in den Lagern werden nach exakt symmetrischen Spezifikationen gefertigt, da ein asymmetrischer Wälzkörper die Leistung des Lagers verringert. Wälzkörper sind in hohem Maße von ihrer Oberflächenqualität abhängig, da diese die Leichtgängigkeit ihrer Drehung beeinflusst. Reibung erzeugt Wärme, die die Lebensdauer der Lager verkürzt und die Lagergeräusche erhöht.
• Lagerkäfig (C): Ein Lagerkäfig hält die Kugeln oder Rollen zwischen der inneren und der äußeren Laufbahn fest. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Kugeln/Rollen frei drehen können, aber ihre Abstände beibehalten.
• Äußere Laufbahn (D): Lager bestehen aus einer äußeren Laufbahn und einer inneren Laufbahn (Ring), in der sich die Kugeln oder Rollen befinden.
  • Bei Rollenlagern ist die äußere Laufbahn flach, kugelförmig oder kegelförmig mit einem Flansch, der die Rollen in Position hält.
  • Bei Kugellagern wird entlang des Innenumfangs der Laufbahn eine Rille geschnitten, damit die Kugeln an ihrem Platz gehalten werden.
• Vollständiges Lager (E): Wenn alle Komponenten zusammengefügt sind, bilden sie das Lager. Die Wälzkörper können freiliegen, und diese müssen ordnungsgemäß geschmiert werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Lager können mit Dichtungen geliefert werden, die die Wälzkörper vor der Umwelt schützen und bereits geschmiert sind. Erfahren Sie mehr über Lagerschmierung.

Lädt

Bei der Diskussion über Lager ist es wichtig, über Belastungen zu sprechen. Eine Last ist die Kraft, die auf ein Lager wirkt. Auf ein belastetes Lager wirken aktuell Kräfte, auf ein unbelastetes Lager nicht. Es müssen verschiedene Belastungsfaktoren berücksichtigt werden, wie z. B. die Lastrichtung, die Lastart und der Lastzustand.

Richtung der Belastung

• Radiale Belastung: Radiale Belastung ist jede Belastung, die im rechten Winkel zur Lagerachse wirkt (Abbildung 4 links).
• Axiale Belastung: Axial- oder Axiallast ist jede Belastung, die entlang der Lagerachse wirkt (Abbildung 4 Mitte).
• Kombinierte Belastung: Die kombinierte Belastung ist eine Kombination aus radialen und axialen Belastungskomponenten (Abbildung 4 rechts).

Art der Belastung

• Dynamische Belastungen: Dies sind die Rotationskräfte, die beim Drehen auf das Lager wirken. Diese Belastungen führen zum Verschleiß des Lagers.
• Statische Lasten: Eine kontinuierlich hohe oder intermittierende Spitzenlast. Bei statischer Belastung ist die Materialfestigkeit des Lagers der begrenzende Faktor.

Zustand der Belastung

• Konstante Belastung: Bei konstanter Belastung ändert sich die Belastungsrichtung nicht, und derselbe Teil des Lagers ist ständig der Belastung ausgesetzt, der auch als belastete Zone bezeichnet wird.
• Wechselbelastung:Bei der Wechselbelastung werden nebeneinander liegende Zonen im Lager abwechselnd belastet und entlastet.

Kugellager

Kugellager bestehen aus verschiedenen Kategorien von Kugellagern.

Rillenkugellager

Bei Rillenkugellagern werden die Kugeln durch tiefe Rillen in den Laufbahnen gehalten und können sowohl radiale als auch axiale Belastungen aufnehmen. Sie eignen sich für sehr hohe Drehzahlen, bieten eine geringe Reibung, verursachen nur minimale Geräusche und Vibrationen, sind einfach zu installieren und erfordern weniger Wartung als andere Lagerarten.

Schrägkugellager

Die Innen- und Außenringlaufbahnen dieser Lager sind gegeneinander versetzt, wie in Bild 6 zu sehen. Daher sind diese Lager so konstruiert, dass sie sowohl radiale als auch axiale Belastungen gleichzeitig aufnehmen können. Darüber hinaus steigt die axiale Tragfähigkeit des Lagers mit zunehmendem Druckwinkel. Schrägkugellager sollten für hohe Präzision, hohe Drehzahlen und axiale Belastungen eingesetzt werden, wie sie in Getrieben, Pumpen und Werkzeugmaschinen zu finden sind.

Einreihige Schrägkugellager

Sie nehmen Axiallasten nur in einer Richtung auf, weshalb einreihige Schrägkugellager in der Regel durch den Einbau von zwei einreihigen Schrägkugellagern Rücken an Rücken, gegenüberliegend oder im Tandem eingebaut werden. Daher können Kräfte aus mehreren Richtungen aufgenommen werden. Die Lager werden mit Hilfe eines Sicherungsrings fixiert, um ein Gleiten auf der Achse zu verhindern.

