3. Praktikumsarbeit Grundkenntnisse über Wälzlager

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1 1 Markus Imhof, T11b 3. Praktikumsarbeit Praktikumsstelle: Düker GmbH & Co. KGaA Grundkenntnisse über Wälzlager In den vergangenen Monaten war ich in verschiedenen Abteilungen bei der Firma Düker eingesetzt. Dadurch wurde mir ein umfassender Einblick in die verschiedenen Arbeitsaufgaben dieses Betriebes gewährt. So durfte ich in der Schlosserei mehrmals bei Reparaturen an der Beschleunigungsanlage für die Kukillen mitarbeiten. In der Elektrowerkstatt habe ich schon öfters bei Wartungen von Elektromotoren mitgeholfen. Bei allen Reparaturen spielte dabei das Kugellager eine wichtige Rolle. Selbst bei meinem Fahrrad, das ich zur Zeit bei mir daheim nach und nach selbst zusammenbaue, musste ich Kugellager (=eine Art von Wälzlager) in den Rahmen pressen. Dabei wurde mir erst einmal bewusst, welchen großen und wichtigen Einsatzbereich diese Lager besitzen. Deshalb möchte ich meine dritte Praktikumsarbeit über die Wälzlager schreiben. Gliederung: 1.) Begriffserklärung: Wälzlager 2.) Aufbau von Wälzlagern 3.) Verschiedene Typen von Wälzlagern und ihre Einsatzgebiete 4.) Praxisbeispiel: Einbau von Kugellagern 5.) Wahl des Schmierstoffs

2 2 Markus Imhof, T11b 1.) Begriffserklärung: Wälzlager Da der Begriff Wälzlager eher unbekannt ist, möchte ich diesen zunächst näher definieren. Wälzlager ist ein Oberbegriff, der verschiedene Lagerarten zusammenfasst. Die wohl bekanntesten Lager darunter sind die Kugellager, die Zylinderrollenlager und die Nadellager. Es gibt jedoch jeweils noch weitere Unterschiede bei den jeweiligen Lagern. Wälzlager werden hauptsächlich in Maschinen eingesetzt, in denen Wellen oder andere Bauteile sich um ihre eigene Achse drehen. Die Wälzlager werden dann dazu verwendet, die Wellen zu fixieren und sie gleichzeitig mit einer möglichst geringen Reibung rotieren zu lassen. (SKF Hauptkatalog, S. 7-13) 2.) Bauweise von Wälzlagern Grundlegend ist jedes Lager gleich aufgebaut. Wie man anhand des Bildes sehen kann, dienen der Außenring (=Nummer 1) und der Innenring (=Nummer 2) zur Führung des Wälzkörpers (=Nummer 3). Bei diesem Bild handelt es sich um ein Kugellager, da die Wälzkörper in diesem Beispiel Kugeln sind. Die Kugeln werden wiederum von einem Käfig (= Nummer 4) in Position und im gleichmäßigen Abstand zueinander gehalten. Der Aufbau von Außenring, Innenring und Wälzkörper ist Abb. 1: Bauweise eines Kugellagers immer gleich. Bei manchen Lagern, besonders bei älteren, ist ein Käfig nicht notwendig. Sie kommen auch ohne Käfig aus, dadurch ist der Verschleiß jedoch auch größer als bei Wälzlagern mit Käfig.

3 3 Markus Imhof, T11b 3.) Verschiedene Typen von Wälzlagern und ihre Einsatzgebiete: Da es bis zu 20 verschiedene Lagerarten gibt, die sich untereinander noch einmal unterscheiden, möchte ich hier nur die gängigsten Typen beschreiben und erklären. Grundsätzlich lassen sich die Wälzlager in zwei Typen untergliedern, nämlich in Kugellager und Rollenlager. Diese werden wiederum in Axial- und Radiallager eingeteilt. Abb. 2: Radial-Rillenkugellager Abb. 3: Axial-Rillenkugellager Der Aufbau von Radial- und Axiallagern unterscheidet sich nur darin, dass die Wälzkörper nicht zwischen einem äußerem und einem innerem Ring laufen, sondern durch zwei gleich große Ringe geführt werden, welche übereinander liegen. Radiallager dienen zur Führung und Fixierung von Wellen, Axiallager hingegen lagern zwei übereinanderliegende Teile so, dass diese sich unabhängig voneinander drehen lassen können. Nun möchte ich mich den einzelnen Lagertypen zuwenden. Das bekannteste Wälzlager ist das Rillenkugellager. Dieses Lager gibt es sowohl als Axial- als auch als Radiallager. Der Vorteil von diesem Lager ist zum Einen die geringe Reibung, da die Kugeln als Wälzkörper nur eine sehr geringe Auflagefläche in dem Außen- und Innenring Abb. 4: Typisches Rillenkugellager haben. Dadurch haben sie einen sehr hohen Wirkungsgrad, wodurch nicht viel Energie aufgewendet werden muss, um das Lager rotieren zu lassen. Zum Anderen sind die Rillenkugellager sehr geräuscharm. Aufgrund des günstigen Energieverbrauchs, der Laufruhe und der geringen

