10.3 Wälzlager Grundlagen - Wirkungsweise

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1 10.3 Wälzlager Grundlagen - Wirkungsweise Laufflächen sind durch Wälzkörper getrennt, welche auf diesen abwälzen Beanspruchung im Wälzkontakt nach der Theorie von Hertz Heinrich Rudolf Hertz ( ) 41

2 10.3 Wälzlager Grundlagen Beanspruchung nach Hertz Wälzkörper werden bei Belastung senkrecht zur Berührungsebene abgeplattet Größe und Beanspruchung nach den Gleichungen von Hertz -> Hertzsche Pressung Wälzpaarung bei Linienberührung Quelle: Niemann, Maschinenelemente Wälzpaarung bei Punktberührung 42

3 10.3 Wälzlager Grundlagen Beanspruchung nach Hertz (1) Bezeichnung Linienberührung Punktberührung Spezifische Belastung Ersatzdurchmesser Stribecksche Wälzpressung mittlere Pressung Hertzsche Pressung k K F N N D1 leff D1 p p m H FN D l I eff FN 2 bl eff 4 ' m KE p / k K p p m H F F D / y 2 I N FN ab 3 p 2 m 1 3 ' 2 6 K E Erläuterungen auf nächster Seite Quelle: Niemann, Maschinenelemente 43

4 10.3 Wälzlager Grundlagen Beanspruchung nach Hertz (2) Erläuterungen: Ersatz-Elastizitätsmodul E für Sonderfall Stahl/Stahl = 2, MPa 1 E ' E E 2 D 1... kleinere der beiden Wälzkörper D I... kleinere der beiden Ersatzdurchmesser Sonderfälle für die Hertzsche Pressung: Zylinder/Ebene (Linienberührung) Kugel/ Ebene Punktberührung) K und k 0 in MPa 44

5 10.3 Wälzlager Grundlagen Aufbau und Wirkprinzip Quelle: Dubbel, 20te Auflage 45

6 10.3 Wälzlager Grundlagen Aufbau Axial- und Radiallager Quelle: Niemann, Maschinenelemente Radiallager Axiallager 46

7 10.3 Wälzlager Grundlagen Wälzkörper Wälzkörperformen: a. Kugel b. Zylinder c. Nadel d. Kegelrolle e. Tonnenrolle symmetrisch f. Tonnenrolle asymmetrisch 47

8 10.3 Wälzlager Grundlagen Käfigformen Käfigformen für Rillenkugellager a) b) c) d) a) b) c) d) Quelle: Niemann, Maschinenelemente 48

9 10.3 Wälzlager Grundlagen Schmiegung Schmiegung: Unterschiedliche Krümmung von Laufbahn und Wälzkörper a) weite Schmiegung geringe Reibungsverluste geringe Kippempfindlichkeit z.b. Rillenkugellager a) b) enge Schmiegung hohe Tragfähigkeit z.b. Tonnenlager (b) Quelle: Niemann, Maschinenelemente 49

10 10.3 Wälzlager Grundlagen Lagerluft und Druckwinkel Radiale und axiale Lagerluft sowie Druckwinkel von Rillenkugellagern links bei radialer, rechts bei axialer Belastungsrichtung Radiallager: Quelle: Dubbel, 20te Auflage Axiallager: 50

11 10.3 Wälzlager Grundlagen Empfehlung zur Lagerluft 1) Quelle: Niemann, Maschinenelemente 1) Erläuterung der Nachsetzzeichen unter Wälzlagerkurzzeichen 51

12 10.3 Wälzlager Bauformen für überwiegend Radialbelastung Quelle: Niemann, Maschinenelemente Abbildung: 52

13 10.3 Wälzlager Bauformen für überwiegend Radialbelastung Radialrollenlager Quelle: Niemann, Maschinenelemente Abbildung: 53

14 10.3 Wälzlager Bauformen für überwiegend Axialbelastung Quelle: Niemann, Maschinenelemente Abbildung: 54

15 10.3 Wälzlager Bauformen Linearführungen Quelle: DUBBEL 55

16 10.3 Wälzlager Bauformen Maße und Bezeichnung Abbildung: Quelle: Niemann, Maschinenelemente 56

17 10.3 Wälzlager Bauformen Maße und Bezeichnung Nachsetzzeichen Nachsetzzeichen beschreiben u. a.: äußere Form Abdichtung Käfigwerkstoff Maß- und Laufgenauigkeit Lagerluft Beispiel NU E.MA.C3 siehe auch LM N Quelle: SKF 57

