Lager (Maschinenelement)
Als Lager bezeichnet man in der Technik die funktionelle Verbindung von Maschinenteilen. Lager können Kräfte und/oder Bewegungen übertragen bzw. leiten.
Man unterscheidet die Lagertypen
Nach Reibung
Gleitlager
Gleitlager sind Bauelemente des Maschinenbaus, die meist einen feststehenden Teil und einen bewegten Teil zueinander führen.
Die häufigste Anwendung mit weit über 95 % der Anwendungsfälle ist die Rundführung: sie bezweckt, die prinzipiellen sechs Freiheitsgrade (drei Verschiebungsrichtungen, drei Drehachsen) zweier Körper zueinander auf eine einzige Rotationsachse einzuschränken. Jedoch werden Gleitlager auch als Linearführung gebaut.
Man unterscheidet Festkörperreibungslager, Hydrodynamische Gleitlager und Hydrostatische Gleitlager. Durch die Relativbewegung der beiden Lagerpartner, z. B. Schale und Welle, tritt Reibung auf. Beim Festkörperreibungslager tritt Festkörperreibung auf, bei den anderen Lagertypen erfolgt die Trennung der relativ zueinander bewegten Oberflächen durch einen Schmierfilm.
Oftmals haben Gleitlager allerdings Anforderungen der "Mischreibung" zu bewältigen; im Normalbetrieb sollen die Feststoffe durch den Schmierstofffilm voneinander getrennt sein, aber in der Anlaufphase ist ein Festkörperkontakt und dementsprechender Verschleiß meist nicht gänzlich zu vermeiden.
Abhängig von Belastung und Geschwindigkeit müssen die Materialien aufeinander abgestimmt werden.
Häufig verwendete Lagerwerkstoffe sind
- Bronze
- Weißmetalle
- Bleilagermetalle
- Aluminiumlegierungen
- Kunststoffe
- verschiedene Legierungen, die speziell mit geringen Reibungskoeffizienten entwickelt werden.
- Keramik und in geringerem Umfang auch faserverstärkte Keramik
Normalerweise wird jener Teil aus dem weicheren Material hergestellt, der leichter und billiger zu ersetzen ist. Die Schmierung ist bei diesen Lagern besonders wichtig. Ein typisches Beispiel für Gleitlager sind die Lager einer Kurbelwelle, denn Gleitlager können leicht geteilt (als Zweihälften-Lagerschalen) hergestellt werden, siehe Bild.
Häufig werden Motoren-Gleitlager galvanisch beschichtet mit Dreistoff-Schichten, und teils noch im Vakuum mit Metallen aufgesputtert oder aufgedampft. Insbesondere Turbodiesel-Motoren mit ihren hohen Lagerdrücken stellen heutzutage die komplexesten Bauformen hydrodynamischer Gleitlager dar. Der Fertigungsprozess von Gleitlagern ist ein Prozess mit großer Fertigungstiefe: nicht selten werden über 70 Arbeitsschritte auf verschiedenen Maschinen benötigt, bis aus dem Ausgangsmaterial Bandstahl ein Gleitlager geworden ist.
Sinterlager
Sinterlager sind eine Variante der Gleitlager, bei denen die Lagerschale(n) nicht aus massivem, sondern aus gesintertem Material besteht. Durch die in diesem Prozess nicht vollständige Verdichtung ergeben sich Vorteile bei der Schmierung, da sich Schmierstoffe in den Poren einlagern und halten können.
Kohlegleitlager
Kohlenstoff als Werkstoff hat neben der Übertragung von Kräften die Eigenschaft, die Lagerreibung herabzusetzen, da sein Abrieb schmierend wirkt. Man spricht von selbstschmierenden Lagern oder Kohlegleitlagern. Diese sind zudem vorteilhaft, wenn elektrische Ströme über Lagerstellen übertragen werden müssen, was bei anderen Lagern, sowohl Gleitlagern als auch insbesondere Kugellagern, vermieden werden sollte, da Ströme durch Kontaktstellen unterschiedlicher Metalllegierungen Materialabtrag mit sich bringen.
Zu beachten ist, dass bei diesen Lagern bei höherer Belastung und damit steigender Temperatur der Reibkoeffizient deutlich ansteigt. Er ist abhängig vom Feuchtegehalt der Oberfläche (C/C-Bremsscheiben aus Kohlenstofffaser-verstärktem Kohlenstoff müssen erst "trocken" gerieben werden, damit sie einen hohe Reibkoeffizienten zeigen und eine gute Bremsleistung erbringen können).
Keramiklager
Hier ist unter anderem Siliciumcarbid als keramischer Werkstoff in Pumpen eingeführt und in Großpumpen auch faserverstärkte Keramik. Die Gleitlager liegen im Pumpengehäuse und werden mit der geförderten Flüssigkeit geschmiert. Die Korrosionsbeständigkeit und der durch die Härte bedingte extrem niedrige Verschleiß durch Reibung oder Partikelabrieb sind die großen Vorteile dieser Lager.
