Reibung und ihr Einfluss auf Funktion und Lebensdauer von Kugelgewindetrieben

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Dipl.-Ing. Hans Georg Hoyer

Konstruktiv bedingte Rollreibung

Die Schmiegung bestimmt neben der Größe der Kontaktfläche auch die Größe der Rollreibung. Je kleiner die Schmiegung umso größer die Gleitanteile beim Abrollen der Kugeln. Wie in Abbildung 3a dargestellt, müssen unterschiedliche Kugelumfänge die gleiche Wegstrecke zurücklegen, was rollend unmöglich ist. Deshalb gleiten kleinere Umfänge schneller als der abrollende Kugelumfang (positive Gleitgeschwindigkeit), und größere Umfänge langsamer als der abrollende Kugelumfang (negative Gleitgeschwindigkeit). Es tritt grundsätzlich bei jeder Kontaktgeometrie mit Schmiegung (auch ohne Belastung) konstruktiv bedingt Rollreibung auf. Mit zunehmender Belastung werden die Kugeln tiefer in die Laufbahnrillen gedrückt, die Gleitbereiche werden größer und die konstruktiv bedingte Rollreibung nimmt zu.

Belastungsbedingte Rollreibung

Die formstabileren Kugeln werden (wenn auch nicht sichtbar) in die glatten Laufbahnen gedrückt. Die Verformung der Laufbahn (natürlich im elastischen Bereich) führt zu einer Materialwulst (Abbildung 3b), die beim Abrollen vor jeder belasteten Kugel her „geschoben“ wird. In diesem Kontakt gleitet die Kugel zusätzlich am „Materialberg“; es entsteht die belastungsbedingte Rollreibung.

Bei Wälzlagern gibt es nur zwei Typen, die theoretisch ohne die konstruktiv bedingte Rollreibung funktionieren: Das Zylinderrollenlager bei reiner Radialbelastung und das Kegelrollenlager bei Radial- und Axialbelastung (Abbildung 4). Beim Zylinderrollenlager tritt idealerweise nur die belastungsbedingte Rollreibung auf und lediglich bei Axialbelastung kommt es je nach Ausführung des Zylinderrollenlagers zu einer zusätzlichen Bordreibung. Die Berührungstangenten am „Kontaktpunkt“ von Zylinderrolle und Laufbahnen verlaufen parallel zur Drehachse des Lagers.

Beim Kegelrollenlager treten ebenfalls nur die belastungsbedingte Rollreibung sowie die Bordreibung auf, weil sich die Berührungstangenten zwischen den Laufbahnen (Innenring und Außenring) und den Kegelrollen in der Drehachse des Lagers schneiden (Abbildung 4). D. h. die unterschiedlichen Umfänge der Kegelrolle rollen auf entsprechenden Umfängen der Laufbahnen von Außen- und Innenring ohne Gleitanteil ab.

Konstruktiv bedingte Rollreibung tritt bei beiden Lagertypen nicht auf.

Konstruktiv bedingte Bohrreibung

In Rillenkugellagern treten bei reiner Radialbelastung sowohl die konstruktiv als auch die belastungsbedingte Rollreibung auf. Die Berührungstangenten zwischen Kugeln und Laufbahnen verlaufen parallel zur Lagerachse.

Bei Axialbelastung eines Rillenkugellagers entsteht durch axialen Versatz zwischen Außen- und Innenring ein Betriebsdruckwinkel α. Die Berührungstangenten verlaufen im rechten Winkel zum Betriebsdruckwinkel parallel zueinander und schneiden die Lagerachse in zwei Punkten. Beim Abrollen um die Lagerachse kommt es zur Bohrbewegung/Bohrreibung der Kugeln.

Bei Schrägkugellagern tritt diese Bohrbewegung/Bohrreibung grundsätzlich auf, da hier der Druckwinkel α bereits konstruktiv bedingt vorhanden ist. Beim Abrollen des Lagers drehen sich die Kugeln zum einen um sich selbst (Bohrbewegung) und gleichzeitig natürlich um die Drehachse des Lagers (Abbildung 5a).

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