• Back-to-back: Durch diese Art der Montage können die Lager sowohl radiale als auch axiale Belastungen in jeder Richtung aufnehmen. Da der Abstand zwischen Lagermitte und Belastungspunkt größer ist als bei anderen Befestigungsmethoden, können große Momentan- und Wechsellastkräfte aufgenommen werden.
• Von Angesicht zu Angesicht: Durch diese Montagereihenfolge kann das Lager radiale und axiale Belastungen in beiden Richtungen aufnehmen. Da jedoch der Abstand zwischen Lagermitte und Belastungspunkt bei dieser Lagerung kleiner ist, ist die Momentan- und Wechselkraftkapazität geringer.
• Tandem: Ein Tandemlager kann sowohl einseitig wirkende Axiallasten als auch Radiallasten aufnehmen. Da die Lasten auf der Achse von beiden Lagern aufgenommen werden, können hohe Axiallasten aufgenommen werden.

Zweireihige Schrägkugellager

Die zweireihige Anordnung von Schrägkugellagern ist vergleichbar mit zwei hintereinander angeordneten einreihigen Schrägkugellagern, benötigt aber weniger axialen Platz. Zusätzlich zu den radialen und axialen Belastungen können sie auch Kippmomente aufnehmen.

Selbsteinstellende Kugellager

Pendelkugellager werden eingesetzt, wenn bei einer Anwendung mit Ausrichtungsfehlern oder Wellendurchbiegung zu rechnen ist. Er verfügt über zwei Kugelreihen, die sich die äußere, kugelförmige Laufbahn teilen, während der Innenring zwei Schrägrillenlaufbahnen aufweist. Da die Kugeln in der inneren Laufbahn gehalten werden, aber auf der äußeren Laufbahn eine gewisse Bewegungsfreiheit haben, kann das Lager auch dann funktionieren, wenn es nicht mit der Welle ausgerichtet ist. Sie sind jedoch nicht für Anwendungen mit hoher Belastung geeignet.

Axialkugellager

Axialkugellager werden für axiale Belastungen eingesetzt. Es gibt zwei Hauptausführungen: einseitig und zweiseitig wirkende.

• Einseitig wirkende Axialkugellager bestehen aus zwei Ringen, die als Wellen- und Gehäusescheiben bezeichnet werden, und einem einzelnen Kugelkranz. Sie können axiale Belastungen nur in einer Richtung aufnehmen, je nachdem, ob der Flansch an der inneren, äußeren oder beiden Laufbahnen angebracht ist.
• Zweiseitig wirkende Axialkugellager bestehen aus drei Unterlegscheiben und zwei Kugelkränzen. Die Wellenscheibe trennt den Kugelkranz vom Käfig. Diese Lager sind für axiale Belastungen ausgelegt und nicht für radiale Belastungen geeignet. Sie können axiale Belastungen in beiden Richtungen aufnehmen.

Lesen Sie unseren Leitfaden für Kugellager für weitere Informationen.

Rollenlager

Innerhalb der Kategorie der Wälzlager werden sie in weitere Kategorien eingeteilt, die wir in den nächsten Abschnitten behandeln.

Pendelrollenlager

Pendelrollenlager werden für hohe radiale und axiale Belastungen eingesetzt. Es gibt zwei Hauptausführungen: einreihige und zweireihige Pendelrollenlager. Diese Lager haben ihren Namen von der kugelförmigen Form der Außenlaufbahn und der kugelförmigen Form der Rollen.

Diese Lager eignen sich besonders für Anwendungen, die zu Fluchtungsfehlern oder Wellendurchbiegungen neigen. Aufgrund ihrer hohen Tragfähigkeit und ihrer Fähigkeit, Fluchtungsfehler auszugleichen, haben sie geringe Wartungskosten und in der Regel eine längere Lagerlebensdauer. Diese Lager werden in Förderanlagen, Brücken und Kränen, Papierfabriken und Getrieben usw. eingesetzt.

Zylinderrollenlager

Zylinderrollenlager werden für hohe Geschwindigkeiten und schwere Radiallasten eingesetzt. Die Wälzkörper sind nicht nur geschliffen, um einen maximalen Kontakt mit der Laufbahn zu gewährleisten, sondern auch präzise ballig, um Kantenbelastungen aufgrund von Wellenversatz zu vermeiden. Sie bieten eine hohe Steifigkeit, geringe Reibung und eine lange Lebensdauer. Diese Lager können auch axiale Verschiebungen aufnehmen, wenn das Lager sowohl am Innen- als auch am Außenring mit Flanschen versehen ist. Es gibt zwei Hauptausführungen: einreihige und zweireihige Zylinderrollenlager.

