Definition Was ist ein Wälzlager?

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Wälzlager ermöglichen durch eine Rollenbewegung von Wälzkörpern Drehbewegungen und damit Lastübertragungen mit minimaler Reibung. Wie setzt sich ein Wälzlager zusammen und wie funktioniert es generell? Ein Überblick über eine facettenreiche Technologie.

Der Begriff „Wälzlager“ steht in diesem Zusammenhang als Sammelbegriff oder Oberbegriff für alle Lager, bei denen Wälzkörper eine Wälzbewegung vollziehen und hierbei die Belastung zwischen zwei gegenläufige Flächen übertragen.

Aus welchen Bestandteilen besteht ein Wälzlager?

Ein Wälzlager besteht im Wesentlichen aus einem Innenring, einem Außenring, einem Käfig und sogenannte Wälzkörper. Die Wälzkörper bewegen sich als wesentliche Bestandteile eines Wälzlagers hierbei auf einer Lagerlaufbahn und sind von einem Käfig umfasst.

Prinzipiell kann hinsichtlich der Konstruktion und Montage unterschieden werden zwischen:

• selbsthaltenden Wälzlagern, die als komplette Einheit gefertigt und montiert werden. Sie benötigen keine zusätzliche Einstellung oder Vorspannung.

• nicht selbsthaltenden Wälzlagern, die aus separaten Komponenten bestehen. Diese müssen bei der Montage getrennt eingebaut und eingestellt werden, um ein korrektes Lagerspiel zu erhalten. Solche Lager erfordern eine Vorspannung, damit Spiel vermieden und die Steifigkeit erhöht wird.

Wo werden Wälzlager eingesetzt?

Als Maschinenelement stellen Wälzlager eine bewegliche Verbindung zwischen zwei Komponenten her, zum Beispiel Welle und Gehäuse, und erlauben hierbei im Vergleich zu Gleitlagern Lastübertragungen mit geringster Reibung. Sie sind in der Lage, radiale, axiale und auch kombinierte Kräfte aufzunehmen. Sie werden beispielsweise eingesetzt in

• Werkzeugmaschinen

• Robotern (beispielsweise in Präzisions- und Untersetzungsgetrieben)

• in der Fördertechnik

• in Pumpen

• Kompressoren

• Fahrzeugen (etwa Radlager und Getriebe)

• Schiffsschrauben

• Flugzeugtriebwerken

• Helikoptern

• Windkraftanlagen

• sowie in Produkten des alltäglichen Bedarfs wie elektrische Zahnbürsten.

Da Wälzlager in der Regel in ihren Abmessungen standardisiert sind, lassen sie sich mit vergleichsweise geringem Aufwand warten und austauschen.

Wie funktioniert ein Wälzlager?

Wie bereits weiter oben erwähnt, setzt sich ein Wälzlager aus den Komponenten Innenring, Außenring, einem Käfig und Wälzkörpern zusammen. Der Innenring ist meist auf einer Welle oder Achse und der Außenring im Gehäuse montiert. Die Innenseite des Außenrings und die Außenseite des Innenrings bilden die Lagerlaufbahn, in der sich die Wälzkörper befinden. Die Wälzkörper drehen sich um ihre eigene Achse und bewegen sich hierbei auf der Laufbahnoberfläche. Als zentrale Komponente stellt der Käfig sicher, dass die Wälzkörper bei stets gleichem Abstand zueinander im Lager geführt werden, um den Innen- und Außenring bei minimaler Reibung zu bewegen. Damit die Reibung gering ist und das Lager nicht verschleißt, müssen die Lagerlaufbahnen an der Innenseite des Außenrings und an der Außenseite des Innenrings geschmiert werden.

Welche Hauptarten von Wälzlagern gibt es?

Grundsätzlich lassen sich Wälzlager in

• Kugellager und

• Rollenlager

einteilen, die entweder einen Punkt- oder Linienkontakt ermöglichen.

– Kugellager

Kugellager haben kugelförmige Wälzkörper, die einen Punktkontakt zu den Lagerlaufbahnen herstellen. Die Wälzkörper berühren somit nur eine sehr kleine Fläche der Lagerlaufbahnen. Zu den Kugellagern zählen u.a.:

• Rillenkugellager – Rillenkugellager gehören gewissermaßen zu den Klassikern unter den Wälzlagern, da sie sehr vielseitig einsetzbar sind. Die Kugellager verfügen über tiefe Laufbahnen (Rillen), in denen sich die Wälzkörper bewegen. Rillenkugellager eignen sich zur Aufnahme sowohl von mittleren radialen und axialen Kräften und werden bevorzugt in kleine und mittlere Elektromotoren eingesetzt.

