7.Wälzlager. Maschinenelemente Einleitung Lager allgemein

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1 7.Wälzlager 7.1 Einleitung Lager allgemein Grundaufgabe und Einteilung: - Sicherung einer gewünschten Lage - Übertragung von Kräften von einem bewegtem Teil zu einem im Allgemeinen ruhenden Teil - für Drehbewegung - für lineare Bewegungen (Führungen) Einteilung nach der Art der wirkenden Kräfte: Radialbelastung(*) Axialbelastung(*) Radial- und Axialbelastung (*)= sollen Loslager sein Einteilung nach dem Wirkprinzip Verschleißlager, kein/kaum Schmiermittel Hydrodynamisches Lager, Schmiermitteldruck p baut sich selbst auf Hydrostatisches Lager, p>0 von außen zugeführt Wälzlager Seite 1

2 Wälzlager häufigste Lagerart Vorteile - geringe Anlaufreibung - einfache und fast wartungsfreie Dauerschmierung - geringe Schmierstoffmengen - große Tragfähigkeiten - geringe Einbaubreiten - Normung (Vorteile bei Ersatzbeschaffung) - einfache Berechnung - auch für hohe/niedrige Drehzahlen Vorteile hydrodynamischer Gleitlager gegenüber Wälzlager - Geräuschärmerer Lauf - Unempfindlicher gegen Stöße (auch im Stillstand) - Möglichkeit der Lagerverteilung - Bis zu höchsten Drehzahlen geeignet - bettungsfähig - verschleißfreier Lauf 7.2 Arten und Bauformen von Wälzlagern Rillenkugellager: - Selbsthaltend - Hohe Drehzahlen - Radial- und Axialbelastung in beiden Richtungen zulässig - Weiter Eigenschaften siehe Folie Achtung: Winkeleinstellbarkeit beachten! besser: Pendelkugellager/ Pendelrollenlager Axial-Rillenkugellager: - ausschließlich für hohe Axiallasten - geringe Radiallastenmöglich Sonderbauarten - Großwälzlager - Kugeldrehverbindungen - Rollendrehverbindung Beispiel: Bagger Seite 2

3 Kugellager: - Punktberührung zwischen Kugel und Ring Hertzsche Pressung Rollenlager: - Linienberührung, ebenfalls Hertzsche Pressung Zylinderrollenlager: - nicht selbsthaltend - axiale Verschiebung möglich - hohe Drehzahlen - hohe Radialbelastungen möglich Pendelrollenlager: - hohe Radial- und mittlere Axialbelastungen - geringe Drehzahlen - hohe Winkelbeweglichkeit Vorsicht bei Windenergie anlagen nicht als Planetenradlager verwenden Schäden! 7.3 Aufbau und Werkstoffe Aufbau Beispiel: Rillenkugellager Warum Käfig? gleichmäßiger Abstand de Wälzkörper Zusammenhalten bei teilbaren Lagern Verhinderung der gegenseitigen Berührung der Wälzkörper ohne Käfig mit Käfig Käfigdrehzahl bei feststehendem Außenring Kinematische Daten eines Lagers sind wichtig für die Maschinendiagnose! Entdeckung von Schäden über Änderung von Frequenzen und Pegeln: Käfigausführungen: - Blech (Stahl/Messing) gestanzt/genietet - Massivkäfig aus Stahl, Messing, Spezialgusseisen - Kunststoffe mit/ohne Gewebeeinlage für hohe Umfangsgeschwindigkeiten Seite 3

