Konstruktionselemente

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1 Konstruktionselemente Kapitel 11: Wälzlager Prof. Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer Dipl.-Ing. Otto Olbrich Fachhochschule München Fakultät 06 Feinwerk- und Mikrotechnik / physikalische Technik Version 3.02 vom

2 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Inhalt 11 Wälzlager Aufbau der Wälzlager Bauformen der Wälzlager Rillenkugellager (DIN 625) Schrägkugellager (DIN 628) Vierpunktlager (DIN 628) Schulterkugellager (DIN 615) Pendelkugellager (DIN 630) Zylinderrollenlager (DIN 5412) Nadellager (DIN 625) Kegelrollenlager (DIN 720) Tonnen- und Pendelrollenlager (DIN 635) Axial-Rillenkugellager (DIN 711,715) Axial-Pendelrollenlager (DIN 728) Bezeichnung von Wälzlagern Konstruktive Gestaltung von Wälzlagern Festlager Loslager: Angestellte Lagerung Duplex Lager Schwimmende Lagerung: Einbauregeln für Wälzlager Fixierung von Wälzlagern Passung von Wälzlagern Axiale Anstellkraft Mindestbelastung Einbau von Wälzlagern Reibung und Schmierung Reibung Schmierung der Wälzlager Abdichtung von Lagern Werkstoffe für Wälzlager Berechnung von Wälzlagern Ermittlung der Lagerbelastung Statische Tragzahl C Dynamische Tragzahl C...29

3 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Nominelle Lebensdauer L oder L h oder L h Äquivalente Belastung P Statisch äquivalente Belastung P Dynamisch äquivalente Belastung P Lebensdauerformel DIN ISO Formelblatt zur Rillenkugellager-Berechnung Nominelle Lebensdauer Lagerschäden Ursache für begrenzte Lebensdauer Schadensursachen für vorzeitigen Ausfall Schwingungen und Geräusche...35

4 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11 Wälzlager 11.1 Aufbau der Wälzlager Wälzlager dienen zur Aufnahme der Zapfen von Achsen und Wellen. Im Gegensatz zu Gleitlagern rollen zwischen den Lagerpartnern Wälzkörper ab. Dadurch ist die Reibung 25-50% niedriger als bei hydrodynamisch geschmierten Gleitlagern. Vor- und Nachteile im Vergleich zu Gleitlagern: Vorteile Nachteile - Niedrigere Reibung - Empfindlich gegen Stoß - Geringerer Energieverlust - Geräuschvoller Lauf - Geringeres Spiel - Drehzahl begrenzt - Anspruchslos in Wartung und - Teurer Schmiermittelbedarf - Ein- und Ausbau meist schwieriger - Kein Einlaufen erforderlich Radiallager Axiallager Kugel Zylinder Kugel Bezeichnung der Wälzkörper: a) Kugel b) Zylinder c) Kegel d) Tonnen e) Nadel

5 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Wälzlagerkäfige: a) Blechkäfig für Kugeln b) Massivkäfig für Rollen Käfigmaterial Stahlblech, Messing, Leichtmetall, Kunststoff Der Aufbau wird im Folgenden am Beispiel von Kugellagern genauer beschrieben: Die Kugeln haben einen etwas kleineren Radius als die Laufbahnen und zwischen den Kugeln und Laufbahnen ist die Radialluft s vorhanden. Das Verhältnis der Radiusdifferenz zum Wälzkörper- wird Schmiegung genannt. Durch die Radialluft und die Schmiegung wird die Axialluft a bestimmt. a zu s ist etwa 10 bis 15. Wenn die Belastung des Lagers rein radial ist, liegen die belasteten Kugeln in der Mitte der Laufbahn auf. Der Druckwinkel ist 0. Wenn ausreichende axiale Belastung vorhanden ist, liegen die Kugeln unter einem Druckwinkel α an den Laufbahnen an. Bei Rillenkugellagern hat α die Größenordnung 15. Die radiale Lagerluft s wird durch ein Nachsetzzeichen hinter dem Lagerkennzeichen, beginnend mit C, angegeben. CN DIN bedeutet normale Lagerluft und wird meist nicht angegeben. Die Folge für größer werdende Lagerluft ist C2, CN, C3, C4, C5.

6 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Einige Werte für die radiale Lagerluft s bei Gruppe CN (normal) für nicht eingebaute Lager und Messlast 0: Lagerbohrung d [mm] 2, Radialluft s [µm] Bei eingebauten Kugellagern soll das radiale Betriebsspiel etwa null sein oder es kann eine geringe Vorspannung vorliegen. Beim Einbau der Lager mit Presssitz wird die Lagerluft verringert. Wenn das Lager in eine Bohrung oder auf eine Welle mit einer festeren Passung als J6 bzw. k5 montiert wird, muss im Allgemeinen eine größere Lagerluft gewählt werden, z.b. C3. Beim Rillenkugellager füllen die aneinander liegenden Kugeln ohne Käfig gut die Hälfte des Umfangs aus. Die Ringe verformen sich elastisch, wenn der Innenring in die konzentrische Stellung gedrückt wird. Die gleichmäßig verteilten Kugeln sind in einem Käfig gefasst und damit auf Abstand geführt. Lager, bei denen die Kugeln ohne Käfig dicht aneinander liegen, sog. vollkugelige Lager benötigen eine Füllnut. Ihre Anwendung ist selten. Die Lagerluft ermöglicht auch ein Verkippen des Innenrings gegen den Außenring. Auch wenn dieser Kippwinkel nur klein ist, Größenordnung 2 bis 10 Winkelminuten, ermöglicht er doch kleine Winkeltoleranzen auszugleichen. Verkippung um den Lagermittelpunkt links, um die unterste Kugel rechts