4 4 Markus Imhof, T11b Empfindlichkeit, werden sie meistens in kleinen bis mittleren Elektromotoren eingebaut. Zudem können sie ohne Bedenken mit hohen Drehzahlen betrieben werden. Jedoch können Rillenkugellager nur relativ kleine Kräfte aufnehmen. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind sie sehr häufig in Haushalts- und Büromaschinen zu finden. (SKF Hauptkatalog, S. 14) Ein weiteres geläufiges Wälzlager ist das Zylinderrollenlager. Auch dieses Lager gibt es als Axial- und Radiallager. Hier werden, wie der Name schon verrät, Stahlzylinder als Wälzkörper verwendet. Insgesamt gesehen haben auch Zylinderrollenlager eine geringe Reibung. Jedoch ist sie im Vergleich zu dem Rillenkugellager etwas größer, da die Stahlzylinder als Wälzkörper in den Ringen einfach eine größere Auflagefläche als die Kugeln haben. Somit ist ihre Geräuschentwicklung auch etwas höher als bei den Abb. 5: Typisches Zylinderrollenlager Rillenkugellagern. Jedoch können auch sie sehr hohen Drehzahlen standhalten (z.b. von Elektromotoren). Der Nachteil zu den Kugellagern besteht darin, dass der Wirkungsgrad etwas niedriger ist. Der Vorteil von Zylinderrollenlager ist, dass sie im Vergleich zu den Rillenkugellagern sehr belastbar sind. Zylinderrollenlager kommen deshalb in großen Elektromotoren zum Einsatz, bei denen besonders schwere Teile rotierend gelagert werden müssen. Bei dem Wälzlager, das ich in mein Fahrrad eingebaut habe, handelt es sich um ein Zylinderrollenlager, da es immerhin meine gesamte Körpermasse tragen muss. Ein Rillenkugellager würde diesen hohen Belastungen nicht so lange standhalten. (SKF Hauptkatalog, S.14) Ein anderes gängiges Lager ist das Nadellager. Nadellager gibt es als Radial- oder Axiallager. Bei den Wälzkörpern handelt es sich, wie man vermuten kann, um Stahlstifte mit geringem Durchmesser und relativ großer Länge, welche an Nadeln erinnern. Sie werden häufig ohne Innenring gefertigt und verwendet. Da sie meistens direkt an Wellen verbaut werden, dient die gehärtete Oberfläche der Wellen als Lauffläche für die Nadellager. Der Vorteil dieser Lager besteht darin, dass sie höhere

5 5 Markus Imhof, T11b Abb. 6: Typisches Nadellager Belastungen als Kugellager standhalten und zugleich eine relativ geringe Einbauhöhe im Vergleich zu Kugel- und Zylinderrollenlager haben, da die Nadellager aufgrund ihrer dünnen Stifte sehr flach sind. Der Nachteil hingegen liegt darin, dass sie nur für geringe Drehzahlen bestimmt sind. Die Reibung und der Energieverbrauch ist im Vergleich auch höher als bei den anderen beiden Lagerarten. (SKF Hauptkatalog, S. 56) 4.) Einbau von Kugellagern: In meinem Praktikum habe ich mitgeholfen, die Kugellager an einer Beschleunigungsanlage für die Fertigung von Gussrohren auszutauschen. Hierbei wurde mir erklärt, auf welche Weise man ein Wälzlager einzubauen hat. Zusätzlich zeigte man mir spezielle Tricks und Tipps, welche ich hier in meiner Praktikumsarbeit wieder gebe. Bei der Beschleunigungsanlage mussten wir zunächst die alten, defekten Lager mithilfe eines Schonhammers aus den Bohrungen herausschlagen, in denen sie verpresst waren. Da die Lager kaputt waren, hätte man diese Arbeit auch mit einem normalen Hammer durchführen können. Anschließend reinigten wir die Bohrungen, damit die neuen Lager besser eingepresst werden konnten. Jetzt konnten wir mit der Montage der neuen Lager beginnen. Hier ist die Passung für das Lager sehr genau gewesen, sodass wir es nicht mit einem Schonhammer in die Bohrung schlagen konnten. Deshalb haben wir die Lager in einen Eimer mit flüssigem Stickstoff (= -196 C) eingelegt, wodurch diese sich etwas zusammengezogen haben. Gleichzeitig haben wir die Teile, in denen die Bohrungen für die Lager waren, auf einer elektrische Heizplatte erwärmt, dadurch haben diese sich etwas ausgedehnt. Nun konnten wir die Lager ohne Probleme in die Bohrungen einsetzen.

