Technik kurz erklärt Die Entwicklung des Wälzlagers

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In unserer Serie „Technik kurz erklärt“ stellen wir regelmäßig Meisterwerke der Konstruktion und besondere Entwicklungen vor. Heute: das Wälzlager – ein unscheinbares Maschinenelement, ohne das der moderne Maschinen- und Anlagenbau kaum denkbar wäre.

Wälzlager führen rotierende Wellen, übertragen Kräfte zwischen Welle und Gehäuse und verringern dabei die Reibung. Sie finden sich in vielen Maschinen und Anlagen, beispielsweise an Elektromotoren, Getrieben und Pumpen. Die Geschichte der Wälzlager reicht von einfachen Holzrollen bis zu hochpräzisen, sensorüberwachten Komponenten für automatisierte Maschinen.

Vom Rollen unter Last zum Wälzlager

Das Grundprinzip ist einfach: Eine Last lässt sich leichter bewegen, wenn sie nicht über eine Fläche gleitet, sondern auf Rollen oder Kugeln abläuft. Bereits die Baumeister des Altertums nutzten Holzstämme, um schwere Steine und Bauteile zu transportieren. 

Ein früher Vorläufer eines Kugellagers wurde in einem römischen Schiffswrack im italienischen Nemisee gefunden. Eine hölzerne Konstruktion mit Kugeln ermöglichte vermutlich die Drehung einer Plattform. 

Auch Leonardo da Vinci beschäftigte sich im 15. und 16. Jahrhundert mit der Reibung. In seinen Aufzeichnungen finden sich Skizzen von Kugeln zwischen Laufbahnen sowie erste Ansätze für einen Käfig, der die Wälzkörper voneinander trennt. Die Kugeln wurden damals aus Holz gefertigt und waren aus heutiger Sicht nicht gerade langlebig. Trotzdem etablierte sich das Konzept der Wälzlager bis Ende des 16. Jahrhunderts in der Industrie. Nach und nach wurde die Technik weiterentwickelt und neue Anwendungsbereiche erschlossen. Wichtige Einsatzgebiete waren in dieser Zeit Fuhrwerke, Kutschen und Mühlen. 

Das erste patentierte Kugellager

Einen wichtigen Schritt machte der walisische Eisenschmied Philip Vaughan. Er erhielt 1794 das britische Patent Nummer 2006 für eine verbesserte Lagerung von Wagenachsen. In seiner Konstruktion liefen Eisenkugeln in Nuten zwischen Achse und Lagergehäuse. 

Die gegossenen Eisenkugeln waren deutlich haltbarer als Holzkugeln, allerdings fehlte es ihnen noch an Präzision. Auch ein moderner Kugelkäfig war noch nicht vorhanden. Die Kugeln konnten sich berühren und ihre Lage im Lager verändern. Für eine zuverlässige Serienfertigung fehlte in dieser Zeit die Möglichkeit, viele Kugeln mit identischem Durchmesser und hoher Rundheit herzustellen.

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Friedrich Fischer bringt die Kugel in Form

Ein wichtiger Fortschritt gelang 1883 dem Schweinfurter Ingenieur Friedrich Fischer. Er entwickelte die sogenannte Kugelmühle, mit der sich gehärtete Stahlkugeln wirtschaftlich schleifen und auf einheitliche Maße bringen ließen.

Diese Entwicklung veränderte die Lagertechnik grundlegend. Denn ein Wälzlager funktioniert nur dann zuverlässig, wenn die Wälzkörper nahezu gleich groß sind. Schon geringe Maßabweichungen führen zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung. Einzelne Kugeln werden dann überlastet, während andere kaum tragen.

Fischers Kugelschleifmaschine schuf die Voraussetzungen für eine industrielle Fertigung. Aus seinem Unternehmen ging der Lagerhersteller FAG hervor, der später von Schaeffler gekauft wurde. Die präzisen Stahlkugeln wurden zunächst in Fahrrädern und anderen Fahrzeugen sowie Maschinen verwendet. Mit der Verbreitung von Fahrrad, Eisenbahn, Automobil und elektrischen Antrieben wuchs der Bedarf an leistungsfähigen Lagern rasch. 

Weitere Patente aus den folgenden Jahren zeigen den Bedarf an reibungsarmer Bewegung und den Fortschritt der Technik. So meldete 1898 Henry Timken in den USA ein Patent für das Kegelrollenlager an. Ein Jahr später gründete er die Timken Roller Bearing Company (heute: Timken Company).

Der Durchbruch mit dem Pendelkugellager

Ein grundlegendes Problem früher starrer Wälzlager waren Fluchtungsfehler. Fertigungs- und Montagetoleranzen führten dazu, dass Welle, Lager und Gehäuse in der Praxis nicht immer exakt fluchteten. Außerdem können sich Wellen unter Last durchbiegen. Ein starres Lager verkantet dann. Die Last verteilt sich nicht mehr gleichmäßig über die Wälzkörper und die Lebensdauer sinkt.

Der schwedische Ingenieur Sven Wingquist entwickelte dafür eine Lösung: 1907 meldete er ein zweireihiges Pendelkugellager zum Patent an. Die äußere Laufbahn für die zwei Kugelreihen ist hohlkugelig ausgeführt. Es kann begrenzte Fluchtungsfehler zwischen Welle und Gehäuse ausgleichen. Dadurch ist es weniger empfindlich gegenüber Schiefstellungen, die etwa durch Wellendurchbiegungen verursacht werden.

Im selben Jahr wurde in Göteborg die Svenska Kullagerfabriken gegründet, kurz SKF. Wingquists Pendelkugellager machten das Unternehmen international bekannt. Sie waren besonders für Textilmaschinen wichtig, bei denen lange Wellen und große Abstände zwischen den Lagern häufig zu Ausrichtfehlern führten.

