Dieser Artikel beschäftigt sich mit rotierenden Wälzlagern. Translatorische Wälzlager siehe Linearkugellager
Wälzlager sind Lager, bei denen zwei zueinander bewegliche Komponenten, der sogenannte Innenring sowie der Außenring durch rollende Körper getrennt sind. Zwischen den drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und Wälzkörper tritt hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmiegung abrollen, ist die Rollreibung dieser Lager relativ gering.
Bei modernen Wälzlagern werden die Wälzkörper (Kugeln, Rollen, Nadeln) durch einen Käfig in einem gleichen Abstand zueinander gehalten. Ältere Wälzlagertypen und Sonderausführungen kommen ohne Käfig aus.
Üblicherweise werden Wälzlager auf Wellen oder Achsen montiert und zum Schutz vor Verschmutzungen in ein Lagergehäuse integriert. Bei Sonderbauformen (unter Verzicht auf einen getrennten Innen- und Außenring) können die geschliffenen bzw. gerollten und gehärteten Laufflächen direkt auf die Welle bzw. Achse und/oder in das Lagergehäuse eingebracht und das Wälzlager somit in diese Komponenten integriert werden.
Anwendung
Wälzlager werden in den Anwendungsgebieten bevorzugt verwendet, wo Lagerungen bei kleinen Drehzahlen und hohen Lasten reibungsarm arbeiten sollen und dort, wo sich die Drehzahlen häufig ändern.
| Vorteile | Nachteile |
|
|
Bauformen
Es wird zwischen Radial- und Axiallagern unterscheiden. Zur Einordnung in diese beiden Kategorien wird der Druckwinkel zur Hilfe genommen. Der Druckwinkel ist der Winkel zwischen der Radialebene und der Drucklinie, wobei die Lage der Drucklinie stark von den verwendeten Wälzkörpern und den Rollbahnen abhängig ist.
- Radiallager:
- Axiallager:
Es gibt fünf Grundformen von Wälzlagern:
- Kugellager
- Zylinderrollenlager
- Nadellager
- Kegelrollenlager
- Tonnenlager
Kugellager sind die häufigsten verwendeten Wälzlager. Hier gibt es die breiteste Auswahl unterschiedlicher Abmessungen.
Radiallager
Rillenkugellager (DIN 625)
Der bekannteste Typ ist das Rillenkugellager, das sowohl axiale, als auch radiale Belastungen aufnehmen kann. Da die Kugeln eng an den relativ tiefen Laufrillen anliegen kann dieses Lager auch recht hohe axiale Kräfte aufnehmen. Druckwinkel
Schrägkugellager (DIN 628)
Einreihig
Das Schrägkugellager kann axiale Kräfte in einer Richtung und radiale Kräfte aufnehmen. Sie werden meist paarweise eingebaut und vorgespannt. Der paarweise Einbau kann in Form von Tandem-, O- oder X-Ausführung erfolgen. Je nach Einbauart verändern sich die axial aufnehmbaren Kräfte. Durch die Rollbahnneigung entsteht auch bei rein radialer Belastung eine nicht zu ignorierende (innere) Axialkraft. Druckwinkel
Zweireihig
Das zweireihige Schrägkugellager entspricht 2 einreihigen Schrägkugellagern in O-Anordnung. Es ist radial und axial in beide Richtungen hoch belastbar. Druckwinkel
Vierpunktlager (DIN 628)
Dieses Wälzlager ist eine Sonderform des Schrägkugellagers mit einem Druckwinkel von . Es gibt 4 Berührpunkte der Wälzkörper mit den Laufbahnen und durch den geteilten Innenring können mehr Kugeln bei einer geringeren Abmessung verwendet werden. Aus diesem Grund erhöhen sich sowohl die aufnehmbaren axialen als auch radialen Kräfte in beide Richtungen.
