Industrie-Lexikon

Wälzlager

W√§lzlager sind Lager, bei denen zwischen einem sogenannten Innenring und einem Au√üenring, im Gegensatz zu der Schmierung in Gleitlagern, rollende K√∂rper den Reibungswiderstand verringern. Sie dienen als Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kr√§fte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile (z. B. ein Rad) erm√∂glichen.  Zwischen den drei Hauptkomponenten Innenring, Au√üenring und den W√§lzk√∂rpern tritt haupts√§chlich Rollreibung auf. Da die W√§lzk√∂rper im Innen- und Au√üenring auf geh√§rteten Stahlfl√§chen mit optimierter Schmierung abrollen, ist die Rollreibung dieser Lager relativ gering.

Wälzkörper und Wälzkörperkäfig
Die umgangssprachlich bekannten Kugellager sind eine Untergruppe der Wälzlager, bei denen Kugeln als Wälzkörper dienen.

Bei modernen W√§lzlagern werden die W√§lzk√∂rper (Kugeln, Zylinder, Nadeln, Tonnen oder Kegel) durch einen K√§fig in gleichem Abstand gehalten. √Ąltere W√§lzlagertypen und Sonderausf√ľhrungen kommen ohne K√§fig aus. Vor allem W√§lzlager in Steuerungssystemen von Flugzeugen haben keinen K√§fig. Dadurch k√∂nnen mehr W√§lzk√∂rper pro Lager eingesetzt werden, was die Belastbarkeit deutlich erh√∂ht. Jedoch eignen sie sich nur bedingt f√ľr h√∂here Drehzahlen.

K√§figwerkstoff war fr√ľher wegen der erh√∂hten Laufruhe Messing. Heute wird der K√§fig aus Kosten- und Gewichtsgr√ľnden oft aus (meist glasfaserverst√§rktem) Kunststoff (Polyamid) gefertigt. Bei vielen W√§lzlagertypen wird ein K√§fig aus niederlegiertem ungeh√§rteten Stahl verwendet. Messingk√§fige gibt es weiterhin; insbesondere f√ľr gr√∂√üere Lager, bei denen sich die Werkzeugkosten f√ľr Kunststoff- oder Stahlblechk√§fig nicht lohnen.

Lagerwerkstoffe
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. Weitere Stähle sind zum Beispiel 100CrMnSi6-4 und 100CrMo7, die Legierungselemente Mangan (Mn) und Molybdän (Mo) dienen der besseren Durchhärtbarkeit.

F√ľr Anwendungen in korrosiver Umgebung werden auch die hochlegierten St√§hle X65Cr13 (Werkstoff-Nr. 1.4037) und X30CrMoN15-1 (Werkstoff-Nr. 1.4108) verwendet. Letzterer kann, zumindest f√ľr einige Tage, auch im menschlichen Organismus zum Einsatz kommen. H√§rtbare St√§hle sind nie vollkommen ‚Äěrostfrei“, sondern nur f√ľr einen gewissen Zeitraum erh√∂ht korrosionsbest√§ndig.

F√ľr besondere Betriebsbedingungen gibt es folgende W√§lzlager in folgenden Ausf√ľhrungen:
‚ÄĘ Aus rostfreiem Stahl (zum Beispiel Kugellager S6204 oder W6204)
‚ÄĘ Hybridlager (zwei Werkstoffe), bei denen die Lagerringe aus Stahl, die W√§lzk√∂rper aus Keramik (Siliciumnitrid oder Zirkondioxid) bestehen, zum Beispiel bei Spindellagern f√ľr Werkzeugmaschinen
‚ÄĘ Keramiklager, bei denen sowohl die Lagerringe als auch die W√§lzk√∂rper aus Siliciumnitrid, Zirconiumoxid oder Siliciumcarbid bestehen
‚ÄĘ Kunststofflager mit W√§lzk√∂rpern aus Glas oder Keramik gegen aggressive S√§uren oder Laugen in Chemie- und Lebensmittelindustrie
‚ÄĘ Lager mit Kunststoff-K√§fig (zum Beispiel Kugellager 6205 TN9.C3) f√ľr ger√§uscharmen Lauf
‚ÄĘ Lager mit einer stromisolierenden Beschichtung des Au√üen- bzw. Innenringes, um einen ungewollten Stromdurchgang durch das Lager und damit die Entstehung von Sch√§den durch Elektroerosion zu verhindern, zum Beispiel bei Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Drehstrommotoren

Einbau von Wälzlagern
Üblicherweise werden Wälzlager auf Wellen oder Achsen montiert.