• Schrägkugellager – Schrägkugellager zeichnen sich durch gering zueinander versetzte Innen- und Außenlaufbahnen aus, sodass sich die Wälzkörper in einem gewissen Winkel zueinander bewegen. Hierdurch können die Lager ebenfalls axiale als auch radiale Kräfte aufnehmen. Je größer der Druckwinkel, desto höher ist die axiale Belastbarkeit. Schrägkugellager sind in einreihiger und zweireihiger Bauform erhältlich. Einreihige Schrägkugellager können axiale Kräfte nur in eine Richtung aufnehmen, zweireihige Schrägkugellager indes in beide Richtungen. Durch eine Vorspannung lassen sich Schrägkugellager an eine Anwendung anpassen, um Lagerspiel zu vermeiden und die Lagersteifigkeit zu erhöhen.

• Pendelkugellager – Pendelkugellager sind zweireihige Wälzlager und setzten sich aus einem Innenring mit zwei Kugellaufbahnen und einem Außenring zusammen. Die Laufbahn des Außenrings hat die Form einer Hohlkugel und stimmt mit dem Krümmungswinkel des Wälzlagers überein. Pendelkugellager werden bevorzugt dort eingesetzt, wo eine Welle und ein Gehäuse nicht optimal zueinander ausgerichtet sind. Der Winkel von Pendelkugellager lässt sich einstellen und somit Wellendurchbiegungen, Schiefstellungen oder Winkelfehler ausgleichen.

– Rollenlager

Rollenlager besitzen kegelförmige, zylindrische oder tonnenförmige Wälzkörper, die für einen linienförmigen Kontakt zu den Laufbahnen von Innen- und Außenring sorgen.

Typische Rollenlager sind z. B.:

• Zylinderrollenlager – Zylinderrollenlager können radial hoch belastet werden und eignen sich trotz Linienkontakt der Wälzkörper für hohe Drehzahlen. Die Wälzkörper bzw. Rollen werden in einem der beiden Lagerringe zwischen festen Borden (Kanten am Innen- und Außenring des Wälzlagers zur Führung der Wälzkörper und Übertragung axialer Lasten) geführt und sind durch den Käfig mit dem jeweiligen Ring zu einer Einheit verbunden. Somit kann einer der beiden Lagerringe abgezogen werden, um die Ringe getrennt zu montieren.

• Kegelrollenlager – Kegelrollenlager sind linienführende Rollenlager, deren Wälzkörper kegelförmig angeordnet sind. Innen- und Außenring sowie die Wälzkörper sind somit derart angeordnet, dass deren Kegelfluchtpunkte einen gemeinsamen Schnittpunkt haben. Diese Anordnung führt zu einer Axialkraft, bei der die Wälzkörper theoretisch ohne Gleitreibungsanteile abrollen. Bevorzugte Einsatzbereiche dieser Lager sind z. B. hochbelastete Industriegetriebe, der Schiffsbau sowie Land- und Baumaschinen.

• Pendelrollenlager – Pendelrollenlager haben sphärisch geschliffene Laufbahnen, sodass die Wälzkörperreihen in der Lage sind, um die Rotationsachse zu pendeln. Die tonnenförmigen Wälzkörper können also durch ihre zur Drehachse des Wälzlagers geneigten Achse ausschwenken (sind demnach winkelbeweglich), sodass Pendelrollenlager Wellendurchbiegungen, Fluchtungsfehler und Schiefstellungen ausgleichen. Darüber hinaus sind sie in der Lage, sehr hohe axiale und radiale Kräfte aufzunehmen, was sie für Einsätze in sehr großen Maschinen wie z. B. in Windkraftanlagen (Hauptrotorlager) oder Schiffschrauben prädestiniert.

• Nadellager – Nadellager sind besonders kompakte Bauformen von Wälzlagern deren Wälzkörper im Verhältnis zum Durchmesser der zylindrischen Rollen relativ lang sind. Die Wälzkörper werden daher auch als Nadeln oder Nadelrollen bezeichnet. Nadellager eignen sich insbesondere für Einsätze mit begrenztem Platzangebot, bei denen mitunter hohe radiale Kräfte aufgenommen werden müssen.

Was sind die Vor- und Nachteile von Kugel- und Rollenlagern?

Kugellager eignen sich insbesondere für Applikationen mit hohen Drehzahlen. Aufgrund ihrer Bauweise mit kugelförmigen Wälzkörpern und somit einem Punktkontakt zu den Laufbahnen ermöglichen sie einen äußerst reibungsarmen Betrieb. Zu den am häufigsten verwendeten Kugellagern gehören Rillenkugellager, weil sie radiale und auch axiale Kräfte aufnehmen können. Ebenfalls weit verbreitet sind Kugellagervarianten wie Schrägkugellager und Pendelkugellager. Insgesamt sind Kugellager in einer Vielzahl an Maschinen und Geräten die erste Wahl, wenn eine gleichermaßen präzise und zuverlässige Lagerung von rotierenden Teilen erforderlich ist.