6 6 Markus Imhof, T11b Hat man jedoch keinen flüssigen Stickstoff zur Hand, muss man sich etwas anderes überlegen. Was man jedoch nie machen sollte, ist die Lager einfach mit einem Hammer und mit Gewalt in die Passungen zu schlagen, denn dadurch werden die Lager beschädigt bzw. zerstört. Dreht man falsch montierte Lager einmal von Hand, merkt man, dass sie schwergängig sind, oder dass sie sich nicht mehr ruhig drehen lassen. Deshalb presst man die Lager am Besten mit einer Art Presse beidseitig plan in den Lagersitz. Hierfür kann man beispielsweise einen Schraubstock verwenden. An meinem Fahrrad habe ich mir jedoch etwas anderes Einfallen lassen müssen. Ich habe einfach eine Gewindestange, zwei Muttern und zwei Beilagscheiben verwendet. Auf die Gewindestange habe ich die zwei Zylinderrollenlager und das Zwischenstück geschoben. Danach habe ich die Beilagscheiben zwischen die Muttern und den Lagern platziert, damit der Druck gleichmäßig auf die Lager ausgeübt wird. Anschließend konnte ich einfach die Muttern immer weiter auf die Gewindestange schrauben, wodurch sich die Lager gleichmäßig und parallel in den Lagersitz des Rahmens pressten. Abb. 7: Lagersitz meines Fahrradrahmens Abb. 8: Zylinderrollenlager und Distanzstück für mein Fahrrad Abb. 9: Selbstgebaute Lagerpresse

7 7 Markus Imhof, T11b Abb. 10: Lagerpresse mit aufgeschobenen Teilen Abb. 11: Eingepresste Lager 5.) Wahl des Schmierstoffes Neben dem sorgfältigem Einbau der Lager muss man auch noch auf andere Gesichtspunkte achten. So ist es sehr wichtig, einen passenden Schmierstoff für die Wälzlager zu wählen. Der Schmierstoff ist auf den Einsatzort und auf die Drehzahlen des Lagers abzustimmen. Dass die Wahl des Schmierstoffes ein sehr wichtiger Arbeitsschritt ist, kann man an der Beschleunigungsanlage der Firma Düker sehen, die ich mit einem Angestellten in der Schlosserei wie oben beschrieben repariert habe. Wir haben jedes Lager vor dem Einbau mit einem hitzebeständigen Spezialfett eingeschmiert. Das spezielle Lagerfett verwendeten wir deshalb, weil die Lager der Beschleunigungsanlage sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Außerdem entsteht in den Lagern eine relativ hohe Reibungswärme. Normales Fett würde den hohen Temperaturen nicht standhalten und würde sich mit der Zeit verhärten. Dadurch würde der Schmierstoff die Lager blockieren, wodurch diese sich dann nicht mehr drehen lassen. Deshalb sollte man bei der Wahl der Schmierung immer auf den Einsatzort und den Verwendungszweck des jeweiligen Lagers achten. (SKF Hauptkatalog, S )

8 8 Markus Imhof, T11b Quellenverzeichnis Literatur: Schwedische Kugellager Fabriken: SKF Hauptkatalog, Schweinfurt 1992 Bilder: Abb. 1: Rillenkugellager mit Beschriftung (letzter Zugriff: ) : Abb. 2: Radial-Rillenkugellager (letzter Zugriff: ): Abb. 3: Axial-Rillenkugellager (letzter Zugriff: ) : rdax_95.jpg Abb. 4: Typisches Rillenkugellager (letzter Zugriff: ) : oducts/deep_groove_ball_bearings/radial_ball_bearings.jsp Abb. 5: Typisches Zylinderrollenlager (letzter Zugriff: ) : oducts/cylindrical_roller_bearings/cylindrical_roller_bearings.jsp Abb. 6: Typisches Nadellager (letzter Zugriff: ) : al_extraction_and_processing/103272_nlr_rgb_col_2.jpg Abb. 7-11: Eigene Fotos und eigene Bildbearbeitung