7 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.2 Bauformen der Wälzlager Rillenkugellager (DIN 625) mit Abdeckscheiben mit Dichtscheiben mit Ringnut Regelausführung Kraftübertragung: radial und axial Besonderheiten: können auch mit Deckscheiben (gegen Verschmutzung), Dichtscheiben (Schmiermittel), Ringnut (für Sprengring) geliefert werden Einsatz: universell Maschinen- und Fahrzeugbau Schrägkugellager (DIN 628) Einreihig Kraftübertragung: radial und axial in einer Richtung (axial höher als Rillenkugellager) Besonderheiten: Radialbelastung erzeugt Axialkräfte (Achtung: Auslegung) im Allgemeinen müssen zwei Lager gegeneinander eingebaut werden oder X-Richtung) (O- Zweireihig Kraftübertragung: radial und hohe axiale Belastbarkeit in beiden Richtungen Besonderheiten: entspricht einem Paar einreihiger Schrägkugellager in O-Anordnung Einsatz: Lagerung von kurzen biegesteifen Wellen, bei größeren Radial- und Axialkräften, z.b. Schneckenwellen, Wellen mit Schrägstirnrädern oder Kegelrädern, Fahrzeugachsen

8 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Vierpunktlager (DIN 628) Kraftübertragung: hohe radiale und hohe axiale Tragfähigkeit Besonderheiten: ist eine Bauform des Schrägkugellagers mit α = 35, Laufbahnen laufen spitz zusammen, daher nur 4 Berührpunkte, Innenring ist geteilt, daher können Kugeln dichter gepackt werden, daher höhere Tragfähigkeit Einsatz: Spindellagerungen von Werkzeugmaschinen, Fahrzeuggetrieben, Rad- und Seilrollenlagerungen Schulterkugellager (DIN 615) Kraftübertragung: relativ gering in radialer und einseitig axialer Richtung Besonderheiten: zerlegbares Lager, Innenring wie Rillenkugellager, nur bis 30mm genormt Einsatz: Lagerungen in Messgeräten, kleinen elektrischen Maschinen, Haushaltsgeräten, etc Pendelkugellager (DIN 630) Kraftübertragung: radial und axial Besonderheiten: kann winklige Wellenverlagerungen und Fluchtfehler bis 4 ausgleichen Einsatz: in Steh- und Flanschlagergehäusen, bei größeren Einbautoleranzen und möglichen größeren Wellendurchbiegungen, z.b. Transmissionen, Förderanlagen, Landmaschinen

9 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Zylinderrollenlager (DIN 5412) Bauart NU (Innenbordlager) Bauart NJ (Stützlager) Bauart NUP (Führungslager) Bauart NU mit Winkelring (Führungslager) Bauart N (Aussenbordlager) Kraftübertragung: hohe radiale Tragfähigkeit, axial nicht oder nur gering belastbar Besonderheiten: Linienberührung zwischen Rolle und Bahn führt zu höherer radialer Tragfähigkeit, zerlegbar Einsatz: als Loslager und für hohe radiale Belastung, z.b. Getriebe, Elektromotoren, Achslager von Schienenfahrzeugen, Walzenlagerungen (Walzwerke) Nadellager (DIN 625) Nadellager mit Innenring Kombiniertes Nadel- und Axialkugellager Nadelkranz Nadelhülse Nadelbüchse Kraftübertragung: radial Besonderheiten: werden mit und ohne Innenring geliefert, kleine Baudurchmesser, größere radiale Starrheit, geringe Empfindlichkeit gegen stoßartige Belastungen, wenn Nadeln direkt auf Welle laufen soll diese HRC sowie Oberflächengüte R a 0,2µm aufweisen Einsatz: bei begrenztem Einbauraum für kleinere und mittlere Drehzahlen und Pendelbewegungen, z.b. Pleuellager, Kipphebellager, Spindellager, für Schwenkarme, Pendelachsen (Kfz), etc.

10 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Kegelrollenlager (DIN 720) Kraftübertragung: radial und axial Besonderheiten: Außenring kann abgenommen werden (einfache Montage), Radialbelastung erzeugt Axialkräfte (Achtung bei Auslegung!), paarweise spiegelbildlicher Einbau in X- oder O-Anordnung, Lagerspiel muss eingestellt werden Einsatz: Radnabenlagerungen von Fahrzeugen, Lagerungen von Seilscheiben, Spindellagerungen von Werkzeugmaschinen, Wellenlagerungen von Schnecken- und Kegelradgetrieben Tonnen- und Pendelrollenlager (DIN 635) Kraftübertragung: für höchste radiale und axiale Belastungen, auch stoßartig Besonderheiten: Pendelrollenlager ist ein zweiseitiges Tonnenlager, winkeleinstellbar Einsatz: für hoch belastete Lagerungen, wie Schwerlastlaufräder, Seilrollen, Schiffswellen, Ruderschäfte, Kurbelwellen Tonnenlager Pendelrollenlager

