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Wälzlager Wie mehrreihige Lagereinheiten funktionieren

| Autor/ Redakteur: Constantin Florin / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Mehrreihige Lagereinheiten aus einreihigen Kegelrollenlagern mit Zwischenringen in Tandemanordnung – was diese Komponenten ausmacht, erklären die Experten von Timken. Denn sie haben diese Lagereinheiten entwickelt.

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2TS-TM Lagereinheit mit Zwischenringen in Tandemanordnung.
2TS-TM Lagereinheit mit Zwischenringen in Tandemanordnung.
(Bild: The Timken Company)

Schon seit Jahrhunderten folgen die Menschen dem olympischen Motto „Citius, Altius, Fortius” – schneller, höher, stärker, um sich neuen Herausforderungen zu stellen und mehr zu erreichen. Konfrontiert mit immer komplexeren Anforderungen und einem anspruchsvollen wirtschaftlichen Umfeld, weist die industrielle Entwicklung unter ökonomischem Druck seit Jahrzehnten die gleiche Tendenz auf.

Übersetzt in die Wälzlagersprache besteht die Herausforderung darin, höhere Geschwindigkeiten, höhere Qualität und höhere Belastbarkeit zu erzeugen. Extruder-Anwendungen beispielsweise erfordern eine zuverlässige Lagerlösung mit kleinen Bohrungen und geringem Lageraußendurchmesser angesichts hoher Axiallasten bei begrenztem Platz.

Mit einer Lagereinheit aus einreihigen Kegelrollenlagern mit Zwischenringen in Tandemanordnung hat Timken eine Lösung für solche Herausforderungen entwickelt. Die Idee dazu stammte zunächst aus Erfahrungen und Erkenntnissen, die aus dem 2TS-TM-Lager (einreihige Kegelrollenlagereinheit in Tandemanordnung, Bild 1) gewonnen wurden. Hierbei handelt es sich um grundlegende Anordnungen für Lagereinheiten mit Zwischenringen, die bereits erfolgreich bei Anwendungen wie hydrostatischen Axialkolbenpumpen und -motoren angewendet werden, bei denen erhebliche Druckbelastungen vorhanden sind.

Wann lohnt sich der Einsatz mehrreihiger Wälzlager?

Die mehrreihige Anordnung der Kegelrollenlager ist eine Weiterentwicklung der Tandemanordnung, bei der zusätzliche Lagerreihen zum Einsatz kommen. Sie kann in Situationen eingesetzt werden, in denen klassische Axiallager nicht geeignet sind – zum Beispiel bei höheren Axiallasten und strengen Lagerraumbegrenzungen. Die Herausforderung für die Lagereinheit besteht in der gleichmäßigen Verteilung der Axiallast auf die entsprechende Anzahl von Lagerreihen.

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In einem vereinfachten Ansatz wirken die Zwischenringe wie einfache Federn mit einer charakteristischen Steifigkeit in Axialrichtung, die vom Wert des Elastizitätsmoduls und dem Verhältnis ihrer Schnittfläche zur Länge abhängig ist.

Die Lager und die Federn bilden eine Baugruppe, die eine komplexe Steifigkeit besitzt. Daraus folgt bei Linienberührung in allen Schleifen für Innen- und Außenringzwischenringe, dass die Last ungleichmäßig auf die Lagerreihen verteilt wird – und die erste und die letzte Lagerreihe am stärksten belastet werden.

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Auslegung und Berechnung der mehrreihigen Wälzlager

Wenn die berechnete Lebensdauer die vom Kunden gewünschte Ziellebensdauer überschreitet, kann die Anwendung als angemessen ausgelegt betrachtet und die Berechnung an diesem Punkt beendet werden. Als Bezugsgröße kann die berechnete Lebensdauer des gesamten Lagersystems oder die berechnete Lebensdauer jeder einzelnen Lagerreihe verwendet werden, falls sich der Kunde dafür entscheidet, nur das ausgefallene Lager in der Baugruppe zu ersetzen.

Für Fälle, in denen die Anwendung jedoch eine längere Lebensdauer erfordert, hat Timken zwei zusätzliche Berechnungen zur Bestimmung der Wirksamkeit der mehrreihigen Kegelrollenlagereinheit entwickelt.