4 7.3.2 Werkstoffe Anforderungen: - hohe Härte (Kugeln 63 ± 3 HRC, sonstige Teile 62 ± 3 HRC) - ausreichende Zähigkeit - hohe Verschleißfestigkeit - an den Berührungsstellen Hertzsche Pressung durch Punkt- oder Linienberührungen Werkstoffe: - Chromligierte Stähle 100Cr6, 100CrMn6 Stribeck erkannte zu Beginn des 20.Jh., dass schwach legierte Chromstähle gut geeignet sind Reibung in Wälzlagern Rollreibung: Beim Abrollen zwischen Kugel(Rolle) und Bahn entstehen Verformungen an den Berührungsstellen ( Wulstbildung ) vor der Kugel/Rolle (Bsp. Ball in Sand). Formänderung ist richtungsabhängig, größere Verformungen in Richtung der Bewegung - Resultierende des Flächendruckes greift außermittig an - Unterschiedliche Formänderung bei Be- und Entlastung (Hysterese) - Elastische Hysterese ist ein Maß für den Rollwiderstand Gleitreibung: - an Borden - Wälzkörper im Käfig - Durch Schmierstoff - Käfig berührt Innen-/Außenring - Deck-/Dichtscheiben Schmiermittelreibung: - Fett, Öl, Luft - zu viel Schmiermittel bei schnelllaufenden Lagern Heißlaufen!!Gefahr Brand!! - Bestimmung eines ideellen Reibwerts d: Bohrungsdurchschnitt F: F= : Reibmoment := 0,001. 0,005 : beim Anlauf = 2.3 Seite 4

5 Für Überschlagsrechnungen gilt: Maschinenelemente 2 ( Pendelkugellager Zylinderrollenlager = 0,0011 Gleit- Axialrillenkugellager = 0,0013 anteile Schrägkugellager = 0,0014 steigen Kugel-/Pendelrollenlager = 0,0015 Nadellager ohne Käfig = 0,0045 V Maschinenbau: Reibungsverluste bei normalen Drehzahlen vernachlässigbar ~ 6000 Drehzahlen zu berücksichtigen., bei höheren Feinwerktechnik: - Reibung wird immer berücksichtig - Bei Berührungsschichten können Reibungsverluste um eine 10er-Potenz größer sein 7.4 Berechnungen der Wälzlager (Begriffe) s.a. Arbeitshefte sowie Wälzlagerkataloge ( SKF,INA,FAG, ) Ausfallursachen und daraus abgeleitete Berechnungs- und Auswahlkriterien - Beeinträchtigung der Laufgüte durch bleibende Verformung Statische Tragzahl - Werkstoffermüdung durch Überrollung (Hertzsche Pressung) führt an Laufbahnen und Wälzkörpern zu Mikroanrisse, Pittings(Abplatzer) und Abschälungen - Lebensdauer - Dynamische Tragzahl c - Zulässige Drehzahlen Thermische Bezugszahl Wälzlagerkatalog Grenzdrehzahl (mechanisch - kinetische Grenzen) - Fettalterung: Fettgebrauchsdauer - Verschleiß: Faktor Seite 5

6 7.4.2 Begriffe der Tragzahl Die statische Tragzahl ist die Belastung, die eine bleibende Verformung des fachen Wälzkörperdurchmesser hervorruft. Die dynamische Tragzahl c wird durch Laufversuche ermittelt: Sie ist so definiert, dass die zugehörige Lebensdauer in Umdrehungen von 90% einer größeren Anzahl gleicher Lager erreicht wird. Dabei ist die aufgebrachte Last eine reine Radiallast, der Innenring rotiert. Das Experiment liefert folgendes empirisches Gesetz: Lundberg/Palmgren,1947,SkF,Göteborg Wälzlager: : Lebensdauer in Stunden [h] bei n% Ausfallwahrscheinlichkeit, z.b. => 10% Ausfallwahrscheinlichkeit C: Dynamische Tragzahl (aus Katalog) [N] P: Äquivalente Lagerbelastung (Kraft) [N] = f (, ) n: Drehzahl [ ] p: Lebensdauer-Exponent (Kugellager p=3 ; Rollenlager p= ) Ausfallkriterium: Schubspannungen unterhalb der Oberfläche im Zusammenwirken mit Schwachstellen des Werkstoffes sind verantwortlich für die Ermüdung =>Ausbruch =>Schälung (Hertzsche Pressung). Kugel Punktberührung Rolle Linienberührung Belastungsdauer: 500h Bezugsdrehzahl: 33 Seite 6