11 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Axial-Rillenkugellager (DIN 711,715) einseitig wirkend (1) Wellenscheibe (2) Gehäusescheibe zweiseitig wirkend einseitig wirkend mit kugeliger Gehäusescheibe (3) und kugeliger Unterlagscheibe (4) Kraftübertragung: hohe axiale Kräfte Besonderheiten: nur für kleine Drehzahlen Einsatz: bei hohen Axialkräften, die von Radiallagern nicht mehr aufgenommen werden können, z.b. Bohrspindeln, Reitstockspitzen, Schnecken. Und Schraubentriebe Axial-Pendelrollenlager (DIN 728) Kraftübertragung: hohe axiale und begrenzt radiale Kräfte Besonderheiten: kann sich pendelnd einstellen, und Fluchtfehler ausgleichen Einsatz: Spurlager bei Kransäulen, Drucklager bei Schiffsschrauben und Schneckenwellen

12 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.3 Bezeichnung von Wälzlagern Genormte Wälzlager werden durch Kurzzeichen nach DIN 623 gekennzeichnet. Kurzzeichen bestehen aus einem Basiszeichen, dem Vorsetzzeichen vorangestellt und Nachsetzzeichen nachgestellt sind. Das Basiszeichen beinhaltet Lagerart, Maßreihe und Lagerbohrung. Dabei bestimmen die Breiten- bzw. Höhenreihen die Lagerbreite bzw. höhe. Ebenso sind die Durchmesser in Reihen vorgegeben. Zunehmend größeres Verhältnis von Außen- D zu Innen- d entspricht in der Durchmesserreihe der Ziffernfolge 7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4. Es folgt die Ziffer für den Innendurchmesser (Bohrungskennzahl BKZ). Bis d i = 9 mm BKZ = d i d i = 10 mm BKZ = 00 d i = 12 mm BKZ = 01 d i = 15 mm BKZ = 02 d i = 17 mm BKZ = 03 Von d i = mm: d i = BKZ * 5 Andere d i werden durch einen Schrägstrich angegeben Beispiel: Lagerart Breiten-/ Höhenreihe (meist nicht geschrieben) (BKZ) Innere Konstruktion Äußere Form Käfigausführung Genauigkeit Lagerluft Abdichtung Wärmebehandlung Etc M C3 Breitenreihe 2 Durchmesserreihe Vorsetzzeichen Basiszeichen Nachsetzzeichen Einzelteile Lagerreihe Werkstoffe Maßreihe Lagerbohrung Pendelrollenlager Durchmesserreihe 3 Innen-Φ = 16 mm M C3 Massivkäfig aus Messing Lagerluft größer als normal

13 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Beispiele für Bezeichnung von Rillenkugellagern (Lagerart 6 und 16) Kurzzeichen Ø-Reihe Breitenreihe Innen-Ø Aussen-Ø Breite (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) ,5 60/2,5 0 1 (nicht geschrieben) 2,5 8 2, (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) (nicht geschrieben) (nicht geschrieben)

14 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.4 Konstruktive Gestaltung von Wälzlagern Festlager Loslager: Dies ist die am häufigsten angewendeter Standardeinbau von Kugellagern Lager sollten nicht überbestimmt eingesetzt werden. Daher werden i.d.r. Fest- und Loslager vorgesehen. Festlager: axial am Innen- oder Außenring fixiert, kann axiale Kräfte aufnehmen Loslager: axial verschieblich, kann Toleranzen und Wärmedehnungen ausgleichen Festlager: Lager ist axial am Innen- und Außenring fixiert Kann Kräfte in axialer Richtung aufnehmen Je nach Anwendung Fixierung in einer oder in beiden Richtungen anordnen Loslager kann sich am Ring mit Punktlast axial bewegen Kann Toleranzen und Wärmedehnungen von Welle und Gehäuse ausgleichen Ring mit Punktlast erhält Spielpassung (Alternative: Verwenden eines Zylinderrollenoder Nadellagers. Vorteil der Festlager Loslager-Anordnung Einfacher Aufbau gute Funktion, leichter Lauf. Nachteil: Nicht spielfrei, etwas lauterer Lauf. Regel: Bei Lagerungen mit 2 Rillenkugellagern ist das Festlager an der Arbeitsseite. Warum? Arbeitselement (z.b. ein Fräser) wird axial von Wärmedehnungen nur gering beeinflusst. Wärmedehnungen wirken am weiter entfernten Loslager und sind dort unschädlich Festlager nimmt die größere Radiallast auf, dadurch kann das geringer belastete Loslager den axialen Ausgleich besser ermöglichten Ausnahmen sind in begründeten Fällen erlaubt

15 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Einige Ausführungsbeispiele für Festlager (F) Loslager (L) Anordnungen: Loslager mit Axialbeweglichkeit in der Gehäusebohrung wenn die Welle dreht Loslager mit Axialbeweglichkeit auf dem Wellenzapfen wenn das Gehäuse dreht Zylinderrollenlager als Loslager Nadellager als Loslager

16 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Gestaltung von Festlagern Rillenkugellager zwei Schrägkugellager Zylinderrollenlager Pendelrollenlager Gestaltung von Loslagern Rillenkugellager zwei Schrägkugellager Zylinderrollenlager Pendelkugellager auf Spannhülse Einbau von Nadellagern Loslager mit Innenschleifspindel Zwei Loslager mit Bord zum Seitenanlauf an einer Stützrolle Nadellager ohne Innenring mit Außenring mit Nadelhülse nur mit Nadelkranz Nadel-Axialkugellager in umlaufender Bohrbuchse

