Schrägkugellager Wie sich der Berührungswinkel in Schrägkugellagern auswirkt

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Schrägkugellager mit einem Berührungswinkel von 25° statt der üblichen 40° bieten die Möglichkeit, sehr einfach asymmetrische Lagersätze zu realisieren, die einige Vorteile in verschiedenen Anwendungen bieten.

Jedes Wälzlager besitzt einen Berührungswinkel, über den die Kräfte innerhalb des Lagers übertragen werden. Der einfachste Fall ist ein Rillenkugellager: Dort beträgt der Berührungswinkel bei rein radialen Lasten 0°. Im Vergleich dazu hat ein Schrägkugellager immer einen Berührungswinkel, der größer als 0° ist.

Je größer dieser Berührungswinkel ist, desto höher ist die axiale Tragfähigkeit des Wälzlagers. Im Extremfall liegt ein Berührungswinkel von 90° vor; dann handelt es sich um ein reines Axiallager. Schrägkugellager bewegen sich also zwischen reinen Radial- und Axiallagern. Entsprechend gut können sie kombinierte Radial- und Axiallasten aufnehmen.

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SKF bietet im Bereich der einreihigen Schrägkugellager mit Messingkäfig ein erweitertes Sortiment an, das einen kleineren Berührungswinkel als die üblichen 40° aufweist. Durch den geringeren Berührungswinkel sinkt zwar die axiale Tragfähigkeit ein wenig; doch dafür ergeben sich andere Vorteile: Beispielsweise können damit unter gewissen Voraussetzungen um bis zu 20 % höhere Drehzahlen erreicht werden als mit einem 40°-Berührungswinkel. Dazu tragen unter anderem die günstigeren kinematischen Verhältnisse im Lager bei, die den Gleitanteil minimieren und dadurch weniger Wärme entwickeln. Außerdem sorgt der kleinere Berührungswinkel für eine höhere radiale Steifigkeit, was in überwiegend radial belasteten Anwendungen vorteilhaft ist.

Schrägkugellager mit optimiertem Messingkäfig

Abgesehen davon hat SKF sowohl für die 25°- als auch die 40°-Varianten den Messingkäfig optimiert: Durch sein festeres Material und seine verbesserte Form ist der Käfig nun noch robuster und erlaubt zudem höhere Drehzahlen als zuvor. Trotz dieser Leistungssteigerungen nimmt der Käfig weniger Raum ein als sein Vorgänger, sodass mehr Volumen für den Schmierstoff zur Verfügung steht – und das ermöglicht längere Schmierintervalle. Hinzu kommt, dass die Schwingungs- und Geräuschpegel mit dem neuen Messingkäfig um 15 % niedriger ausfallen.

Häufige Einsatzgebiete von Schrägkugellagern sind Pumpen, Kompressoren oder auch Elektromotoren. In solchen Anwendungen werden einreihige Schrägkugellager in der Regel mindestens paarweise verbaut. Denn wenn ein Schrägkugellager rein axial bzw. rein radial belastet wird, entsteht durch den Berührungswinkel auch immer eine entsprechende Radial- bzw. Axialkraft. Axialkräfte können von einem einzelnen Lager aufgrund der Bauform aber nur in einer Richtung aufgenommen werden. Wird es in der entgegengesetzten Richtung belastet, kann es zerstört werden.

Da in den meisten Fällen Axialkräfte aus beiden Richtungen auftreten, müssen die entgegengesetzten Kräfte von einem Gegenlager aufgenommen werden. Die einfachste Form eines gepaarten Lagers ist das zweireihige Schrägkugellager mit fixer „O-Anordnung“. Einzelne Universal-Schrägkugellager können aber auch unterschiedlich miteinander kombiniert werden – sowohl in O- als auch in X-Anordnung.

Schrägkugellager paarweise verbaut

Werden Schrägkugellager paarweise verbaut, gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine definierte Vorspannung bzw. Lagerluft einzustellen. Die gängigste Methode ist die Verwendung von sogenannten „universell paarbaren“ Lagern. Solche Universallager bieten den Vorteil, dass sie bereits ab Werk so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei einer Montage auf Block eine definierte Vorspannung / Luft einstellt. Der zunächst vorhandene Blockspalt zwischen den Innen- oder Außenringen der Lager wird dabei durch das Klemmen der Lager geschlossen.

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Damit die exakte Vorspannkraft / Lagerluft erreicht wird, ist eine stark eingeschränkte Toleranz der Rück- und Überstände von wenigen Mikrometern erforderlich. Universallager vereinfachen die Montage also erheblich. Die sonst üblichen Montagemethoden sind mit einem deutlich höheren Aufwand verbunden. So kann die Vorspannung der Lager auch durch Anfertigung spezieller Zwischenringe im Gehäuse oder auf der Welle eingestellt werden. Dazu müssen die Lager allerdings aufwendig vermessen und für jedes Lagerpaar individuell Zwischenringe gefertigt werden.

Um den Montageaufwand zu reduzieren, sind die AC-Schrägkugellager mit 25°-Berührungswinkel direkt als Universal­lager gemäß der SKF-Explorer-Leistungsklasse erhältlich.

Lagerausfall vermeiden

Häufig wirkt die Axialkraft bei Schrägkugellagersätzen dominant aus einer Richtung. Das kann bei Lüftern oder Pumpen der Fall sein, die überwiegend in einer Drehrichtung rotieren. In solchen Anwendungsfällen nimmt ein Schrägkugellager die Axialkraft auf, während das zweite Schrägkugellager, das sogenannte „Backup Bearing“, entlastet wird. Allerdings benötigen Wälzlager für einen reibungslosen Betrieb immer eine gewisse Mindestlast. Am entlasteten Lager ist die Gefahr groß, dass diese Mindestlast unterschritten wird. Dadurch kann es zu einem gestörten Abrollverhalten der Kugeln kommen, was „Anschmierungen“ verursacht, die zu Temperaturanstieg und vorzeitigem Lagerausfall durch Oberflächenschäden und/oder Käfigbruch führen.

Bisher wurden in solchen Anwendungen mit dominanter einseitiger Axiallast häufig Lagersätze verbaut, die aus zwei identischen 40°-Einzellagern bestehen. Diese Anordnung ist allerdings nicht optimal, da der große 40°-Winkel bei Entlastung anfälliger für Mindestlastprobleme ist.

Asymmetrische Lagersätze realisieren

Durch die neue Reihe mit 25°-Berührungswinkel lassen sich nun asymmetrische Sätze aus 40°- und 25°-Lagern realisieren. Diese Lagerpaarung bietet große Vorteile: Im asymmetrischen Lagersatz wird die dominante Axialkraft über den großen Berührungswinkel aufgenommen, während das entlastete Lager mit kleinerem Berührungswinkel die Gefahr von Anschmierungen senkt – weil dieser die Schwelle für die Abhebekraft erhöht. Bei der Abhebekraft handelt es sich um die externe Axialkraft, ab der ein Backup-Lager in einem vorgespannten Lagersatz vollständig entlastet wird und somit die erforderliche Mindestlast nicht mehr gewährleistet ist.

Das bedeutet, dass mit dem kleineren Berührungswinkel von 25° das Backup-Lager bei gleicher externer Last weniger entlastet wird. Dadurch sinkt das Risiko eines vorzeitigen Lagerausfalls, was die Betriebssicherheit erhöht.

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* Achim Schmidt ist Anwendungsingenieur „OEM & Distribution“ bei SKF in Schweinfurt

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