Schulterkugellager (DIN 625)
Das Schulterkugellager ist eine spezielle und zerlegbare Form des Rillenkugellagers. Es hat nur eine geringe Tragfähigkeit in radialer und in einseitig axialer Richtung und wird für Geräte mit geringen Belastungen verwendet, wie zum Beispiel Meßgeräte und Haushaltsgeräte. Druckwinkel
Pendelkugellager (DIN 630)
Das Pendelkugellager besitzt zwei Kugelreihen. Die Rollenlaufbahn des Außenrings hat eine Hohlkugelform. Innenring, Käfig und Kugeln lassen sich um wenige Winkelgrade aus der Mittelstellung schwenken. So können Fluchtfehler oder Durchbiegungen der Welle durch das Pendellager ausgeglichen werden. Die Belastung kann sowohl axial als auch radial in beide Richtungen erfolgen.
Zylinderrollenlager (DIN 5412)
Das Zylinderrollenlager hat eine große radiale Tragfähigkeit, allerdings ist es in axialer Richtung nicht bzw. nur sehr wenig belastbar. Wälzkörper von Zylinderrollenlagern sind Kreiszylinder. Sie werden in unterschiedlichen Bauformen gefertigt. Abhängig von der Bauform können sie ausschließlich radiale, oder radiale und axiale Kräfte aufnehmen. Diese unterscheiden sich durch Anordnung der "Borde" am Innen- und Außenring. Bei fehlenden Borden kann der Innenring abgezogen werden, bei der Variante NU sogar von beiden Seiten. Daher eignen sich Zylinderrollenlager für Fest-/Loslagerungen, denn Axialverschiebungen sind in gewissen Grenzen möglich.
Standard-Bauformen einreihiger Zylinderrollenlager:
- NU: 2 feste Borde am Außenring, kein Bord am Innenring
- N: kein Bord am Außenring, 2 Borde am Innenring
- NJ: 2 Borde am Außenring, 1 Bord am Innenring
- NUP: 2 Borde am Außenring, 1 Bord am Innenring + 1 lose Bordscheibe am Innenring
Kegelrollenlager (DIN 720)
Dieses Lager ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sehr hoch belastbar und wird in der Regel paarweise eingebaut. Die Rollkörper haben die Form eines Kegelstumpfes, außerdem sind sie etwas gegen die Wellenachse geneigt. Diese Art von Lagern kann sowohl radiale als auch größere axiale Belastung aufnehmen, z.Bsp. Radlager von Kraftfahrzeugen. Sie besitzen den Vorteil, dass man das Spiel einstellen kann. Die Kegelachsen von Innenring, Außenring und Kegelrollen treffen sich in einem Punkt auf der Drehachse, denn nur dann können die Kegelrollen ohne Schlupf abrollen.
Tonnen- und Pendelrollenlager (DIN 635)
Tonnenrollenlager
Diese Ausführung eines Wälzlagers ist für hohe stoßartige Radialkräfte ausgelegt, allerdings in Axialrichtung nur gering belastbar. Es eignet sich gut zum Ausgleichen von Fluchtfehlern. Diese sind winkeleinstellbar (bis zu 4° aus der Mittellage), da der Außenring eine kugelförmige Lauffläche hat. Die Rollkörper, die sog. Tonnenrollen, sind fassförmig. Tonnenlager sind einreihig, d.h. sie besitzen eine Reihe von Tonnenrollen in einem Käfig.
Pendelrollenlager
Das Pendelrollenlager hält höchsten axialen und radialen Belastungen stand und eignet sich gut um Fluchtfehler auszugleichen. Pendelrollenlager sind, wie die Tonnenlager, winkeleinstellbar (bis zu 2° bei geringer Belastung, sonst bis 0,5°), jedoch zweireihig. Sie sind für schwerste Belastungen geeignet, weisen also hohe Tragzahlen auf.