Die Konstruktion markiert einen Wendepunkt in der Geschichte des Wälzlagers: Aus einem empfindlichen Präzisionsteil wurde ein robustes Maschinenelement, das auch unter ungünstigen Einbauverhältnissen zuverlässig arbeitet. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden eine Reihe von Wälzlagerherstellen gegründet. Die von ihnen gefertigten Präzisionsbauteile verbreiteten sich rasch weltweit.

Vielfalt von Wälzlager-Bauformen entsteht

Im Laufe der Zeit entstand eine Vielzahl von Wälzlagervarianten. Der auffälligste, aber bei weitem nicht einzige Unterschied liegt in den Wälzkörpern: Kugeln haben nur einen kleinen Kontaktbereich zur Laufbahn. Das reduziert die Reibung und ermöglicht hohe Drehzahlen. Rollen besitzen dagegen eine größere Kontaktfläche. Sie können deshalb höhere Radialkräfte aufnehmen. Je nach Gestalt werden sie als Zylinder-, Tonnen-, Kegel-, Pendel-, Nadel- oder Toroidalrollen bezeichnet. Die Wahl der Bauform hängt unter anderem von Radial- und Axialkräften, Belastungsrichtung, Drehzahl, Bauraum, Steifigkeit, Schmierung und Umgebungsbedingungen ab, beispielsweise: 

• Rillenkugellager sind universell einsetzbaren Lager, die überwiegend radiale und begrenzte axiale Kräfte aufnehmen und sich für hohe Drehzahlen eignen.
• Schrägkugellager übertragen kombinierte Radial- und Axialkräfte. Mehrere Lager lassen sich paarweise anordnen, um die axiale Steifigkeit zu erhöhen.
• Zylinderrollenlager bieten eine hohe radiale Tragfähigkeit. Je nach Ausführung können sie zusätzlich axiale Verschiebungen der Welle zulassen.
• Kegelrollenlager übertragen gleichzeitig radiale und axiale Kräfte. Sie kommen unter anderem in Fahrzeugradlagern und Getrieben zum Einsatz.
• Nadellager verwenden besonders schlanke Rollen. Sie erreichen eine hohe Tragfähigkeit bei geringer radialer Bauhöhe.
• Pendelrollenlager sind für hohe Belastungen ausgelegt und gleichen begrenzte Fluchtungsfehler aus, ähnlich wie Pendelkugellager.
• Drahtwälzlager entwickelte Erich Franke auf Basis des Konstruktionsprinzips von Kreuzrollenlagern. Die Wälzkörper laufen auf in die Umgebungsstruktur eingelegte Drähte. Dies ermöglicht besonders platzsparende Drehverbindungen. 

Neue Werkstoffe für Wälzlager

Moderne Wälzlager bestehen überwiegend aus hochreinen, gehärteten Chrom- oder Einsatzstählen. Wärmebehandlungen verbessern Härte, Zähigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Für spezielle Anwendungen gibt es Wälzlager, die zum Teil oder komplett aus Keramik, Glas, rostfreiem Stahl oder Kunststoff bestehen. 

Mechanik

Neuigkeiten aus der Antriebstechnik im Überblick

Isolierende Schichten auf den Ringen vermindern Schäden, die durch Stromdurchgang entstehen, beispielsweise beim Einsatz an Frequenzumrichtern. Noch einen Schritt weiter gehen Hybridlager: Deren Ringe bestehen aus Stahl, aber die Wälzkörper sind aus isolierender Keramik gefertigt, in der Regel Siliziumnitrid oder Zirkonoxid. Keramikkugeln haben noch weitere Vorteile: Sie sind leichter und haltbarer als Stahlkugeln. Aber da sie schwerer zu bearbeiten sind, haben diese Wälzlager auch einen etwas höheren Preis.

Lagertechnik-Forschung

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Das Wälzlager wird intelligent

Lange Zeit lieferten Wälzlager keine Daten zu ihrem Zustand. Ende der 1980er-Jahre kamen erste Sensorlager auf. Anfangs wurden sie für ABS-Systeme im Automotivebereich und für Schienenfahrzeuge eingesetzt. Später kamen Sensorlager für die Zustandsüberwachung industrieller Maschinen hinzu. Sie messen in der Regel Temperatur und Schwingungen. Aus diesen Signalen lassen sich charakteristische Fehlerfrequenzen ableiten, die auf Verschleiß hindeuten. 

Wälzlager

Neue Toroidalrollenlager machen Papiermaschinen effizienter 

In Verbindung mit Anlagensteuerung und Datenanalyse wird so eine zustandsorientierte Instandhaltung möglich: Ein Lager wird nicht mehr nach festen Zeitintervallen gewechselt, sondern die Wartung erfolgt dann, wenn Messdaten tatsächlich auf einen beginnenden Schaden hinweisen. Diese Praxis reduziert ungeplante Stillstände und verhindert, dass noch funktionsfähige Komponenten ausgetauscht werden. Solche Überwachungssysteme sind beispielsweise für Schienenfahrzeuge bereits erhältlich.

Wälzlager 

Wirtschaftliche Alternativen zu Premium-Pendelrollenlagern

Vom einfachen Maschinenelement zur Systemkomponente

Heute bestimmen Wälzlager maßgeblich die Effizienz, Geräuschentwicklung, Genauigkeit und Lebensdauer vieler Maschinen mit. Deshalb arbeiten Forschung und Industrie weiter daran, die Bauteile leistungsfähiger und nachhaltiger zu machen. Ausgehend von Holzrollen- und -kugeln zur Reibungsreduktion entstanden Präzisionselemente für vernetzte Maschinen und Anlagen.