18 Tragfähigkeit und Lebensdauer Statische Tragfähigkeit statische Beanspruchung: Stillstand oder nur langsame Relativbewegung Nachweis der Sicherheit gegen plastische Verformung statische Kennzahl C 0 statische Tragzahl, Annahme: Bleibende Verformung im Punkt der maximalen Beanspruchung < 1/10000 des Wälzkörperdurchmessers C 0 -> Lagerkatalog, Auszug in LM N Werte für die statische Kennzahl f s je nach Anforderung an die Laufruhe Bereich 0,5 4, kleine Werte bei geringen Anforderung -> LM A

19 Tragfähigkeit und Lebensdauer Statische Tragfähigkeit statisch äquivalente Belastung allgemeine Form Radialfaktor X 0 und Axialfaktor Y 0 aus Lagerkatalog Auszüge in LM A Beispiel: einreihiges Rillenkugellager: X 0 =0,6; Y 0 =0,5 F r F a Radialbelastung Axialbelastung spezielle Form für bestimmte Lagerbauformen -> LM A

20 Tragfähigkeit und Lebensdauer Dynamisch beanspruchte Lager nominelle Lebensdauer bzw. in Stunden L h10 L h min/ h n L 10 L 10 Lebensdauer in 10 6 Umdrehungen, welche von mindestens 90% einer größeren Anzahl gleicher Lager erreicht wird C dynamische Tragzahl -> Lagerkatalog, Auszug in LM N P dynamisch äquivalente Belastung Faktoren X und Y aus Lagerkatalog, Auszug in LM A p Lebensdauerexponent, p = 3 für Kugellager, p= 10/3 für Rollenlager 60

21 Tragfähigkeit und Lebensdauer Dynamisch beanspruchte Lager erweiterte Lebensdauer nach DIN ISO 281 erreichbare modifizierte Lebensdauer 10 6 Umdrehungen a 1 Ausfallwahrscheinlichkeit FAG-Katalog oder LM A a 2 Faktor für den Werkstoff a 3 Faktor für die Betriebsbedingungen (Schmierung, Temperatur) L 10 nominelle Lebensdauer bei 10% Ausfallwahrscheinlichkeit Quelle: : FAG 61

22 Reibung und Erwärmung Reibungsverluste durch: Rollreibung zwischen Wälzkörper und Laufbahn mit Gleitbewegung infolge Abplattung Gleitreibung am Käfig bzw. Führungsflächen Schmierstoffreibung: innere Reibung im Schmierstoff Ventilationsverluste bei hochtourigen Lagern Wälzverluste durch Verunreinigungen Betriebstemperatur Reibung in Lager und Abdichtung Fremderwärmung Lagertemperatur -> richtige Wahl der Lagerbauart 62

23 Kosten und Bezugsmöglichkeiten Stückkostenvergleich von Lagern gleicher äußerer Abmessung Quelle: Niemann, Maschinenelemente 63

24 Kosten und Bezugsmöglichkeiten Stückkostenvergleich von Lagern gleicher Tragfähigkeit Quelle: Niemann, Maschinenelemente 64

25 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Wahl der Passung allgemeine Hinweise Maßgebend für die Wahl der Passung ist die Wirkung der Belastung auf den jeweiligen Lagerring. Unterscheidung in: Punktlast: Lagerring steht relativ zur Lastrichtung still Umfangslast: Lagerring läuft relativ zur Lastrichtung um Der Ring mit Umfangslast muss fest sitzen! sonst Passungsrost 65

26 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Wahl der Passung - Belastungsverhältnis Belastungsfall Schema Bewegungsverhältnis Passung Umfangslast am Innenring, Punktlast am Außenring Punktlast am Innenring, Umfangslast am Außenring Belastung und Gehäuse stillstehend, Innenring umlaufend z.b. Getriebewelle Belastung und Gehäuse umlaufend, Innenring stillstehend z.b. Waschmaschinentrommel Belastung und Welle stillstehend, Außenring umlaufend z.b. Radlager Belastung und Welle umlaufend, Außenring stillstehend z.b. Unwucht am Innenring feste Passung notwendig, am Außenring lose Passung zulässig am Innenring lose Passung zulässig am Außenring feste Passung notwendig, 66

27 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Wahl der Passung Anhaltswerte für Lagersitz Quelle: Niemann, Maschinenelemente; weitere Hinweise in LM G