Bei Sonderbauformen (unter Verzicht auf einen getrennten Innen- und Au√üenring) k√∂nnen die geschliffenen bzw. gerollten und geh√§rteten Lauffl√§chen direkt auf die Welle bzw. Achse und/oder in das Lagergeh√§use eingepresst und das W√§lzlager somit in diese Komponenten integriert werden. Diese Variante wird haupts√§chlich aus Platzgr√ľnden gew√§hlt. Daher sind vor allem Nadelrollen f√ľr diese Aufgabe pr√§destiniert.

Die Lager werden oft mit einem Sicherungsring, einer Sicherungsmutter oder einer Abstandsh√ľlse gegen Verrutschen gesichert. Zum Schutz vor Verschmutzungen werden Lager in ein Lagergeh√§use eingebaut oder mit einem Wellendichtring abgedeckt.

Beim Einbau der Lager darf die Einpresskraft nie √ľber den W√§lzk√∂rpersatz geleitet werden, das Lager w√ľrde dadurch sofort besch√§digt. Mit Spezialwerkzeugen wie einer Einschlagh√ľlse wird das Lager zum Beispiel nur √ľber den Au√üenring eingetrieben. Nadellager m√ľssen mit einem Dorn eingepresst werden.

Bei gro√üen Lagern sind auch die Einpresskr√§fte gr√∂√üer, weshalb sie vor der Montage in einem √Ėlbad oder durch ein elektrisches Heizger√§t auf 80–100 ¬įC erw√§rmt werden. Die Ringe dehnen sich minimal aus und lassen sich so leichter auf die Welle oder Achse dr√ľcken.

Beim Ausbau der Lager ist darauf zu achten das passende Werkzeug zu verwenden, zum Beispiel einen Abzieher.

Defekte Lager erkennt man durch Schwerg√§ngigkeit beim langsamen Durchdrehen per Hand, f√ľhlbares Lagerspiel sowie Laufger√§usche und Vibration unter Betriebsdrehzahl. Ungeschmierte Lager fallen sofort aus.

Lebensdauer von Wälzlagern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Lagerlebensdauer h√§ngt von zahlreichen Faktoren ab. Einige Einflussgr√∂√üen sind mess- oder berechenbar (wie etwa Lagerbelastung oder Oberfl√§cheng√ľte der Komponenten). Andere k√∂nnen nicht numerisch bestimmt werden (Verschmutzung oder genauer Schmierzustand). Einfache Berechnungstools gibt es auf den Websites der Hersteller (siehe Weblinks).

Die von W√§lzlagern geforderten Lebensdauern reichen von wenigen hundert Stunden, zum Beispiel f√ľr Haushaltsger√§te oder medizinisch-technische Ger√§te, bis zu ca. 100.000 Stunden f√ľr Lauflager von Hochseeschiffen, Grubenpumpen und -gebl√§se und Papiermaschinen. In Umdrehungen ausgedr√ľckt, k√∂nnen Lager je nach Belastung 3 Mrd. Umdrehungen und mehr √ľberstehen. SKF gibt zum Beispiel f√ľr einige Lager eine Lebensdauer von 2 Mrd. Umdrehungen an, was jedoch oft weit √ľberschritten wird.

Ob ein Lager seine Lebensdauer erreicht, h√§ngt stark von den Einsatzbedingungen ab. Hohe Lagerbelastungen sollten ebenso m√∂glichst vermieden werden wie schmutzige Einsatzbedingungen, hohe Betriebstemperaturen oder Eindringen von Wasser ins Lager. Speziell um das Eindringen von Schmutz und Wasser zu erschweren, gibt es viele Lager auch in gekapselter Ausf√ľhrung.