17 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Angestellte Lagerung Der Begriff anstellen bedeutet: Axiale Verschiebung bei der Montage Einstellung, bis gewünschtes Spiel oder Vorspannung erreicht ist Fixierung des Rings Bei Einstellung mit einer Mutter kann man Spiel und Vorspannung einstellen Bei Vorspannung können dann gleich große und hohe Axialkräfte bei hoher Steifigkeit in beiden Richtungen spielfrei aufgenommen werden. Bei Anstellung mittels einer Feder, ergibt sich immer Spielfreiheit. Gegen die Feder kann aber nur eine relativ geringe Kraft aufgenommen werden. Weil eine Feder im Verhältnis zu den Lagern und den Umbauteilen immer relativ weich ist, ist dieser Aufbau gegen Toleranzen und Längenänderungen im Betrieb recht unempfindlich. Anstelle einer Feder kann auch ein Gummiring (O-Ring) genommen werden. Spielfreiheit bedeutet, dass die Welle keine axiale Lose gegenüber dem Gehäuse hat. Radial bleibt allenfalls die geringe Lose durch das Passungsspiel der Lagerringe. Völlige radiale Spielfreiheit wird erreicht, wenn die Innen- und Außenringe Festsitz haben. Eine geringe Bewegung ist nur gegen die hohe, aber endliche Federrate der Lager möglich. Diese Federrate kann bei Schwingungen eine wesentliche Rolle spielen. Bei der starr angestellten Lagerung, Achtung auf unterschiedliche Wärmedehnung von Welle und Gehäuse sonst große Axialkräfte oder Spiel möglich Für feinwerktechnische Anwendungen Kompromiss durch Einlegen eines O-Rings in eine Nut oder Andrücken mit Tellerfeder Für eine angestellte Lagerung sind Schrägkugellager, Kegelrollenlager aber auch Rillenkugellager geeignet Anordnung in O- und X-Anordnung möglich Bei O-Anordnung entsteht großer rechnerischer Lagerabstand, Aufnahme großer Momente möglich Vorteil: Platz sparend, geringerer Einfluss unterschiedlicher Wärmedehnungen, Spiel einstellbar, leiser Lauf Nachteil: teurer als Fest- und Loslager bei Vorspannung etwas schwererer Lauf Angestellte Lagerung mit einstellbarem Spiel oder Vorspannung, O-Anordnung: Angestellte Lagerung spielfrei durch Feder, X-Anordnung:

18 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager a) Kegelrollenlager in O-Anordnung b) Schrägkugellager in O-Anordnung c) Kegelrollenlager in X-Anordnung d) Schrägkugellager in X-Anordnung Achtung: Übertragung der Kräfte bei Wälzlagern in Druckrichtung Radiale Belastungskräfte müssen im Schnittpunkt der Drucklinien der Lager mit der Wellenachse angesetzt werden. Es entstehen bei Schräglagern somit axiale Kräfte! axiales Spiel bei Schulterkugellagern radiales Spiel bei einem Kegelrollenlager Duplex Lager Stirnseiten der Ringe sind so geschliffen, dass die Ringe bei der Montage fest aneinandergespannt werden können. dann definiertes Spiel / spielfrei / Vorspannung. Auch durch gleich lange Hülsen zwischen den Innen- und Außenringen auf Abstand montierbar Vorteil: Hohe Präzision, keine Einstellung bei der Montage. Nachteil: Teuer, baut länger (außer bei auseinander gezogener Anordnung)

19 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Schwimmende Lagerung: Keine Einstellung erforderlich Auch bei ungünstigsten Toleranzen im betriebswarmen Zustand bleiben noch einige 1 10 mm Luft Geeignet, wenn ein geringes Axialspiel zulässig ist und wenn die Richtung der Axialkraft nicht allzu häufig wechselt. Zwei Loslager mit Längsspiel auf der Welle, wenn das Gehäuse dreht: Schwimmende Lagerung: zwei Loslager mit Längsspiel in der Gehäusebohrung wenn die Welle dreht Zwei Loslager unter Federspannung ergibt Spielfreiheit, O-Anordnung

20 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.5 Einbauregeln für Wälzlager Fixierung von Wälzlagern Für jedes Lager sind Punkt- und Umfangslast für Innen und Außenring zu ermitteln. Punktlast: bei drehendem Lager wirkt die Radiallast immer auf die gleiche Stelle des Umfangs des nicht drehenden Ringes Umfangslast: während einer Drehung des Rings wirkt die Last auf jede Stelle des drehenden Ringes einmal. Bewegungsverhältnisse Schema Belastungsfall Passung - Innenring dreht - Außenring steht still. - Lastrichtung unverändert - Umfangslast Innenring - Punktlast Außenring - Innenring feste Passung notwendig - Außenring lose Passung zulässig - Innenring steht still. - Außenring dreht. - Lastrichtung unverändert - Punktlast Innenring - Umfangslast Außenring - Innenring lose Passung zulässig - Außenring feste Passung notwendig Regel: Der Ring mit Umfangslast muss einen Festsitz haben! Bei unbestimmter oder wechselnder Lastrichtung sollen beide Ringe Festsitz haben. Begründung: Wenn der Ring mit Umfangslast einen Schiebesitz hätte, wären der Umfang des Lagerrings und des Umbauteils unterschiedlich. Beim Abwälzen entstände dadurch Schlupf und als Folge davon feinster Abrieb, was Passungsrost ergäbe und zu einer raschen Zerstörung des Lagersitzes führen würde. Bei nicht zu hoher und stoßfreier Belastung und nicht zu hoher Drehzahl kann auch eine enge Übergangspassung als Festsitz ausreichend sein. Guter Festsitz ist besonders wichtig, wenn Kippmoment auf das Lager wirkt bei hoher Drehzahl bzw. Beschleunigung umlaufene Kraft (meist Unwucht) oder Erschütterungen Größenordnung der radialen Lagerbelastung erreichen bei geringer Last das Lager bei gewisser Schwergängigkeit noch funktionieren soll.