Rollenlager können aufgrund des Linienkontaktes zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen höhere radiale und axiale Belastungen aufnehmen als Kugellager mit Punktkontakt. Sie empfehlen sich daher eher für Anwendungen, in denen sehr hohe Lasten auf die Lager einwirken. Darüber hinaus sind Rollenlager im Vergleich zu Kugellager unempfindlicher gegenüber Stößen, Vibrationen und Schwingungen. Bestimmte Rollenlagertypen wie Zylinderrollenlager können zudem Wellendehnungen ausgleichen, wozu Kugellager nicht in der Lage sind. Allerdings geht die robuste Bauweise und die Fähigkeit zur Aufnahme hoher Traglasten bei Rollenlagern auf Kosten einer höheren Reibung der Wälzkörper auf den Laufbahnen von Innen- und Außenring, wodurch sie eher für Einsätze mit geringeren Drehzahlen geeignet sind. Aufgrund ihrer eher komplexeren Bauweise sind Rollenlager überdies im Vergleich zu Kugellager schwieriger zu montieren sowie demontieren und verfügen über eine geringere Führungsgenauigkeit.

Welche Faktoren sind bei der Auswahl von Wälzlagern relevant?

Wie so oft hängt die Auswahl eines Wälzlagers von den spezifischen Anforderungen einer Anwendung ab und erfordert eine sorgfältige Abwägung zwischen den Vor- und Nachteilen der verschiedenen Lagertypen. Folgende Faktoren sind vor diesem Hintergrund bei der Auswahl eines Wälzlagers relevant :

• Platzverhältnisse

• Belastung

• Schiefstellung

• Genauigkeit

• Drehzahl

• Geräuscharmer Lauf

• Steifigkeit

• Axiale Verschiebbarkeit

• Ein- und Ausbau

• Abdichtung

Wer hat´s erfunden?

Die Quellen sind sich nicht durchgängig einig, wer das Wälzlager erfunden hat. Bereits zirka 2.500 vor Christus transportierten die Ägypter schwere Lasten auf Gleitkufen über weite Strecken. Später wurden zwischen der Transportfläche für die Lasten und den Kufen längliche Rollen aus Holz gelegt. Man könnte also sagen, dass es sich hierbei um das erste Rollenlager handelte.

Als Erfinder des ersten Kugellagers wird Leonardo da Vinci genannt. Die Wälzkörper bestanden aus Holz und unterlagen je nach Belastung einem größeren Verschleiß.

Das erste Patent für ein Kugellager erhielt 1794 der walisische Erfinder Philip Vaughan. In seiner Patentschrift beschrieb er, wie Eisenkugeln zwischen einem Rad und der Achse eines Wagens zu platzieren sind, damit sich die Wagenräder mit verringerter Reibung frei drehen können.

Im Zusammenhang mit dem ersten Radialkugellager steht der Pariser Fahrradmechaniker Jules Suiray, der das Lager 1869 entwickelte. Der englische Rennradler James Moore gewann mit einem Fahrrad, das diese Radiallager verwendete, das erste Paris-Rouen-Rennen.

Als ein Erfinder auf dem Gebiet der Kugel- und Kugellagertechnik wird zudem Friedrich Fischer genannt, der 1896 die „Erste Automatische Gußstahlkugelfabrik Friedrich Fischer AG“, später FAG Kugelfischer, gründete.

Anbieter von Wälzlagern

• AWT

• Blis Kugelgewindetriebe

• C&U Europe Holding

• Findling Wälzlager

• Franke

• Frika

• Fröhlich & Dörken

• GMN Paul Müller Industrie

• Hecht Kugellager

• HQW Precision

• HWG Horst Weidner

• IBC Wälzlager

• Interprecise Donath

• IST Europe

• Karl Diederichs

• KIS Antriebstechnik

• Kugel- und Rollenlagerwerk Leipzig

• NTN Wälzlager

• Norelem Normelemente

• Rodriguez

• Schaeffler

• SKF

• Timken

• Tyrolit

• Zanuso Kugellager

Bei der Aufzählung handelt es sich um einen Auszug ohne Anspruch auf Vollständigkeit.

Quellen

Wikipedia; Wälzlagerwissen.de; KRW; Tameson; Torwegge; konstruktionspraxis; Evolution; RS; Zahnriemen24; Lamb; Wälzlagertechnik; KBS Wälzlager Deutschland; SKF

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