Kegelrollenlager:

Kegelrollenlager sind ähnlich aufgebaut wie Pendelrollenlager. Bei Kegelrollenlagern sind sowohl die Innen- und Außenlaufbahnen als auch die Rollen kegelförmig. Diese Lager können für schwerste radiale und axiale Belastungen in Anwendungen eingesetzt werden, die zu Fluchtungsfehlern oder Wellendurchbiegungen neigen. Die hohe Tragfähigkeit und die Fähigkeit, Ausrichtungsfehler auszugleichen, tragen zu niedrigen Wartungskosten und einer längeren Lebensdauer der Lager bei. Es gibt zwei Hauptausführungen: einreihige und zweireihige Kegelrollenlager.

Axial-Rollenlager

Ähnlich wie bei den Axialkugellagern gibt es verschiedene Arten von Axialrollenlagern, die einseitig und zweiseitig wirkend sein können. Standard-Axialrollenlager sind für höhere Axialbelastungen als Axialkugellager ausgelegt, sollten aber keinen Radialbelastungen ausgesetzt werden. Kegelrollenlager und Axial-Pendelrollenlager können jedoch sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen.

• Die einseitig wirkende Ausführung besteht aus zwei Ringen, die als Wellen- und Gehäusescheiben bezeichnet werden, und einem einzigen Kugelkranz.
• Die zweiseitige Ausführung besteht aus einer Baugruppe mit drei Unterlegscheiben und zwei Sätzen von Kugeln und Käfigen. Die Wellenscheibe trennt diese Baugruppen.

Axial-Nadellager

Axialnadellager sind für extrem hohe Drehzahlen ausgelegt, aber nur für axiale Kräfte. Häufig dienen benachbarte Maschinenteile als Laufbahnen, wie z. B. Zahnradbaugruppen. Das bedeutet, dass das Lager nicht mehr Platz benötigt als eine Unterlegscheibe. Diese Lager können hohen Axiallasten und Spitzenbelastungen standhalten, da die Rollen innerhalb einer Baugruppe sehr geringe Durchmesserabweichungen aufweisen. Um Spannungsspitzen zu vermeiden, wird an den Rollenenden in der Regel eine leichte Entlastung vorgesehen, um die Kontaktfläche zwischen der Laufbahn und den Rollen zu verändern.

Besondere Lagerbezeichnungen

Es gibt mehrere Codes und Bezeichnungen, die verschiedene Lagerkonstruktionen und Konstruktionsmerkmale festlegen. Zu diesen Codes und Bezeichnungen gehören Bezeichnungen für Lager mit kegeliger Bohrung (bei SKF Lagern mit dem Buchstaben K versehen), für verstärkte Lager wird üblicherweise der Buchstabe E verwendet, und es gibt noch viele weitere. Leider verwenden nicht alle Hersteller die gleichen Suffixe und Konstruktionsmerkmale. Um dies zu verstehen, lesen Sie unseren Leitfaden für Lagerteilnummern.

N/NJ/NU/NUP Cylindrical Bearings

Ein Bereich, der in der Regel weltweit gleich ist, sind die unterschiedlichen Bezeichnungen für die Flanschanbringung an Lagern. Diese Flansche sind für die Aufnahme von Radiallasten auf Lager bestimmt.

• NU: An der Außenlaufbahn dieser Lager sind zwei Flansche bearbeitet, an der Innenlaufbahn gibt es jedoch keine Flansche. Wälzkörper und Käfige werden in der äußeren Laufbahn montiert. Dieses Lager kann aufgrund der fehlenden Flansche in der Innenlaufbahn keine Axiallasten aufnehmen.
• N: Diese Lager haben zwei Flansche an der Innenlaufbahn, keine Flansche an der Außenlaufbahn und Rollen und Käfige an der Innenlaufbahn. Die Außenlaufbahn dieses Lagers hat keine Flansche und kann daher keine Axiallasten aufnehmen.
• NJ: Ein bearbeiteter Flansch befindet sich auf einer Seite der inneren Laufbahn, und zwei Flansche befinden sich auf der äußeren Laufbahn. In der äußeren Laufbahn befindet sich eine Anordnung von Rollen und Käfigen. Da die Innenlaufbahn einen integrierten Flansch hat, kann dieses Lager Axiallasten und begrenzte Axiallasten aufnehmen.
• NUP: Lager dieses Typs ähneln den NJ-Lagern, haben aber eine besondere Laufbahn, die oft als Druckring bezeichnet wird. Auf der flanschlosen Seite der Innenlaufbahn ist ein Druckring montiert, der eine axiale Belastung in beide Richtungen aufnimmt. Der Druckring ragt auf einer Seite aus dem Lager heraus, so dass die Innenlaufbahn einen etwas größeren Durchmesser hat als die Außenlaufbahn.