21 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Festsitz wird erreicht durch Übermaßpassung Bei Spielpassung durch axiale Verspannung (axiale Verspannkraft x Reibwert > Radialkraft) oder Bei Spielpassung durch Kleben des Ringes auf die Welle bzw. in die Bohrung. (Achtung: primär anaeroben Kleber verwenden, Achtung auf erforderliche Entfettung des Ringes). Beispiele für Fixierung von Lagerringen: Fixieren des Wälzlager-Innenrings: Stellring Distanzscheibe und Sicherungsoder Sprengring Doppelmuttern Abstandsrohr Fixieren des Wälzlager-Außenrings: Loslager mit Sprengring und Deckel Loslager mit zwei Deckeln Festlager mit Sprengring und Deckel Festlager mit Sprengring bei geteiltem Gehäuse

22 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Passung von Wälzlagern Es ist folgendes zu beachten: gleichmäßige Unterstützung der relativ dünnen Lagerringe durch Passung führt zu besserer Ausnützung der Tragfähigkeit des Lagers. Es sollten möglichst alle Ringe mit Festsitz eingebaut werden (zwingend für Ring mit Umlauflast und stark schwankender Belastung) Je größer die Belastung, umso größer ist das Passungsübermaß zu wählen, insbes. bei stoßartiger Belastung. Passung muss die Rundheit des Lagers erhalten (also z.b. keine Klemmschraube auf Lagerring!) Festsitz für Ring mit Umfangslast sicherstellen Axiale Verschiebbarkeit des Loslagers gewährleisten Gute Montage und Demontage ermöglichen Ein Festsitz kann nur kleine Axialkräfte aufnehmen, nur in Ausnahmefällen geeignet zur Aufnahme der Axialkräfte des Festlagers Eine Übermaßpassung verringert die Lagerluft. Je nach Verhältnis von Wanddicke der Umbauteile zur Wandstärke der Ringe verringert sich die Lagerluft um ½ bis 2/3 des Passungsübermaßes. Damit verringert sich auch die Winkeleinstellbarkeit. Ggf. Lager mit größerer Lagerluft verwenden. Bei Werkstoffen von Welle und Gehäuse mit anderem Ausdehnungskoeffizienten als das Lager verändert sich das Fügespiel mit der Temperatur. Passungszuordnung Beispiel für Auswahl von ISO Passungen für Welle und Bohrung zur Aufnahme eines Rillenkugellagers mit Normaltoleranz PN: ISO Toleranz für Sitz mit Aufnahme des Lagers Passung ergibt auf Welle in Bohrung Punktlast, z.b. für Loslager g6 (g5) H7 (H6) G7 (G6) Schiebesitz Umfangslast oder bei wechselnder bzw. unbestimmter Lastrichtung j6 (j5) k6 (k5) M7 (M6) N7 (N6) Leichter Festsitz Strenger Festsitz

23 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Axiale Anstellkraft Sollte bei angestellten Rillenkugellagern und Duplexlagern etwa 0,01 bis 0,02 C betragen (C siehe Kap. Berechnung) Mindestbelastung Bei hoher Drehzahl Insbesondere bei hoher Winkelbeschleunigung Mindestbelastung einhalten (Vermeiden von Schlupf Geräusche und vorzeitiger Verschleiß). Empfohlene Mindestbelastung P 0,01 C (siehe Kap. Berechnung) Einbau von Wälzlagern Einpressen des Außen- bzw. Aufpressen des Innenrings Einpresskraft nicht über Wälzkörper einleiten Außen- und Innenring in zwei getrennten Arbeitsschritten fügen Einpresshülse muss eben sein und winklige Auflagefläche haben Achtung auf Zugänglichkeit, wenn Lager ohne Beschädigung wieder demontiert werden soll

24 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.6 Reibung und Schmierung Reibung Obwohl die rollende Reibung gegenüber der Gleitreibung klein ist (der Haupteffekt an der Erfindung des Kugellagers), hat ein Wälzlager einen Reibwert. Typisch (Anhaltswerte) 0,001 bis 0,003 für Kugellager 0,002 bis 0,005 für Rollenlager. Werte gelten ohne berührende Dichtung Mit steigendem Lastwinkel ß steigt µ bis zum doppelten Wert an. Reibmoment : M = 0,5 d F µ Genauere Werte siehe Herstellerangaben Reibwert ist für geringe Drehzahlen bei Fett- und Ölschmierung gleich Bei sehr hoher Drehzahl wird die Arbeit für die Fett- bzw. Ölverdrängung sehr hoch Ölnebelschmierung mit guter Ableitung des Öls Bei Fettschmierung wird der niedrige Reibwert erst nach einer Einlaufzeit erfolgt (bis zu 1 h!). Nach längerem Stillstand ist wieder ein gewisser Einlauf notwendig. Überschmierte Lager können heiß laufen Anlaufreibung ist erheblich höher, mindestens Faktor 2, besonders bei kaltem Lager. Hierfür geeignete Schmierstoffe verwenden Reibwert einer berührenden Dichtung bis zu 10X!