28 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Wahl der Passung Toleranzlage am Lager Quelle: DUBBEL Innen- und Außendurchmesser der Lager sind jeweils vom Nennmaß aus nach Minus toleriert (DIN 620), so dass sich mit einer Einheitsbohrung ein Schiebesitz und mit einer Einheitswelle ein Übergangssitz ergibt. 68

29 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung - Einführung Wellen müssen durch ein oder, je nach Lastrichtung abwechselnd, durch zwei Lager axial positioniert werden. Das jeweils nicht führende Lager sollte axial beweglich sein, um unzulässige Verspannungen aufgrund der Längentoleranzen bzw. ungleicher Wärmedehnung der Welle und des Gehäuses zu vermeiden (Ausnahme: angestellte Lagerung mit Schräglagern). Unterscheidung in: 69

30 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung - Fest-Los-Lagerung Bei Fest-Los-Lagerung führt das Festlager in beiden Richtungen. Als Festlager eignen sich axial beidseitig belastbare Lager oder Lagerpaare wie Rillenkugellager, zweireihige oder gepaarte Schräglager in O- oder X-Anordnung, Pendelrollenlager und Pendelkugellager, doppelseitig wirkende Axiallager und Zylinderrollenlager mit Halteborden. Als Loslager können Rillenkugellager, alle Radiallager und zweireihige Schräglager bzw. Schräglagerpaare in O- oder X-Anordnung eingesetzt werden, dabei muss der Innenring auf der Welle oder der Außenring im Gehäuse verschiebbar sein. Vorteil: einfache Montage, kein axiales Verspannen Nachteil: Reibungswiderstand, Gefahr der Passungsrostbildung, des Verschleißes oder des Ausschlagens der Sitze 70

31 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung - Fest-Los-Lagerung Fest-Los-Lagerungen (Prinzip) a) b) Quelle: DUBBEL 71

32 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung - Fest-Los-Lagerung Ausführungsbeispiel a) mit Rillenkugellagern als Fest- und Loslager (mit Verschiebung zwischen Außenring und Gehäuse für nicht umlaufende Lastrichtung am Außenring und umlaufende am Innenring) b) mit gepaarten Schrägkugellagern als Festlager und einem Zylinderrollenlager als Loslager (mit innerer Verschiebung) Quelle: DUBBEL 72

33 Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung Schwimmende/angestellte Lagerung = wechselseitige Führung durch zwei Lager mit Axialspiel als schwimmende bzw. Stütz-Traglagerung mit Rillenkugellagern oder Zylinderrollenlagern mit einem Haltebord bei Rillenkugellagern beide Lager mit Schiebesitzen innen oder außen ohne Axialspiel als angestellte Lagerung starr angestellte Lagerungen meist mit Schräglagern Wärmedehnungen beeinflusst Lagerluft Einstellung der Lagerluft in der Einbausituation über Muttern oder Schrauben oder über Pass-Scheiben bzw. zugepasste Zwischenringe Federanstellung meist mit Rillenkugellagern Ausgleich von Toleranzen und thermisch bedingten Längenänderungen. bei häufigen Richtungswechseln der Axialkraft mit Überschreitung der Federvorspannung Anlagewechsel mit Gleitbewegungen ist eine Fest-Loslager- Anordnung mit federbelastetem Loslager besser 73

34 Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung Schwimmende/angestellte Lagerung Ausführungsbeispiele für schwimmende Lagerung Quelle: DUBBEL 74

35 Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung Schwimmende/angestellte Lagerung Angestellte Lagerung in X-Anordnung Quelle: DUBBEL 75

36 Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung Schwimmende/angestellte Lagerung Angestellte Lagerung in O-Anordnung Quelle: DUBBEL 76

37 Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung Schwimmende/angestellte Lagerung Ausführungsbeispiele für angestellte Lagerung Quelle: DUBBEL a) b) 77

38 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Lageranordnung Zusammenfassung/Übersicht Quelle: Niemann, Maschinenelemente 78

39 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Gestaltungsbeispiele von Wälzlagerungen Quelle: FAG 79

40 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Gestaltungsbeispiele von Wälzlagerungen Quelle: FAG 80

41 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Gestaltungsbeispiele von Wälzlagerungen Quelle: FAG 81

42 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Gestaltung von Lagerungen Gestaltungsbeispiele von Wälzlagerungen Quelle: FAG 82