7 Lebensdauerfaktor, dynamische Kennzahl Drehzahlfaktor, 1, n=33 p: Kugellager p=3; Rollenlager p= P: Äquivalente Lagerlast C: Dynamische Tragzahl Temperraturfaktor, =1 bei t= 150 C 1, 500h Statische Tragfähigkeit Plastische Verformungen können auftreten bei: Hoher Belastung im Stillstand Hoher Belastung und kleinem Schwenkwinkel Hohen und kurzen Lastspitzen während des Umlaufs Um vom Testfall auf dem Einsatzfalle schließen zu können, ist die äquivalente Belastung zu ermitteln: = => stat. Kennzahl Je höher, desto besser ist die Laufgüte(Geräusch). >s. Lagerkatalog Lebensdauerberechnung (Dynamische Tragfähigkeit) s.a. Arbeitshefte (=1): Lebensdauerbeiwert für Erlebenswahrscheinlichkeit (=1): Lebensdauerbeiwert für Werkstoffe und Schmierstoffe (=1): Härtefaktor (=1): Temperaturfaktor Bestimmung von LA 7 -, Ölviskositätsklassen => Betriebsviskosität - n, mittlere Lagerdurchmesser => Bezugsviskosität - κ= Viskositätsverhältnis => Lebensdauerbeiwert Seite 7

8 - Bei Einbeziehung aller Faktoren, insbesondere o Modifizierte (erweiterte) Lebensdauerberechnung Übliche Werte aus Tabellen, Diagramme, siehe Arbeitsheft bzw. Lagerkatalog Ferner: Lebensdauerberechnung nach ISO 281, Beiblatt 4, zusätzliche Berücksichtigung sämtlicher Elastizitäten, d.h. Wellenbiegung, Gehäuseverformung, Lagerverformung INA: Bearinx SkF: Mammut Berechnung der äquivalenten dynamischen Lagerbelastung P C: gilt für folgende Belastungsverhältnisse: symmetrische Radiallager einreihige Schräglager; Lastrichtung so, dass der halbe Lagerumfang belastet ist Axiallager: P: Äquivalente dynamische Belastung : P= Berücksichtigung des Unterschiedes zwischen Nenndruckwinkel α und Betriebsdruckwinkel (Lastwinkel) β. Je größer α, desto höher ist die axiale Tragfähigkeit. Berücksichtigung durch Fallunterscheidung: Berücksichtigung verschiedener Belastungsverhältnisse. P= Seite 8

9 Sonderfälle: - Lineare Lastveränderung zwischen - sinusförmige Lastveränderung - Zusammengesetze Belastung z.b. Umwelt siehe Folie Punkt- und Umfangslast Abweichende Umlaufverhältnisse im Vergleich zum Versuch (hier läuft der Innenring um) Innenring ist höher beansprucht: o Geringer Umfang => größere Überrollungshäufigkeit als beim Außenring o Größere Krümmung => höhere Hertzsche Pressung Umfangslast Innenring: o Innenring dreht sich gegenüber der Lastrichtung Punktlast Innenring: o Innenring behält Position gegenüber Lastrichtung Ähnliche Definition für Außenring siehe Folie daraus folgt Passungsregel Umfangslast: feste Passung des entsprechenden Ringes Punktlast: Spiel- oder Übergangspressung des entsprechenden Ringes, anderenfalls => besteht Gefahr durch Wandern der Ringe => z.b. Passungsrost, Ovalitäten => Fehler beim Zahneingriff => Schäden 7.6 Konstruktive Durchbildung von Wälzlagerungen Einbaurichtlinien Eigenes Toleranzsystem für Wälzlager Berechnete Lebensdauer wird nur bei richtigem Einbau erreicht (Montage beachten) Passungswahl ist wichtig siehe Lagerkatalog Lageranordnung Fest-Los-Lagerung Stützlagerung o Angestellte Lagerung (Folie 33 oben) (X-, O- und Tandemanordnung) o Schwimmende Lagerung (Folie 33 unten) Einsatz z.b.: bei Doppelschrägverzahnung Seite 9