25 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Schmierung der Wälzlager Funktion der Schmierstoffe: Erhöhung der Lebensdauer (Lebensdauer ohne Schmierung nur Sekunden bis Minuten) Korrosionsschutz Abdichtung Wärmeabfuhr Ausnahme: Keramiklager können trocken laufen. a) Ölschmierung Meist unlegierte Mineralöle Viskosität bei Betriebstemperatur umso niedriger wählen, je höher die Umfangsgeschwindigkeit ist Bei hohen Drehzahlen Für hohe Wärmeabfuhr Bei hoher Betriebstemperatur Ölbadschmierung: Lager taucht teilweise in Ölbad ein. Tropfölschmierung Spritz- bzw. Schleuderölschmierung Mit Förderscheibe Für Drehzahlen > /min Öleinspritzschmierung: Öl wird von der Seite mittels Düsen in den Spalt zwischen Innenring und Käfig gespritzt Ölumlaufschmierung: Förderung mittels Pumpe Bessere Wärmeabfuhr Reinigung des Öls erhebliche Verbesserung der Lebensdauer Lager muss teilweise im Öl stehen, um Schäden beim Anlauf und bei Pumpenausfall zu vermeiden Ölnebenschmierung: bei sehr hohen Drehzahlen b) Fettschmierung Fett besteht aus einem Verdicker, der das Öl schwammartig festhält Besonders bei kleinen Lagern Einfach handhabbar, oft bereits mit Dauerschmierung ab Werk (Lager mit Abdeckkappen wird bereits im Werk gefüllt) Einfache Abdichtung Lager werden zu 30 40% mit Fett gefüllt, bei sehr langsam laufenden Lagern bis 100%

26 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Abdichtung von Lagern Deckscheiben Ausreichend, wenn das Lager durch weitere Teile einigermaßen abgeschirmt ist von außen keine Flüssigkeiten in das Lager eindringen kann geringer Fettaustritt aus dem Lager nicht stört das Lager nicht zwischen Gebieten unterschiedlicher Drücke liegt der Innenraum nicht hermetisch von der Umgebung abgeschirmt werden muss federnde Abdeckscheiben Deckscheiben und Dichtscheiben (im Lager integriert) Schleifende Dichtungen neben dem Lager Erhebliche Reibungsverluste es kann erhebliche Wärme erzeugt werden! Nicht für sehr hohe Drehzahlen Reibfläche muss geschmiert werden Welle muss glatte Oberfläche haben Berührende Lippendichtungen dichten Öl vollständig ab. Filzring Filzring mit Labyrinth Wellendichtringe (Simmering)

27 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Berührungsfreie Dichtungen Wirken erst bei drehender Welle Umso besser, je höher die Drehzahl ist enger Spalt dichtet bereits gegen Staub ab, wenn im Innenraum kein wesentlicher Unterdruck herrscht. Rückführungsrillen verhindern Austritt bei geringen Mengen drucklosen Öls Labyrinth kann bei geringem Druckgefälle völlig abdichten. Erhöhung der Wirkung Füllen mit steifem Fett Spritzkanten mit Rücklaufkanal verhindern den Austritt von drucklosem Öl. Auch Kombinationen dieser Varianten sind möglich Achtung: diese Dichtungen sind bei nach unten herausgeführten Wellen kaum wirksam. Einfache Spaltdichtung Rillendichtung Radiale Labyrinthdichtung axiale Labyrinthdichtung

28 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.7 Werkstoffe für Wälzlager Ringe und Kugeln Meist (seit 1905) durchhärtender, niedrig legierter Stahl höchster Reinheit und vakuumentgast Für eingearbeitete Lagerlaufbahnen in tragende Bauteile (Bsp. KFZ-Radnabe) Einsatzstahl (weicher Kern kann sich bei Überbeanspruchung verformen und bricht nicht Dieser Stahl rostet Durch Härten, geschliffene Oberfläche und Schmierstoff für die meisten Fälle ausreichend korrosionsfest. Lager aus rostfreiem Stahl seit 1955 (gleiche Tragzahlen) Bei extremer chemischer Beständigkeit / Temperaturen von 400 bis 800 C / völliger Antimagnetismus Keramik (Siliziumnitrid Si 3 N 4 ) Aber hohe Empfindlichkeit gegen Zug- und Kerbspannung. Keramikkugeln für höchste Drehzahlen (wegen geringem spez. Gewicht, 3,19 zu 7,85. Aber hoher Preis (X10) Kunststoff nur für Sonderfälle mit geringen Belastungen Vorteil: Schmierung in Wasser, Beständigkeit gegen Wasser Stähle für Wälzlager DIN EN ISO : Bezeichnung Werkstoff Nr amerikanische Norm/Bezeichnung Härte HRc 100 Cr SAE/ bis 65 Standardstahl X105 CrMo AISI/440C ca. 62 rostfreier Stahl Käfige Käfig aus Blech Käfig aus PA Stahlblech noch sehr häufig, Messingblech, Polyamid 66-GF 25 heute bereits bei 40 % der kleinen Lager, Hartgewebe, Sintermetall.