43 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Schmierung Aufgaben Verhinderung oder Verminderung von Verschleiß an Kontaktstellen mit gleitenden Bewegungsanteilen Abbau von Spannungsspitzen und zusätzlichen Reibungsschubspannungen an der Oberfläche der Kontaktfläche Korrosionsschutz Kühlung, indem sie die Abfuhr der Verlustleistung aus dem Lager unterstützen (nur mit Ölen bei ausreichender Durchströmung möglich) 83

44 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Schmierung Schmierstoffe z.b. Graphit, Wolframdisulfid, Molybdändisulfid (MoS2), Polytetrafluorethylen (PTFE) und Weichmetallfilme, Einsatz bei sehr hohen Temperaturen bzw. im Vakuum oder bei sehr langsamen bzw. oszillierenden Bewegungen kein trennender hydrodynamischer Flüssigkeitsfilm und keine verschleißmindernden Grenzschichten 84

45 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Schmierung Schmierstoffe Standardlösung für über 90% aller Wälzlagerungen, da geringer konstruktiver Aufwand für die Versorgung der Lagerstellen und für die Dichtungen Fettschmierstoffe: Seifengerüst (dient als Ölspeicher) plus Grundöl. Gebrauchsdauer hängt von den physikalisch-chemischen Fetteigenschaften, der Lagerbauart, der Drehzahl und der Temperatur ab Fettwechsel: Lager wird demontiert, gereinigt und neu befettet Füllmenge: rund 30% des nicht von bewegten Teilen überstrichenen freien Volumens für mittlere Drehzahlen Nachschmieren: Einbringen von neuem Fett bei sich möglichst drehendem Lager, gebrauchtes Fett wird soweit wie möglich verdrängt. 85

46 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Schmierung Schmierstoffe Ausführungsbeispiel für Fettschmierung Wälzlager mit Fettmengenregler Quelle: DUBBEL 86

47 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Schmierung Schmierstoffe Ölschmierung ist sinnvoll bei: vorhandener Ölversorgung benachbarter Maschinenelemente zu kurzer Gebrauchsdauer von Fetten, z.b. wegen hoher Drehzahlen, Unvertretbarkeit von häufigem Nachschmieren erforderlicher Wärmeabfuhr je höher die Drehzahlen -> kleinste Ölmengen (Tropfölschmierung, Ölnebelschmierung oder Öl-Luft-Schmierung), zwecks Minimierung der Scherverluste kontinuierliche Ölzufuhr durch: Öleinspritzschmierung (mit mindestens 15m/s zwischen Käfig und einem Ring, ausreichende Ablaufkanäle erforderlich) für hohe Drehzahlen Ölumlaufschmierung (drucklos, ggf. mit Hilfe von Förderringen oder der Förderwirkung von Lagern mit unsymmetrischen Querschnitten) für mittlere Drehzahlen Ölbad- oder Öltauchschmierung ist für niedrige Drehzahlen (Ölstand nur bis Mitte des untersten Wälzkörpers, sonst Schaumbildung bzw. hohe Planschverluste) 87

48 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Schmierung Schmierstoffe Ausführungsbeispiele für Ölschmierung Quelle: Decker, Maschinenelemente Tauchschmierung Umlaufschmierung 88

49 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Dichtungen Aufgaben Trennen von Räumen mit unterschiedlichen Betriebsstoffen oder zuständen (Druck, Temperatur) Verhindern von Schmiermittelverlust Schutz vor dem Eindringen von Fremdstoffen Einteilung der Dichtungen: Simmering 89

50 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Dichtungen - statische Dichtverbindung Beispiele Art der statischen Dichtverbindung Eigenschaften vollständig druckdicht bedingt lösbar Beispiel Kunststoffe Dichtlacke Schweiß- oder Lötverbindung lösbare Berührungsdichtung Anpresskraft erforderlich Flachdichtungen Profildichtungen (O-Ring) senkrecht zu ihrer Ebene elastisch verformbare Platten für hohe Druckdifferenzen, aber kleine Hübe stark verformbare Schutzhüllen für kleine Druckdifferenzen, aber große Hübe Flachmembran Rollmembran Metallfaltenbalg Kunststofffaltenbalg 90

51 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Dichtungen - dynamische Dichtverbindung Unterteilung Art der dynamischen Dichtverbindung berührungsfreie Dichtverbindung mit definiertem engem Dichtspalt Eigenschaften Beispiel Drossel-Spaltdichtung Drossel-Labyrinthdichtung - offen - verzahnt berührungsfreie Dichtverbindung druckfreie Spaltdichtung druckfreie Labyrinthdichtung Berührungsdichtung Stopfbuchse Lippenringe Radialwellendichtring 91