Nadellager
Die kreiszylindrischen Wälzkörper haben eine große Länge im Verhältnis zum Wälzkörperdurchmesser. Dadurch haben sie eine sehr geringe Baugröße und werden daher häufig in Getrieben verwendet. Gerade bei Nadellagern wird häufig auf einen Innenring verzichtet. Ein Nadellager ohne Innenring bezeichnet man als Nadelhülse, ist der Außenring aus tiefgezogenen, gehärtetem Stahlblech einseitig geschlossen, bezeichnet man dies als Nadelbüchse. Für besonders platzsparende Lagerungen wird auch auf den Außenring verzichtet und nur ein Nadelkäfig eingesetzt. Neben Radial-Nadellagern werden ebenfalls Axiallager gefertigt, wobei hier Schlupf zwischen Wälzkörpern und Anlaufscheiben in Kauf genommen wird.
Axiallager
Axial-Rillenkugellager
Beim Axial-Rillenkugellager laufen die Kugeln zwischen zwei oder drei Scheiben, abhängig davon, ob die Axialkraft in beiden Richtungen auftritt oder nur in einer. Bei beidseitiger Krafteinwirkung wird die mittlere Scheibe auf der Welle festgehalten, die beiden äußeren im Gehäuse.
Werkstoffe
Üblicherweise werden Wälzlager aus Chromstahl gefertigt, sehr hart, aber leicht rostend, in der Stahlsorte 100Cr6 (Werkstoff-Nr. 1.3505), ein Stahl mit einem Gehalt von ca. 1% Kohlenstoff und 1,5% Chrom.
Für besondere Betriebsbedingungen gibt es Lager aus rostfreiem Stahl, Keramik (in der Regel aus Siliziumnitrid) und Hybridlager, bei denen die Lagerringe aus Stahl, die Wälzkörper jedoch aus Keramik (Siliziumnitrid oder Zirkondioxid) bestehen.
Für einen besonders geräuscharmen Lauf werden auch häufig Kunststoffe als Werkstoffe für die Wälzkörper verwendet.
Lagereinheiten
Lagereinheiten bilden eine besonders einfache Möglichkeit für die Lagerung von Wellen. Sie werden hauptsächlich im Sondermaschinenbau und in landwirtschaftlichen Maschinen eingesetzt. Sie bestehen aus einem Radial-Rillenkugellager mit balligem (kugelöförmigem) Außenring und einem Lagergehäuse. In diesem kann das Lager um einige Winkelgrade verstellt werden, um Fluchtungsfehler auszugleichen. Die Lagergehäuse werden je nach Einsatzzwechk aus Grauguß, Leichtmetallguß, Kunststoff oder Stahlblech gefertigt.
Gängige Gehäuseformen sind:
- UCP = Stehlager,
- UCF = Quadratische Flanschlager, 4 Befestigungslöcher,
- UCFL = Flanschlager, 2 Befestigungslöcher,
- UCT = Spannlager.
darüber hinaus sind weitere Bauformen verfügbar, wie z.B. spannbare Flanschlager u.s.w.
Die Befestigung der Welle erfolgt entweder mit Madenschrauben in einem einseitig verlängertem Innenring oder mit Hilfe eines Klemmrings. Hierzu hat der Innenring der Lagereinheit und der Klemmring jeweils eine exzentrisch-keglige Eindrehung.
Auswahl des passenden Lagers
Wälzlager werden fast nur nach Tabellenbüchern oder Online-Katalogen (Links unten) ausgewählt. Die Bezeichnungen bestehen aus Kombinationen von Buchstaben und Zahlen, die nach einem logischen, in DIN 623 genormten Prinzip aufgebaut sind. So können Lager der gleichen Bezeichnung unabhängig vom Hersteller eingesetzt werden.
Das Bezeichnungsschema umfasst Vorsetzzeichen, Basiskennzeichen und Nachsetzzeichen. Ein S608 2RS ist so aufgeschlüsselt ein Edelstahllager (Vorsatz "S"), mit den Hauptabmessungen 8 x 22 x 7 mm (Basiskennzeichen "608"), das beidseitig abgedichtet ist (Nachsatz "2RS").