Kunststoffgleitlager
Völlig ohne weitere Schmierung kommen Gleitlager aus Kunststoffen bei Lagern mit niedriger Belastung aus. Im Gegensatz zu anderen Materialien ist die Gefahr des Festfressens bei Lagern aus Kunststoffen nahezu ausgeschlossen. Kunststoffgleitlager zählen somit zu den wichtigsten Vertretern bei den schmierungs- und wartungsfreien Gleitlagern.
Die Hersteller entwickeln für diese Anforderungen spezielle Werkstoffe, sogenannte Compounds, die aus Basispolymer, Verstärkungsstoffen (z. B. Fasern) und aus eingebetteten Festschmierstoffen bestehen. Während des Betriebs gelangen durch Mikroverschleiß diese Schmierstoffe ständig an die Oberfläche und senken so Reibung und Verschleiß der Lager.
Wegen des besonders geringen Reibungskoeffizienten von PTFE (Teflon) gegen sich selbst (etwa so groß wie beim Gleiten von nassem Eis auf nassem Eis) wird dieser Werkstoff gerne für lineare Lager und Rotationslager verwendet. Außerdem ist hier die Haftreibung praktisch genau so groß wie die Gleitreibung, so dass der Übergang vom Stillstand zur Bewegung ohne Ruckbewegung abläuft (Stick-Slip-Effekt).
Wälzlager
Hauptartikel: Wälzlager
Bei Wälzlagern sind die zu lagernden Elemente durch rollende Teile voneinander getrennt. Damit ist hauptsächlich eine Rollreibung zu überwinden. Bekannteste Beispiele sind Kugellager und Rollenlager.
Haftreibung
Lagerung der Maschinenelemente mit nur sehr geringer und langsamer oder keiner Bewegung zueinander, siehe zum Beispiel Widerlager und Brückenlager.
Andere Lagerarten
Die Trennung der relativ zueinander bewegten Oberflächen kann auch durch andere Wirkprinzipien erfolgen:
- Druckluft (Luftlager) oder
- elektromagnetische Kräfte bzw. Felder (Magnetlager)
- Supraleitendes Magnetlager
- Hydraulisch
Nach Kraftfluss
Vor allem Lager für rotierende Teile lassen sich nach der Art unterscheiden, in welche Richtung die auf das drehende Teil wirkende Kraft auf die Welle übertragen wird. Sehr häufig treten auch Kombinationen auf, so müssen beispielsweise Lager von Rädern sowohl das Gewicht tragen, als auch Querkräfte bei Kurvenfahrten aufnehmen.
Beide Lagerbauformen können als Wälzlager oder Gleitlager ausgeführt sein.
Radiallager
Bei Radiallagern, auch als Trag- oder Querlager bezeichnet, wirkt die vom Lager aufgenommene Kraft senkrecht (radial) zur Drehachse.
Axiallager
Axiallager, auch als Längslager, Drucklager oder Spurlager bezeichnet, nehmen Kräfte in Richtung der Wellenachse auf. Bei einer Dampfturbine bildet das Axiallager den Fixpunkt der Turbinenwelle.
Nach Bewegungsart
Je nach Art der Bewegung der Teile zueinander, können die Lager unterteilt werden. Die jeweilige Ausführung ist sowohl als Gleit- als auch als Wälzlager möglich.
Festlager und Loslager
Festlager und Loslager bezeichnen die Art der Lagerung in Bezug auf ihre Fähigkeit kleine Bewegungen innerhalb der Lageranordnung mehrerer Lager auszuführen oder Kräfte in einer bestimmten Richtung aufzunehmen. Beide Begriffe werden in der Technischen Mechanik verwendet, um die Freiheitsgrade von Lagern zu beschreiben. Aus konstruktiver Sicht besteht ihre Aufgabe häufig im Ausgleich von Wärmedehnungen, wenn mehrere Lager für ein Bauteil verwendet werden.
Für den Fall einer Welle mit zwei Lagern nimmt das Loslager nur eine Kraft senkrecht zu den Lagerstellen auf und ermöglicht so eine gewisse Längsverschiebbarkeit, wie es etwa bei Wärmeausdehnung notwendig ist. Das Festlager hingegen nimmt zusätzlich auch Kräfte in Längsrichtung auf, so dass sich das Bauteil nicht unkontrolliert seitlich aus den Lagern bewegen kann.
Konstruktiv sollte bei Wellen das Loslager an der Stelle vorgesehen werden, an der die größere Radialbelastung auftritt.
Rotative und translative Lager
Bei rotativen Lagern verdreht sich die Welle gegen das Lager. Translative Lager werden auch Linearlager genannt. Dabei verschieben sich beispielsweise die Komponenten einer Wellenführung entlang einer Welle.
Literatur
- Milowiz, Kurt & al.: Die Verbrennungskraftmaschine, Bd.8: Lager und Schmierung. Wien, New York, 1962 (Springer)
Siehe auch
- Commons: Bearings – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
- Lagerung (Mechanik)
- Newtonsche Axiome
- Führung (Technik)
- Kategorie: Führung (Technik)