10 7.6.3 Fest-Los-Lagerung Festlager übernimmt radiale Abstützung und axiale Führung der Welle in beide Richtungen. Festlagertyp muss kombinierte Lasten aufnehmen können Loslager übernimmt nun radiale Abstützung - lässt axiale Verschiebung zu - Vermeidung von Verspannungen, z.b.: durch Wärmedehnung Bsp.: siehe Folie 31 Innenring-Befestigung Spannhülsen, Abziehmuttern, Mutter mit Sicherungsblech, Endscheiben, Querpresspassung, Sicherungsring, Abstandshülsen Außenring Lagerdeckel und Ansatz in Gehäusebohrung, Lagerdeckel und Sicherungsring, Absatz in Gehäusebohrung, Sicherungsring, Abstandshülse Verschiedene Lageranordnungen Siehe bereits dort alles ergänzt Gehäusebohrungen Bohrungen mit gleicher Achse müssen in einer Aufspannung bearbeitet werden: Bohrungen mit gleicher Achse möglichst mit gleichem Durchmesser, gleicher Passung, ohne Absätze und mit hoher Oberflächengüte fertigen. Problem mit Verzahnung bei schiefer Bohrungslage. Einseitiger Zahnkontakt Vorspannungen von Lagern Wälzlager braucht je nach Anwendungsfall positives oder negatives Betriebsspiel. Normale Lagerluft ist so bemessen, dass bei üblichen Passungen und normalen Betriebsbedingungen ein zweckmäßiges Betriebsspiel verbleibt. Bsp.: kleine Elektromotoren oder Lager mit oszillierenden Bemessungen bekommen ein negatives Betriebsspiel (Vorspannung) siehe auch Katalog Seite 10

11 Mindestbelastungen ist für ein Lager erforderlich Vermeidung von Schäden durch Gleitbewegungen o Bsp.: Pendelrollenlager in Windturbinen Getriebe mit Schadensfällen Achtung: Lager nicht überdimensionieren = 0,02C Rollenlager 0,01C Kugellager => Problem bei Teillasterprobung von Getrieben und Transport Schäden => Problem bei stark schwankenden Belastungen z.b.: Windturbine: Schwachwind Sturm 7.7 Schmierung von Wälzlagern Nur geringe Schmierung erforderlich Art der Schmierung beeinflusst: o o o Gehäuseausbildung Art der Schmiermittelzufuhr Art der Dichtung Fettschmierung Abhängig von Drehzahl und Lagergröße muss Fett nach bestimmten Zeiträumen erneuert/zugefügt werden. - Fettwechsel im Betrieb durch Fettmengenregler oder Zentralschmieranlage - Patronen - Lifetime-Schmierung Ölschmierung o Hochbelastete Wälzlager werden ölgeschmiert (gute Wärmeabfuhr) o Ölwechsel oftmals ausreichend, ansonsten Ölzufuhr direkt über Leitungen (Umlaufschmierung) Kugellager Rillenlager Pendelrollenlager 0,1g/h 0,2g/h 0,4g/h Sonderschmierung bei temperaturbeanspruchten Lagern: Aceton - Graphit - Lösungen > verdampft >schmiert Aber auch Tendenz zu ölfreien Getrieben: - Lebensmittelindustrie - Druckindustrie Seite 11

12 7.8 Dichtungen - Fernhalten von Staub und Wasser(Verschmutzung) - Verhinderung von Schmiermittelaustritt - Verhinderung von Überschmierung Zwei Arten von Dichtungen bei Wälz-/Gleitlagern - schleifend - berührungsfrei Schleifende Dichtungen - Abdichtung spaltenlos - erforderlich, sorgfältig, bearbeitete Gleitflächen =>(drallfrei geschliffen) <= - begrenzte Lebensdauer wegen Verschleiß - Erwärmung bei hohen Drehzahlen => Zerstörung - Filzringe, Stoffbuchsen - Wellendichtring - Membrandichtungen aus Polyamid/Blech Seite 12