Bemessung
Werte, die notwendig sind, ein Lager zu bemessen, sind:
- Radialkraft
- Axialkraft
- Drehzahl oder
- Geschwindigkeit
- Belastungsrichtung
- Durchbiegung und Schiefstellung der Welle oder Achse
- Tragzahl statisch, dynamisch (insb. bei Linearlagern)
- Umgebungswerte, wie
- Temperatur
- Staubwerte
- Schwingungen
Befestigung
Je nachdem, ob es sich um ein Festlager oder ein Loslager handelt, werden Außenring und Innenring mit dem Gehäuse, bzw. mit der Welle fest verbunden.
Die einfachste Art ist, beide Ringe ein- bzw. aufzupressen. Dazu müssen Welle und Gehäuse eine bestimmte Maßtoleranz aufweisen.
Auf der Welle kann der Innenring aber zwischen einem Anlaufbund und einer Spannschraube oder einer Mutter eingespannt sein oder mit einer Spannhülse gepresst werden.
Im Gehäuse wird meist der Außenring mit dem Deckel gegen einen Anlaufbund gepresst oder mit einem Seegerring gehalten. Bei Loslagern gewährt man dem Außenring ein gewisses Längsspiel, der Ring muss aber so eingepresst sein, dass er sich nicht mitdreht.
Lageranordnung
Bei der Anordnung von Wälzlagern auf z.B. einer Welle oder Achse wird die Anordnung der Lager unterschieden in Fest-Los-Lagerung und Stützlagerung. Die Stützlagerung wird wiederum in schwimmende Lagerung und angestellte Lagerung unterschieden. Es ist unbedingt notwendig, dass eine der genannten Lageranordnungen gewählt werden, da sich das zu lagernde Element (z.B. Welle, Achse,...) aufgrund von Erwärmung ausdehnt und diese Ausdehnung kompensiert werden muss. Des Weiteren können die bei der Fertigung entstandenen und unvermeidbaren Maßabweichungen aufgefangen werden.
Fest-Los-Lagerung
Bei dieser Art der Lagerung ist das Festlager so auf dem zu lagernden Element montiert, dass es sich nicht in axialer Richtung verschieben kann. Das Festlager nimmt also sowohl Radialkräfte, als auch Axialkräfte auf. Wie groß die maximal aufnehmbare Axialkraft sein kann, hängt von der Ausführung dieses Lagers ab. Das Loslager ist so angebracht, dass es im Gegensatz zum Festlager in axialer Richtung wandern kann. Es können also keinerlei Axialkräfte von dem Loslager kompensiert werden.
Stützlagerung
Bei dieser Art der Lagerung, teilt sich die Axialkraft auf beide Lager auf. Jedes der beiden Lager kann axiale Kräfte in eine Richtung aufnehmen, so dass beide Lager zusammen alle axialen Kräfte auffangen können.
Axialluft
Axialluft wird wie folgt beschrieben: Das Maß bei nicht eingebauten Lagern, um das sich die Lagerringe in axialer Richtung von einer Endlage in die andere bis zur spannungsfreien Anlage gegeneinander verschieben lassen.
Abmessungen
Wälzlager sind sowohl in den Abmessungen (Bohrung, Außendurchmesser, Breite) als auch in den Belastbarkeiten weitgehend genormt. Außerdem gibt es diese Lager auch in fertigen Lagerböcken (s. weiter unten: Lagereinheiten), die ggf. schwenkbar sind oder Gummipuffer zur Stoßdämpfung haben. Manche Bauformen werden auch mit Dichtscheiben und Dauerschmierung oder Abdeckscheiben geliefert (Nachsetzzeichen 2RS bzw. je nach Hersteller 2Z oder ZZ), so dass die Laufflächen vor Schmutz oder Staub geschützt sind.
Eine einfache Zuordnung der Lagerbezeichnung zu den Hauptabmessungen: Wellendurchmesser (d) und Außenring-Durchmesser (D) kann für Lager mit einem Wellendurchmesser von 10 bis 80 mm aus folgender Tabelle entnommen werden. Einige Lagerbauarten werden zusätzlich in unterschiedlichen Breiten gebaut und sind daher in Lagerkatalogen (s. Weblink) nachzuschlagen.