Auswahlkriterien für Wälzlager

Nachstehend finden Sie Kriterien für die Auswahl von Wälzlagern, die Sie bei Ihren Anwendungen berücksichtigen sollten:

• Verfügbarer Platz: Der Bohrungsdurchmesser eines Lagers, eine der Hauptabmessungen, wird in der Regel durch die Konstruktion der Maschine und ihren Wellendurchmesser bestimmt. Wellen mit kleinem Durchmesser können mit jeder Art von Kugellager ausgestattet werden. Neben den Rillenkugellagern können auch Nadellager verwendet werden. Zu den Lagern für Wellen mit großem Durchmesser gehören zylindrische, kegelförmige, kugelförmige und Rillenkugellager. In Situationen, in denen der radiale Raum begrenzt ist, sind Lager mit kleinem Querschnitt vorzuziehen.
• Ladungen: Die Größe eines Lagers wird in der Regel durch die Höhe der Belastung bestimmt. Im Allgemeinen tragen Rollenlager höhere Lasten als Kugellager ähnlicher Größe, und Lager mit einem vollständigen Satz von Wälzkörpern können höhere Lasten aufnehmen als Käfiglager. Im Allgemeinen sind Kugellager für leichte bis mittlere Belastungen geeignet. Lager mit Rollen sind in der Regel die bessere Wahl, wenn die Lager schwere Lasten tragen müssen oder wenn der Wellendurchmesser groß ist.
• Fehlausrichtung: Fluchtungsfehler entstehen, wenn sich Wellen unter Last verbiegen, wenn die Lagersitze nicht auf gleicher Höhe bearbeitet sind oder wenn die Lager zu weit voneinander entfernt sind. Sowohl Rillenkugellager als auch Zylinderrollenlager können keine oder nur geringe Fluchtungsfehler aufnehmen, es sei denn durch Kraft. Lager, die sich selbst ausrichten, wie z. B. Pendelrollenlager und Axial-Pendelrollenlager, können Ausrichtungsfehler aufnehmen und anfängliche Ausrichtungsfehler, die durch Bearbeitungs- und Montagefehler verursacht werden, ausgleichen.
• Präzision: Anordnungen, die eine hohe Laufgenauigkeit erfordern, und Anwendungen, die sehr hohe Drehzahlen verlangen, erfordern Lager mit einer höheren Präzision. Dies ist typischerweise in der Medizin und der Luft- und Raumfahrt der Fall. Hochpräzisionslager werden in der Regel nach den Normen für Rillenkugellager oder Schrägkugellager hergestellt, haben aber wesentlich geringere Toleranzen als Standardlager.
• Geschwindigkeit Die Drehzahl eines Wälzlagers wird durch die zulässige Betriebstemperatur begrenzt. Für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb sind Lager mit geringer Reibung und folglich geringer Wärmeentwicklung in ihrem Inneren am besten geeignet. Axiallager können konstruktionsbedingt keine so hohen Drehzahlen wie Radiallager aufnehmen.
• Leiser Betrieb: Je nach Anwendung, z. B. bei kleinen Elektromotoren für Haushaltsgeräte oder Büromaschinen, kann die Geräuschentwicklung im Betrieb die Lagerauswahl beeinflussen. Für diese Anwendungen wird ein besonderer Typ von Rillenkugellager mit Messingkäfig hergestellt. Diese Lager haben mehr Platz zwischen den Laufbahnen, so dass eine größere Menge Schmiermittel in das Lager gelangen kann, was den Geräuschpegel dämpft.
• Steifheit: Die Steifigkeit eines Wälzlagers wird durch das Ausmaß seiner elastischen Verformung unter Last bestimmt. Da die Verformungen in der Regel minimal sind, können sie in der Regel vernachlässigt werden. Die Steifigkeit von Spindellagerungen oder Ritzellagerungen ist entscheidend. Rollenlager haben aufgrund der Kontaktbedingungen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen eine höhere Steifigkeit als Kugellager. Diese Verformung spielt jedoch eine Rolle bei der Schmierung. Bei hydroelastischer Schmierung ist diese Verformung ein positiver Effekt. Erfahren Sie mehr in unserem Leitfaden zur Tribologie.
• Montage und Demontage: Wenn Lager mit zylindrischen Bohrungen teilbar ausgeführt sind, lassen sie sich effizienter ein- und ausbauen, insbesondere wenn an beiden Ringen Presspassungen erforderlich sind. Wenn eine häufige Montage und Demontage erforderlich ist, sind teilbare Lager vorzuziehen, da jeder Lagerring unabhängig vom anderen montiert werden kann. Lager mit kegeliger Bohrung können mit Hilfe eines Adapters oder einer Abziehhülse leicht auf einen zylindrischen Wellensitz oder einen kegeligen Zapfen montiert werden. Erfahren Sie mehr über den Einbau von Lagern in unserem Artikel über Lagerabzieher.