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Wälzlager Die Qual der Wahl – der Weg zum passenden Wälzlager

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier / Karl-Ullrich Höltkemeier

Die Auswahl und Auslegung von Wälzlager gehört zum Tagesgeschäft von Konstrukteuren. Doch gestaltet sich dies nicht immer einfach, denn es sind wichtige Parameter zu beachten. Was wirklich wichtig ist, lesen Sie hier.

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Über vier Meter Durchmesser haben die Lager, die z.B. im Millennium Wheel in London verbaut sind.
Über vier Meter Durchmesser haben die Lager, die z.B. im Millennium Wheel in London verbaut sind.
(Bild: Schaeffler Technologies)

Wälzlager sind Lager, bei denen zwei zueinander bewegliche Komponenten, der sogenannte Innenring sowie der Außenring, durch rollende Körper getrennt sind. Sie dienen als Fest- oder Loslager zur Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie die radialen und axialen Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile (z.B. ein Rad) ermöglichen. Dabei soll die Reibung und somit die Verlustleistung und der Verschleiß möglichst gering bleiben.

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.

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Die umgangssprachlich bekannten Kugellager sind eine Untergruppe der Wälzlager, bei denen Kugeln als Wälzkörper dienen. Bei modernen Wälzlagern werden die Wälzkörper (Kugeln und Rollen) durch einen Käfig in gleichem Abstand gehalten.

Das Wälzlager

Wälzlager bestehen im Allgemeinen aus zwei Lagerringen mit gegenüberliegenden, eingeschliffenen Laufbahnen. Zwischen den Ringen sind Wälzkörper angeordnet, die sich auf den Laufbahnen abwälzen. Als Wälzkörper werden Kugeln, Kugelrollen Zylinderrollen, Nadelrollen, Kegelrollen und Tonnenrollen eingesetzt. Ein Käfig führt in der Regel die Wälzkörper, hält sie in gleichmäßigem Abstand zueinander und verhindert, dass sie sich gegenseitig berühren. Außerdem verhindert er ein Herausfallen der Wälzkörper aus zerlegbaren Lagern. Bei Nadellagern und bordlosen Pendelrollenlagern sorgt der Käfig zusätzlich für die richtige Lage der Rollkörperachse.

Laufringe und Wälzkörper sind überwiegend aus durchgehärtetem Chromstahl, daneben wird aber auch Einsatzstahl verwendet. Sonderlager für extreme Betriebsverhältnisse – Belastung, Drehzahl, Temperatur, Korrosion – bestehen aus temperaturfesten und/oder nichtrostenden Stählen, Kunststoff, Keramik sowie aus anderen Werkstoffen. Wälzlager gibt es offen, sowie ein- und beidseitig abgedichtet. Die gängigsten Dichtungsarten sind Spalt- und Lippendichtungen.

Merkmale und Verwendung

Jede Wälzlager-Bauart hat charakteristische Eigenschaften, die sie für bestimmte Lagerungsfälle besonders geeignet macht. Allgemeingültige Regeln zur Wahl der Lagerart lassen sich deshalb nur bedingt aufstellen, da fast immer mehrere Faktoren berücksichtigt und gegeneinander abgewogen werden müssen. So sind meist neben der Belastung und Drehzahl auch Einflüsse wie Temperatur, Schmierung, Einbau und Wartung usw. zu berücksichtigen. In vielen Fällen ist mindestens eine der Hauptabmessungen des Lagers – meist der Bohrungsdurchmesser – durch die Umgebungskonstruktion bereits festgelegt.

Wälzlager für überwiegend radiale Belastungen nennt man Radiallager. Die meisten Radiallager nehmen kombinierte Belastungen auf, z.B. Rillenkugellager, Schrägkugellager, Kegelrollenlager oder Pendelrollenlager. Zylinderrollenlager der Typen N und NU, die meisten Nadellager, Nadelhülsen sowie Nadelkränze sind lediglich radial belastbar.