52 10.4 Gestaltung, Schmierung und Abdichtung Dichtungen - dynamische Dichtverbindung Abdichtung bei Fettschmierung Schutz gegen Zutritt von festen und flüssigen Verunreinigungen sonst Korrosion, Verschleiß und vorzeitige Ermüdungsschäden Aktive Dichtelemente werden daher bei Fettschmierung bevorzugt nach außen fördernd eingebaut. meist berührungslose Dichtungen ausreichend (von Konsistenz des Fettes abhängig) Bei Überschmierung soll überschüssiges Fett entweichen können beste Dichtwirkung durch berührende Dichtungen mit vorgeschaltetem Labyrinth 92

53 Dichtungen - dynamische Dichtverbindung Dichtungen gegen Zutritt von Verunreinigungen und Fettaustritt berührungsfreie Dichtungen für Lager mit Fettschmierung Quelle: DUBBEL 93

54 Dichtungen dynamische Dichtverbindung Dichtungen gegen Zutritt von Verunreinigungen und Fettaustritt Berührende Dichtungen für Lager mit Fettschmierung Quelle: DUBBEL 94

55 Dichtungen - dynamische Dichtverbindung Abdichtung bei Ölschmierung Bei Ölschmierung ist es vordringliche Aufgabe, das Öl im Lagergehäuse zu halten. möglichst aktive Dichtelemente einsetzen, die nach innen fördern solange der Ölstand die Dichtflächen nicht erreicht auch Labyrinthdichtungen möglich, bei höherem Ölstand berührende Dichtungen erforderlich Zum Schutz gegen Verunreinigungen dienen äußere Zusatzdichtungen oder zusätzliche äußere Schutzlippen (Fettreservoir als Schutz gegen Verschleiß vorteilhaft). 95

56 Dichtungen - dynamische Dichtverbindung Dichtungen gegen Austritt von Öl Berührungsfreie Dichtungen für Lager mit Ölschmierung Quelle: DUBBEL 96

57 Dichtungen - dynamische Dichtverbindung Dichtungen gegen Austritt von Öl Berührende Dichtungen für Lager mit Ölschmierung Quelle: DUBBEL 97

58 Dichtungen dynamische Dichtverbindung Radial-Wellendichtring Die ersten Radial-Wellendichtringe (der 1929 von Walther Simmer entwickelte Simmering) bestanden aus einer Lederscheibe, die mit zwei Blechteilen in einem Blechgehäuse festgehalten waren. Aufgrund der geringen thermischen Belastbarkeit, sowie hinsichtlich der Verträglichkeit mit den verschieden Schmierstoffen, waren dem Einsatz dieser Dichtungen jedoch enge Grenzen gesetzt. Auf der Suche nach besser geeigneten Materialien für die Dichtkante wurden ab 1936 bei der Firma Carl Freudenberg in Weinheim erstmals Dichtringe aus Nitrilkautschuk hergestellt. Bereits 1941 war der Radial-Wellendichtring so weit verbreitet, dass er in DIN 6503 (Gummi-Manschette geklemmt) und DIN 6504 (Gummi-Manschette anvulkanisiert) genormt wurde 98

59 Dichtungen dynamische Dichtverbindung Radial-Wellendichtring Aufbau eines Radialwellendichtringes Quelle: Steffen Buhl, Bericht 117 IMA Uni Stuttgard 99

60 Dichtungen dynamische Dichtverbindung Radial-Wellendichtring Einflussgrößen auf die Dichtwirkung 100

61 Dichtungen dynamische Dichtverbindung Radial-Wellendichtring Funktionsweise eines Radialwellendichtringes 101

62 Zusammenfassung Lager dienen der Führung und Abstützung bei Relativbewegung. Die Beherrschung von Reibung und Schmierung ist Voraussetzung für die Funktion von Lagern. Gleit- und Wälzlager unterscheiden sich in der Größe der Kontaktfläche und in der Art der Reibung. Einfache rechnerische Nachweise für Gleitund Wälzlager gestatten eine schnelle Dimensionierung. Lagerungen sollten möglichst statisch bestimmt ausgeführt werden. Abdichtungen schützen Lager vor Verschmutzung und die Umgebung vor Schmiermittel. 102

63 Literaturhinweise Zitierte und vertiefende Literatur: Fronius: Konstruktionslehre, Antriebselemente Dubbel, Springer-Verlag 1999 Decker: Maschinenelemente Niemann: Maschinenelemente Bd.1, 4. Auflage historische Bilder: 103