Bei W√§lzlagern ist auch einmalige Schmierung vom Hersteller √ľber eine angegebene Lebensdauer √ľblich.

Bei W√§lzlagern sind sto√üf√∂rmige Belastungs√§nderungen, wie sie z. B. in Radlagern beim Pkw auftreten k√∂nnen, m√∂glichst zu vermeiden, da diese Kr√§fte zu einer kurzzeitigen √úberlastung des Lagers f√ľhren k√∂nnen und damit die Lagerqualit√§t sowie die Lebensdauer erheblich beeinflussen.

Steifigkeit und Dämpfungsverhalten von Wälzlagern
Zur Bestimmung der statischen Steifigkeit von W√§lzlagern stehen auf Basis der Hertzschen Theorie relativ genaue und experimentell gut abgesicherte Berechnungsmethoden zur Verf√ľgung, siehe z.B. die Ausf√ľhrungen im Buch "Rolling Bearing Analysis" von Tedric A. Harris (4th ed., 2000, Wiley-Interscience. ISBN 0-471-35457-0).

Es existieren aus j√ľngeren wissenschaftlichen Untersuchungen aber auch experimentell verifizierte Rechenmodelle zur Beschreibung der dynamischen W√§lzlagereigenschaften, inklusive der Lagerd√§mpfungseigenschafte, siehe z.B. die umfangreiche Literatur√ľbersicht in der Arbeit "Damping and Stiffness Characteristics of Rolling Element Bearings" (Paul Dietl, Dissertation TU Wien, 1997).

Ausgangspunkt der mathematischen Modelle ist zumeist ein linearisiertes Feder-D√§mpfermodell des elasto-hydrodynamischen EHD-W√§lzkontaktes. Mittels eines Computerprogramms zur L√∂sung des instation√§ren EHD-Kontaktproblems k√∂nnen dann auf numerischem Wege √§quivalente D√§mpfungskoeffzienten f√ľr den hochbelasteten Schmierfilm im W√§lzkontakt ermittelt werden. Aus den numerischen Ergebnissen wurde in der oben genannten Arbeit von Dietl ein empirisches N√§herungsgesetz zur Absch√§tzung der √Ėlfilmd√§mpfung im W√§lzkontakt abgeleitet. 

Die in den W√§lzkontakten wirksame Material- und Trockenreibungsd√§mpfung kann durch einen in der Theorie der Materiald√§mpfung h√§ufig verwendeten Verlustfaktor beschrieben werden, der nach Messungen in der oben genannten Arbeit von Dietl in etwa 1 bis 2 % betr√§gt, je nachdem, wie gro√ü der Einfluss der F√ľgestelle zwischen Aussenring und Geh√§use ausf√§llt.

Anwendungen
Wälzlager werden bevorzugt in Anwendungsgebieten verwendet, wo Lagerungen bei kleinen Drehzahlen und hohen Lasten reibungsarm arbeiten sollen und wo sich Drehzahlen häufig ändern.

Vorteile von W√§lzlagern gegen√ľber Gleitlagern:
‚ÄĘ geringe Reibung, daher geringe W√§rmeentwicklung
‚ÄĘ kein Stick-Slip-Effekt (Anlaufmoment kaum gr√∂√üer als das Betriebsmoment)
‚ÄĘ geringer Schmierstoffbedarf
‚ÄĘ kaum Pflege und Wartung notwendig
‚ÄĘ gute Normung und Bemessungsgrundlagen, daher gut austauschbar
‚ÄĘ Drehrichtungs√§nderung ohne konstruktive Modifikation m√∂glich

Nachteile von W√§lzlagern gegen√ľber Gleitlagern:
‚ÄĘ bei Stillstand und geringer Drehzahl empfindlich gegen St√∂√üe und Ersch√ľtterungen
‚ÄĘ begrenzte H√∂chstdrehzahl und Lebensdauer
‚ÄĘ Verschmutzungsempfindlichkeit
‚ÄĘ aufwendige Bauweise
‚ÄĘ h√∂here Ger√§uschentwicklung

Quelle: Wikipedia

 

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