Als Axiallager werden Lager für überwiegend axiale Belastungen bezeichnet. Axial-Pendelrollenlager und einseitig wirkende Axial-Schrägkugellager nehmen kombinierte Axial- und Radiallasten auf. Die übrigen Axiallager eignen sich nur für Axiallasten. Steht in radialer Richtung nur wenig Bauraum zur Verfügung, werden Lager mit geringer Querschnittshöhe gewählt, z.B. Nadelkränze, Nadellager mit oder ohne Innenring, Rillenkugellager und Pendelrollenlager bestimmter Baurreihen.

Ist der axiale Bauraum begrenzt, eignen sich bei radialer und kombinierter Belastung Lagerreihen einreihiger Zylinderrollenlager, Rillen- oder Schrägkugellager. Für axiale Belastungen werden Axial-Nadelkränze, Axial-Nadellager oder Axial-Rillenkugellager bestimmter Reihen eingesetzt.

Ein weiteres Merkmal ist die Art, wie die Lager eine Welle führen. So gibt es Lager, die axiale Verschiebungen zulassen (Loslager), Lager, die eine Welle in einer axialen Richtung (Stützlager) oder in beiden axialen Richtungen führen (Festlager) und solche, die Winkelfehler ausgleichen.

Zur Bestimmung der Lagergröße sind in erster Linie die Höhe und Art der Belastung – dynamisch oder statisch – die Lager-Tragfähigkeit sowie die Anforderungen an die Gebrauchsdauer und Betriebssicherheit der Lagerung ausschlaggebend. Umlaufende Lager sind dynamisch beansprucht. Statisch beansprucht werden Lager bei sehr langsamer Relativbewegung zwischen den Lagerringen, bei Schwenkbewegungen und bei Belastungen im Stillstand. Wegen der größeren Kontaktflächen im Lager können bei gleichen äußeren Abmessungen Rollenlager höher belastet werden als Kugellager. Bei kleineren und mittleren Belastungen werden daher meist Kugellager, bei höheren Belastungen häufig Rollenlager verwendet.

Die richtige Wahl des Wälzlagers

Fast täglich steht der Konstrukteur vor der Aufgabe, Wellen zu lagern. Bereits einfache Wellen mit radialer und axialer Belastung und definierter Drehzahl stellen viele Anforderungen an die Wälzlager. Der Konstrukteur steht nun vor der Aufgabe, die Welle so zu lagern, sprich mit Wälzlagern zu unterstützen, dass die auftretenden Belastungen, die geforderten Drehzahlen und auch die Umgebungskonstruktion bzw. die Umgebungsbedingungen ein funktionierendes und zuberlässiges Wellensystem ergeben. Bei der Wahl einer Lagerart ist es nötig, vor allem folgende Umstände in Betracht zu nehmen:

  • Größe und Art der Belastung
  • Lebensdauer
  • Einbausituation und Schmierungsart des Lagers
  • Betriebsparameter des Lagers (Drehzahl, Wärmebilanz/Betriebstemperatur)
  • Umgebungsbedingungen (Schmutz, Vibrationen, …)
  • Anforderungen auf Genauigkeit
  • Wartung
  • Anforderungen auf Montage und Demontage

Die Analyse des Anwendungsfalles gibt dem Konstrukteur den Weg über die geforderten Funktionen der Lagerung hin zur Auswahl der Wälzlager mit den notwendigen Eigenschaften vor. Computer unterstützte Programme, wie das Lagerauswahl- und Beratungssystem Medias von Schaeffler, führen den Konstrukteur auf dem Weg zur optimalen und sicheren Lagerauswahl.

Es mag in einigen Fällen genügen, die Lagerung der Welle nur auf der Grundlage des Vorwissens und der Erfahrung des jeweils mit der Aufgabe betrauten Konstrukteurs festzulegen. Zu groß ist jedoch die Gefahr, eine Lagerung zu wählen, die entweder überdimensioniert und damit unwirtschaftlich ist oder den geforderten Funktionen einfach nicht genügt.