Methode 1: Diese, basierend auf identischen Innen- und Außenringzwischenringen (gemäß Bild 1), löst das Problem der ungleichmäßigen Verteilung der Last auf die Reihen durch eine individuelle Axialeinstellung (Axialspiel oder Vorspannung) für jedes von zwei benachbarten Lagern einer Schleife. Der Sollwert richtet sich nach der Last, der Lagerreihe, der Schleifenposition und der Steifigkeit des Zwischenrings. Die Methode wird vor allem dann angewendet, wenn die Axiallast einen eindeutigen Wert hat.

Die Vorteile sind Einfachheit und die einheitliche Konstruktion der Abstandhalter. Der einzige Nachteil besteht im Vorhandensein eines Lastzyklus, da die Lager nur auf einen Betriebszustand eingestellt sind. In der Praxis wird dieser Nachteil überwunden, indem die Lageranordnung für den höchsten Lastzustand des Zyklus ausgelegt wird. In diesem Fall wird die größte Last gleichmäßig auf die Reihen verteilt. In anderen Zuständen werden die Reihen ungleich belastet; da die Gesamtlast jedoch kleiner ist, ist die spezifische Last auf jede Reihe meist zulässig.

Die Belastung kann mithilfe der Berechnung der gewichteten Lagerlebensdauer und schließlich durch Auswerten der Kontaktspannung zwischen Wälzkörper und Laufbahn geprüft und die Anwendung durch Hinzufügen einer zusätzlichen Lagerreihe optimiert werden.

Methode 2: Diese besteht aus der Berechnung eines Verhältnisses zwischen dem Innen- und dem Außenringzwischenring innerhalb einer Schleife in Abhängigkeit von der Anzahl der Lagerreihen und der Schleifenposition.

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist die Unabhängigkeit von der Last oder Einstellung. Die zweite Lösung erfordert jedoch spezifische Zwischenringe für jede Reihe: eine Herausforderung an die Konstruktion, wenn es sich um eine große Anzahl von Lagerreihen handelt.

Wälzlager auslegen mit Berechnungsprogramm Syber

Timken verwendet sein eigenes Berechnungsprogramm Syber für die Validierung der mehrreihigen Anordnung – insbesondere zur Überprüfung der Lastverteilung, Berechnung der Lebensdauer und Stressprüfung. Das Tool wird täglich von Timken-Ingenieuren in der Anwendungsberechnung für Analysen und Berechnungen komplexer Lageranordnungen und -kombinationen verwendet.

Um sich den Bedingungen der Praxis so nahe wie möglich anzunähern, reicht die Bandbreite der Belastbarkeitsberechnungen von einfach bis komplex. Diese Berechnungen können mit einer einfachen Katalogberechnung der Nennwerte der Kegelrollenlageranordnung beginnen (Auswahl eines einzelnen Kegelrollenlagers basierend auf der Lagerbelastung, verfügbarer Geometrie, Berechnung der Reihen und Ziellebensdauer) und reichen bis zu komplexen Syber-Modellierungen einschließlich Welle, Gehäuse, Lagern und allen anderen notwendigen Parametern wie Steifigkeit der Zwischenringe, spezifische Einstellungen, Passung, Temperaturen, Schmierungsdaten usw. Der Anwender erhält alle Einzelheiten der Berechnung für jede Reihe, einschließlich Lastzone, Lebensdauer, Last, Wälzkörperkontaktspannungen und vieles mehr.

Welche Branchen fordern mehrreihige Kegelrollenlager?

Die Timken-Experten haben die Erfahrung gemacht, dass durch gegenwärtige Marktentwicklungen auf den Gebieten der Öl- und Gasförderung, der Primärmetalle ebenso wie in der Aggregate- und Mobilindustrie das Interesse an mehrreihigen Kegelrollenlagereinheiten zunimmt. Timken will daher eine vielfältig einsetzbare Lösung bieten, die in diesen Anwendungen vermehrt Einsatz finden kann.

* Constantin Florin ist Principal Application Engineer bei Timken.

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