Die Bezeichnung der unterschiedlichen Lagertypen ist wie folgt: wobei "xxx" aus der Tabelle zu entnehmen ist. Hiermit lässt sich jedes noch so verrostete Lager auf einfache Weise identifizieren. Hierzu identifiziert man zuerst die Lagerbauform und dann den Innenring-Innendurchmesser, sowie den Außenring-Außendurchmesser. Jetzt folgt man in der Tabelle der Innendurchmesser-Spalte nach unten und der Außendurchmesserspalte nach rechts bis zum Schnittpunkt. Mit der hier stehenden Ziffer ergänzt man die Typenbezeichnung. Beispiel: Ein einreihiges Rillenkugellager, Typenbezeichnung beginnt also mit 6, hat d = 25mm und D = 52nn, im Schnittpunkt befindet sich die Ziffer 205. Das passende Ersatzlager ist also ein Typ 6205 mit möglicherweise noch Nachsetzzeichen für Deck- oder Dichtscheiben.
- 1xxx = Pendelkugellager, zweireihig, schmale Bauform
- 2xxx = Pendelkugellager, zweireihig, breite Bauform
- 3xxx = Schrägkugellager
- 4xxx = Rillenkugellager, zweireihig
- 6xxx = Rillenkugellager, einreihig
- 7xxx = Schrägkugellager
- 11xxx = Pendelkugellager mit breitem Innenring
- 20xxx = Tonnenlager
- 21xxx bis
- 24xxx = Pendelrollenlager (unterschiedliche Breite)
- 30xxx bis
- 33xxx = Kegelrollenlager (unterschiedliche Breite)
- Nxxx = Zylinderrollenlager (auch Bauformen NU, NJ, NUP - s. unten)
- QJxxx = 4-Punkt-Lager
| d | 10 | 12 | 15 | 17 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 | 45 | 50 | 55 | 60 | 65 | 70 | 75 | 80 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| D | xxx | |||||||||||||||||
| 26 | 000 | |||||||||||||||||
| 28 | 001 | |||||||||||||||||
| 30 | 200 | |||||||||||||||||
| 32 | 201 | 002 | ||||||||||||||||
| 35 | 300 | 202 | 003 | |||||||||||||||
| 37 | 301 | |||||||||||||||||
| 40 | 203 | |||||||||||||||||
| 42 | 302 | 004 | ||||||||||||||||
| 47 | 303 | 204 | 005 | |||||||||||||||
| 52 | 304 | 205 | ||||||||||||||||
| 55 | 006 | |||||||||||||||||
| 62 | 403 | 305 | 206 | 007 | ||||||||||||||
| 68 | 008 | |||||||||||||||||
| 72 | 404 | 306 | 207 | |||||||||||||||
| 75 | 009 | |||||||||||||||||
| 80 | 405 | 307 | 208 | 010 | ||||||||||||||
| 85 | 209 | |||||||||||||||||
| 90 | 406 | 308 | 210 | 011 | ||||||||||||||
| 95 | 012 | |||||||||||||||||
| 100 | 407 | 309 | 211 | 013 | ||||||||||||||
| 110 | 408 | 310 | 212 | 014 | ||||||||||||||
| 115 | 015 | |||||||||||||||||
| 120 | 409 | 311 | 213 | |||||||||||||||
| 125 | 214 | 016 | ||||||||||||||||
| 130 | 410 | 312 | 215 | |||||||||||||||
| 140 | 411 | 216 | ||||||||||||||||
| 150 | 412 | 313 | 314 | |||||||||||||||
| 160 | 215 | |||||||||||||||||
| 170 | 413 | 316 |
Weblinks
SKF-Lagerkatalog - Maße und Zeichnungen gängiger SKF-Lager
INA/FAG-Lagerkatalog - Maße und Zeichnungen gängiger INA- und FAG-Lager
MK-Industrieservice Bearing-Handbook - Maße und technische Daten gängiger Wälzlager, Herstellerunabhängig