Diesen Weg zum richtigen Wälzlager stört jedoch die Vielzahl von Lagerbauarten und -baureihen. Viele Eigenschaften der Wälzlager finden sich mehr oder weniger ausgeprägt in vielen Bauformen wieder, andere notwendige Eigenschaften fehlen dagegen bei bestimmten Wälzlagern.

Lagerauswahl und Berechnung

Dipl.-Ing. (FH) Matthias Stichnoth, Spezialist Schulungs- und erfahrungsaustausch, Schaeffler: „Die Qual der Wahl erleichtern zum einen Wälzlagerspezialisten wie etwa Anwendungsingenieure im Beratungsgespräch. Aber auch computer-gestützte Lagerauswahlprogramme, wie zum Beispiel das Lagerauswahl- und Beratungssystem medias von Schaeffler ermöglichen eine fundierte Lagerauswahl.

Bauraum und Lastrichtung alleine genügen nicht, um ein Wälzlager für eine bestimmte Anwendung auszuwählen. Geforderte Lebensdauer und Einsatzbedingungen werfen viele Fragen auf, welche die Lagerauswahl entweder bestätigen oder negieren. Sind die Einflussgrößen auf die Lebensdauer des Wälzlagers bekannt, sind durch entsprechende Lagerauswahl und Optimierung der Umgebungskonstruktion Ansätze von Downsizing in der Lagerung realisierbar. Bei der Lebensdauerberechnung unterscheidet man zwischen nomineller und (erweitert) modifizierter Lebensdauer. Letztere berücksichtigt neueste Kenntnisse aus der Wälzlagertechnik und führt in vielen Fällen zu höheren Lebensdauern.“

Im Wälzlagerkatalog findet der Konstrukteur schnell mehrere Lagerbauformen, die den Anforderungen seiner Lagerung augenscheinlich entsprechen. Neben den Abmessungen der Lager findet man unterschiedliche Hinweise zu Tragzahlen, Drehzahlen und Einbau.

Dazu stellen sich z.B. die Fragen: Wie lange hält das Lager? Übernimmt es die geforderten Drehzahlen? Welche Schmierung benötigt das Wälzlager? Was nehme ich für ein Wälzlager?

Jetzt ist guter Rat ist gefragt. Der Konstrukteur lädt den Anwendungsingenieur des Wälzlagerherstellers zu einem Gespräch ein. Von Ihm erfährt er wesentlich genauer die Zusammenhänge, wie Belastung, Drehzahl, Eigenspannungen des Lagerwerkstoffs, Schmierstoff, dessen Viskosität und Sauberkeit bzw. Größe und Härte der Schmutzpartikel, die Additivierung und Umgebungsbedingungen, welche die zu erwartende Lebensdauer beeinflussen.

Neben geringer Belastung und/oder Drehzahlen erhöhen Additive im Schmierstoff und seine hohe Reinheit die Lebensdauer beträchtlich, umgekehrt bewirken hohe Belastungen und/oder Drehzahlen, sowie Verschmutzungen im Schmierstoff verstärkten Verschleiß im Lager. Liegt die Betriebsviskosität über der für das Wälzlager notwendigen Sollviskosität, unterstützt das den Schmierfilmaufbau und damit die zu erwartende Lebensdauer. Unzureichende Betriebsviskosität dagegen lässt den notwendigen Schmierfilmaufbau nicht zu, was die Lebensdauer des Lagers beeinträchtigt.

Wälzlagerauswahl und Beratung

Unter medias publiziert Schaeffler elektronische Medien für den Konstrukteur. Der medias Produktkatalog umfasst das gesamte Produktprogramm an Wälz- und Gleitlagern sowie Linearsystemen der Marken INA und FAG, einschließlich der technischen Grundlagen und ausführlichen Produktbeschreibungen. Er steht online und als CD-ROM-Version zur Verfügung.