29 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.8 Berechnung von Wälzlagern Ermittlung der Lagerbelastung Unterscheidung zwischen Statischer Beanspruchung (Lager steht still, sehr langsame Bewegung) Dynamischer Belastung (Drehen bei Belastung) Kombinierte Belastung (Kraft wirkt schräg auf das Lager, Zerlegung in Radialbelastung F r und Axialbelastung F a.) Berücksichtigung zeitlich schwankender und stoßartiger Belastungen siehe Informationen der Lagerhersteller Statische Tragzahl C 0 C 0 entspricht der Radialbelastung, bei der an der Berührungsstelle zwischen Rollkörper und Laufbahn eine bleibende Gesamtverformung beider Teile von 0,1 %o des Rollkörper- auftritt Wird vom Lagerhersteller ermittelt und angegeben Dynamische Tragzahl C C entspricht der konstanten Radialbelastung, bei der eine größere Menge gleicher Lager eine nominelle Lebensdauer von 10 6 Umdrehungen erreicht. Die Tragzahlen werden aus Formeln nach DIN ISO 281 mit Erfahrungsbeiwerten des Herstellers berechnet Nominelle Lebensdauer L oder L h oder L h10 Die nominelle Lebensdauer ist die Zahl von Umdrehungen oder die Zeit bei konstanter Drehzahl, die 90 % der Lager bei einer dynamisch äquivalenten Belastung P erreichen oder überschreiten, bevor die ersten Anzeichen einer Werkstoffermüdung auftreten. (10% der Lager dürfen früher ausfallen.) Nachdem der Ausfall der Lager zufallsverteilt ist, ist keine Aussage über die Versagenszeit eines einzelnen Lagers möglich Die Lager müssen hierbei richtig geschmiert, vorschriftsmäßig eingebaut und sachgemäß betrieben werden Äquivalente Belastung P Rechnerische Radialbelastung, die sich aus der tatsächlichen Radialbelastung F r und der tatsächlichen Axialbelastung F a berechnet. Eine Radialbelastung von der Größe der äquivalenten Belastung P hat den gleichen Einfluss auf die Lebensdauer des Lagers wie die tatsächlich wirkende Belastung F (vektorielle Summe von F r und F a ) Statisch äquivalente Belastung P 0 Wird berechnet zu P 0 = X 0 F r + Y 0 F a Statisch bedeutet hier nicht, dass die Belastung notwendigerweise zeitlich konstant ist, sondern dass das nicht drehende Lager dieser Belastung ausgesetzt ist.

30 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Dynamisch äquivalente Belastung P Die dynamisch äquivalente Belastung errechnet sich zu: P = X F r + Y F a Rechnungsgang für die Ermittlung der Radial- und Axialfaktoren X und Y: f 0 F a /C 0 Grenzwert e F a /F r wird mit e verglichen. Je nach dem, ob e größer oder kleiner ist, wird X und Y aus der entsprechenden Tabelle für das ermittelte e abgelesen Lebensdauerformel DIN ISO 281 Grundgleichung für die nominelle Lebensdauer: L 10 = (C/P) p in 10 6 Umdrehungen Index 10: bei Erreichen der Ermüdungslaufzeit L 10 ist die Ausfallwahrscheinlichkeit 10%. Der Exponent p ist 3 für Kugellager und 10/3 für Rollenlager. Die Umrechnung der Lebensdauer von Vielfachen von 10 6 Umdrehungen in Stunden ergibt: p 1 L C 33 h 3 = 500 P n ergibt L h in h bei n in U/min (besser 1/min) Hinweise: Die Lebensdauer ist abhängig von: Belastung, Drehzahl, Schmierung, Sauberkeit, sonstige Umwelteinflüsse, Temperatur, sachgemäßem Einbau, Genauigkeit der Umbauteile. Nur Berücksichtigung von Belastung und Drehzahl; übrige Einflussfaktoren sind normal sind. In vielen Fällen gelingt es, eine vergleichbare existierende Lagerung zu finden (auch durch Beratung seitens der Lagerhersteller). Wenn man bei der neuen Lagerung in gleicher Weise für Schmierung, Sauberkeit, Präzision der Umbauteile und Vergleichbarkeit sonstiger Bedingungen sorgen und die Kräfte in gleicher Weise ermitteln kann, kann man sich auf die Lebensdauerrechnung gut verlassen. Die Lagerhersteller bieten Berechnungsprogramme an, die teilweise z.b. um die Berechnung von Wellen und Auflagerkräften erweitert sind. Weitergehende Berechnungsprogramme berücksichtigen auch die Elastizität des Lagers selbst. Die Lebensdauerformel liefert für Lager mittlerer Größe gut brauchbare Ergebnisse. Für kleine Lager mit Bohrungs- bis etwa 10 mm sollte sie nur als Anhalt genutzt werden. Insbesondere gilt dies wenn das Lager eine geringe Drehzahl hat. Bei der Auslegung sollte C/P>10 sein. Dann können solche Lager auch mit einem dünnflüssigen (Grund)-Öl betrieben werden, wodurch ein leichter Lauf erreicht wird. Das Lager läuft dann zwar im Mischreibungsgebiet, erreicht aber trotzdem eine hohe Lebensdauer.