Dipl,-Ing. (FH) Matthias Stichnoth: „Mit Bearnix haben wir eines der führenden Programme zur Berechnung von Wälzlagern und Linearführungssystemen geschaffen. Damit wird die detaillierte Analyse von Wälzlagerungen möglich – vom einzelnen Lager über umfangreiche Wellensysteme bis hin zu komplexen Getrieben. Die gesamte Berechnung erfolgt dabei in einem durchgängigen Berechnungsmodell.“

Mit dem Bearnix-online-Modul Easy Friction können sämtliche Reibkräfte an den diskreten Punkten der Kontaktflächen im Lager berechnet werden. Dabei wird die Roll- als auch Gleitreibung und zwar im Festkörper-, Misch- und Flüssigkeitsreibungsgebiet berücksichtigt. Zudem werden bei dieser Methode auch Verluste in der lastfreien Zone, Planschverluste des Schmierstoffes und Dichtungsreibungsanteile herangezogen.

Trends in der Wälzlager-Entwicklung

Nochmals höhere Anforderungen an Lebensdauer und Zuverlässigkeit bei steigendem Kostendruck: Auf diese kurze Formel kann man die aktuellen Trends bei Wälzlagern bringen. Dabei sind die Megatrends Mobilität, Energie- & Umwelttechnik und Mechatronik.

Mobilität:Martin Adelhardt, Leiter Kommunikation Schaeffler Industrie: „Doch beschränkt sich das Thema Mobilität nicht nur auf die Sparte Automotive: So ist das Unternehmen, zum Beispiel für Motorräder und Land- und Baumaschinen, einer der führenden Zulieferer und Entwicklungspartner für Lager und Präzisionskomponenten in Motor, Getriebe und Fahrwerk. Den Fahrradmarkt beliefert Schaeffler seit vielen Jahren mit einer breiten Produktpalette für konventionelle Fahrräder und E-Bikes. Darüber hinaus entwickeln wir seit über 100 Jahren Lösungen für Lageranwendungen in Schienenfahrzeugen. In der Luft- und Raumfahrt hat Schaeffler sich mit hochpräzisen Lagerungen für Triebwerke von Flugzeugen, für Hubschrauber, für die US-Raumfähre Space Shuttle und die europäische Trägerrakete Ariane einen Namen gemacht.“

Energie- & Umwelttechnik:Schaeffler hat in Schweinfurt die größte Prüfanlage für Lager von Großwindanlagen errichtet. Hier lassen sich Großlager der Rotoren mit einem Gewicht von bis zu 15 Tonnen und einem Außendurchmesser von bis zu 3,5 Metern überprüfen. Unter praxisähnlichen Bedingungen testet die Prüfanlage „Astraios“ unter anderem Reibungsverhalten, Temperaturentwicklung sowie Beanspruchung und Verformung der Rotorlagerungen. Damit können Wälzlager für Windkraftanlagen schneller und exakter als je zuvor optimiert und damit die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen erhöht werden. Der Prüfstand ist nach „Astraios“, einem Titan aus der griechischen Mythologie und Vater der vier Windgötter, benannt.

Energie- & Umwelttechnik – Mediengeschmierte Wälzlager:Dipl.-Ing. Peter Schuster, Leiter Vorentwicklung Industrie, Schaeffler: „Die Innovation besteht darin, ein Wälzlager so zu konstruieren bzw. entsprechend auszulegen, sodass es eben ohne die bisher bekannte, über Jahrzehnte praktizierte Schmierung mit Öl und Fett „überleben“ kann, das heißt den entsprechenden Kundenanforderungen standhalten kann, und das eben mit einem „Schmiermedium“ wie z. B. Wasser. Die Kunden kommen aus dem Bereich Wasserturbinenbau, Wasserturbinen für Fluss und Meer, aber auch aus dem Bereich Schiffbau-, und Pumpenbau.“

Mechatronik: Peter Schuster: „Die Mechatronik gewinnt für die Entwicklung von Wälzlagerlösungen zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglicht es, durch erhöhte Funktionalität die Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit von Maschinen weiter zu steigern. Mit der Neuentwicklung von Wälzlagern mit integrierten Sensoren und integrierter bzw. benachbarter Energieversorgung bieten wir für zahlreiche industrielle Branchen neue Lösungsansätze – beispielsweise für E-Bikes, Werkzeugmaschinen oder medizinische Geräte.“