31 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Formelblatt zur Rillenkugellager-Berechnung a) gesucht: Lebensdauer. gegeben: Lager und Kraft auf Lager a. Kraft auf Lager zerlegen in Radialkraft F r und Axialkraft F a (wenn erforderlich) b. f 0 F a /C 0 berechnen c. Nächstliegenden Wert aus Spalte f 0 F a /C 0 wählen (oder linear interpolieren) d. Wert e in der gleichen Zeile wie f 0 F a /C 0 wählen (oder wie bei 1.3 interpolieren) e. F a /F r berechnen f. Für F a /F r e dynamisch äquivalente Belastung P = F r g. Für F a /F r > e dynamisch äquivalente Belastung P = X F r +Y F a (X, Y gleiche Zeile wie e) h. 3 1 C 33 3 L h10 = 500 L h10 in h wenn n in 1/min und C und P in gleicher Einheit P n b) gesucht Lager: gegeben: Lebensdauer und Kraft auf Lager a. Kraft auf Lager zerlegen in Radialkraft F r und Axialkraft F a (wenn erforderlich) b. Annahme: dynamisch äquivalente Belastung P = F r c. L h10 n Cmin = P d. Lager aus Tabelle suchen mit C C min e. Annahme überprüfen durch Berechnung der Schritte a)b. bis a)h. Wenn L h10 aus a)h. der gegeben Lebensdauer ist Ende, sonst Schritte a)b. bis a)h mit Lager, das eine größere Tragzahl hat, iterativ wiederholen. Rillenkugellager (Auszug) Berechnungsfaktoren für Hauptabmessungen Tragzahlen Berech- Kurzzeiche äquivalente dynamische Lagerbelastung nungs- faktor n Lagerluft normal dyn stat f 0 F a /C 0 e X Y D D B C C 0 f 0 0,172 0,19 0,56 2,30 Mm Mm mm kn kn 0,345 0,22 0,56 1, ,75 1, ,689 0,26 0,56 1, ,62 1, ,03 0,28 0,56 1, ,4 2, ,38 0,30 0,56 1, ,28 3, ,07 0,34 0,56 1, ,9 5, ,45 0,38 0,56 1, ,37 3, ,17 0,42 0,56 1, ,95 4, ,89 0,44 0,56 1, ,3 6, ,03 2, , ,5 6, ,8 7, , ,9 6, ,4 11, ,3 11, , ,8 10, , , ,7 36,

32 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Nominelle Lebensdauer Die Tabelle gibt die nominelle Lebensdauer für verschiedene Anwendungen an:

33 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager 11.9 Lagerschäden Ursache für begrenzte Lebensdauer Bei hoher Drehzahl und guter Schmierung: Es bildet sich ein ca. 0,2 µm dicker elastohydrodynamischer Schmierfilm aus Völlige Trennung von Laufbahn und Wälzkörper Pittingbildung bei hoher Drehzahl: durch hartes Fremdkörperteilchen durch Materialfehler es entstehen Eindrücke mit umgebender Aufwulstung beim Überrollen entstehen Spannungsspitzen dadurch entstehen Mikrorisse von dort aus Materialausbruch Lager läuft unruhig Bei niedriger Drehzahl / häufigem Anlauf / Pendelbewegungen: Mischreibung führt zu abrasivem Verschleiß Dauerfestigkeitsverhalten nur bei Ausreichend hoher Drehzahl Niedriger Belastung Äußerst saubere Schmierung

34 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Schadensursachen für vorzeitigen Ausfall Schmutz (ab wenige µm Größe) - häufig! Metallabrieb, z.b. von Zahnrädern, etc. (Abhilfe: Magnet, Ölfilterung) Korrosion (durch Wasser, Kondenswasser, Säuren, säurehaltige Schmiermittel) Rattermarken durch - zu hohe statische Beanspruchung, - Erschütterungen beim Stillstand (wird bei Vorspannung vermieden), - Stromdurchgang Einbaufehler (Konstruktionsfehler) - Zu geringes Spiel bei Temperaturunterschieden - Unrunde Aufnahmebohrung oder Welle - Zu starke Winkelabweichung (biegeweiche Welle, Fluchtungsfehler) - Axialverspannung (z.b. klemmendes Loslager) - Fluchtungsfehler bei 3 oder mehr Lagern auf einer Welle - Deformation der Lagerringe durch zu weiche Umbauteile oder falsche Befestigung Fehlerhafte Montage - Hammerschläge - Schiefer Einbau - Einpressen über Wälzkörper Mangelhafte oder falsche Schmierung Käfigrutschen bei zu geringer Belastung (Belastung sollte mind. 1-2% der Tragzahl C sein) Zu lange gelagert (Fett oxidiert, nach 5 Jahren Abnahme der Gebrauchsdauer um 20%)

35 Konstruktionselemente Kapitel 11 - Wälzlager Schwingungen und Geräusche Schwingungen können durch das Lager selbst angeregt werden durch: Rauhigkeit und Welligkeit von Innen- und Außenring Oberflächenfehler (Lunker, etc.) an den Laufflächen Harte Fremdkörper im Lager Sich ändernde elastische Verformungen infolge der endlichen Anzahl von Wälzkörpern Unterschiedliches Verhalten der Fettverdicker Instationärer Schlupf bei zu geringer Belastung Ungleichmäßige Führung der Wälzkörper durch den Käfig Eigenfrequenzen der Wälzlagerringe Schwingungsanregung außerhalb des Lagers Formabweichung der Umbauteile Falsche Passungsauswahl der Lagersitze Schiefer Einbau Beschädigungen bei Montage, Transport, im Betrieb durch Einzelereignisse, oder durch Verschleiß (Lagerschäden können durch Analyse der Laufgeräusche erkannt werden!) Zusammentreffen von Resonanzstellen des Gerätes mit Erregerfrequenzen des Lagers Unwucht rotierender Teile Möglichkeiten zur Geräusch- und Schwingungsminderung Verwendung von besonders auf Geräuscharmut entwickelter und geprüfter Lager Umbauteile maß- und formgenau (kleinere Toleranzen wählen) Fluchtungsfehler < 3 Winkelminuten bei Rillenkugellagern Lager gegen Eindringen von Fremdkörpern möglichst gut schützen oder dichten Ausreichende Schmierung sicherstellen Schmieröl filtern, möglichst bis 2µm Partikelgröße Steife Konstruktion im Verhältnis zur Masse der schwingungsfähigen Umgebung Einführung von Dämpfungsgliedern Vermeiden von Unwuchten Vermeidung oszillierender Kräfte, z.b. durch Verzahnungsfehler oder ungleichmäßige magnetische Luftspalte bei Elektromotoren