Schaeffler zerstört 26 Tonnen Wälzlager-Plagiate

Nach einer spektakulären Aktion im Jahr 2007, bei der rund 40 Tonnen gefälschte Lager auf dem Schaeffler-Werksgelände in Schweinfurt zerstört wurden und zahlreichen weiteren Vernichtungsaktionen weltweit, sind es diesmal rund 26 Tonnen gefälschte Lager im Nominalwert von über einer Million Euro, die auf dem Gelände der Interseroh Franken Rohstoff GmbH in Schweinfurt vernichtet werden. Die Plagiate stammen zum Großteil aus Razzien bei Lager-Händlern in Europa, unter anderem aus Italien und Großbritannien.

Aber auch gefälschte Lager aus Deutschland sind dabei.

Die bei dieser Aktion verschrotteten Spindel-, Pendelrollen-, Kugel- und Nadellager stellen nur einen Teil der beschlagnahmten Fälschungen dar. Der Großteil wurde jeweils vor Ort unter Aufsicht der jeweiligen Landesbehörden entsorgt.

Neuigkeiten aus Schweinfurt

Reibungsoptimierung durch moderne Lager: Mit den FAG-Lagerbaureihen RS („Robust und Schnell“) bei Spindellagern und TR („Thermisch Robust“) bei Zylinderrollenlagern bietet Schaeffler eine Kombination von hoher Belastbarkeit und hohen Leistungsreserven zur Drehzahlsteigerung. Gleichzeitig lässt sich durch die reibungsoptimierte Innenkonstruktion die Reibleistung der Lagerung senken. Dies wird vor allem spürbar, wenn die Spindel lange mit hoher Drehzahl läuft. Die Möglichkeit, die Lagerung auch bei hohen Drehzahlen mit Fett zu schmieren, erhöht die Betriebssicherheit der Spindel und senkt die Kosten durch Entfall der Druckluft zur Versorgung der Lager mit Schmierstoff.

Schnelllaufende Axiallager für hohe Leistung und Genauigkeit: Der Einsatz schnelllaufender FAG-Axiallager der BAX-Reihe ermöglicht für die Kombination von freigestellten Axiallagern mit Zylinderrollenlagen an Hauptspindeln jetzt Drehzahlkennwerte, die bisher nur mit Spindellagern erreichbar waren. Gleichzeitig bietet diese Lagerkombination eine Trennung der axialen und radialen Belastung in der Lagerung. Da somit keine Kippmomente aufgenommen werden müssen, wird die Kinematik bei kombinierter Belastung nicht beeinträchtigt. Dies macht die Lagerung besonders robust.

Der Anwender profitiert von einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit infolge der hohen Steifigkeit. Die hohe Belastbarkeit und das gute Drehvermögen ermöglichen gute Zerspanleistungen und hohe Produktivität.

Lager für Gewindetriebe – signifikante Leistungssteigerung durch X-life-Qualität: Für absolute Positioniergenauigkeit bei höchsten Verfahrgeschwindigkeiten in Längsachsen von Werkzeugmaschinen verfügt Schaeffler über ein hochausgereiftes Produktspektrum an Axialschrägkugellagern für Gewindetriebe. Die hochdynamischen Betriebszustände bei Gewindetrieben erfordern genaue, axial und radial tragfähige, steife und reibungsarme Lagerungen. Für diesen Einsatz haben sich die montagefertigen, wartungsfreien beziehungsweise wartungsarmen, zweireihigen INA-Axial-Schrägkugellager ZKLN und ZKLF bewährt.

Diese Lager sind ab Anfang 2014 in X-life-Qualität verfügbar. Die optimierten Kontaktflächen zwischen Wälzkörper und Laufbahn sorgen für geringere Reibung im Lager und ermöglichen höhere Grenzdrehzahlen. Der Energieverbrauch und die Betriebskosten sinken.

* Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier, Co-Publisher konstruktionspraxis

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