Radiallager

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  Rillenkugellager
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  Zweireihiges Rillenkugellager
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  Schulterkugellager
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  Einreihiges Schrägkugellager

Rillenkugellager (DIN 625)

Der bekannteste Typ ist das Rillenkugellager. Es ist dafür ausgelegt, überwiegend radiale Kräfte aufzunehmen. Da die Kugeln auch seitlich eng an den Laufrillen anliegen, somit Ringe und Kugeln axial nicht gegeneinander verschiebbar sind, kann dieses Lager auch geringe axiale Kräfte aufnehmen. Eine Faustregel besagt, dass die axiale Belastbarkeit ungefähr 50 % der radialen Belastbarkeit beträgt. Laut SKF-Katalog 2005 sollte die axiale Belastung im Allgemeinen den Wert 0,5 C₀, bei kleinen und leichten Lagern 0,25 C₀ nicht übersteigen. Druckwinkel ${\displaystyle \alpha =0^{\circ }}$ Rillenkugellager gibt es als Miniaturkugellager bereits ab der Abmessung von 0,6 × 2,5 × 1 mm (d × D × B). Natürlich eignen sich auch diese Rillenkugellager für eine axiale Belastung, z. B. bei der Lagerung von Spindeln in kleinen CNC-Maschinen. Wie schon geschrieben wurde, ist die Leistung bei solchen Lagern aber dann auf etwa 50 % der radialen Tragkraft begrenzt. Aber größere Lager haben bei 50 % Belastung auch sicher keinerlei Probleme, in axialer Richtung eine sichere Lagerung darzustellen. C₀ ist die radiale Tragfähigkeit eines Lagers. Bei kleinen Lagern (Bohrungsdurchmesser bis etwa 12 mm) und bei den leichten Lagern mit den Endziffern 0, 1, 8 und 9 sollte die axiale Belastung auf 0,25 mal C₀ begrenzt bleiben. Zu große Axialbelastungen können eine erhebliche Verringerung der Lagerlebensdauer zur Folge haben.

Schrägkugellager (DIN 628)

Einreihig

Das Schrägkugellager kann radiale Kräfte und axiale Kräfte in einer Richtung aufnehmen.

Als Konuslager oder Konenlager wird ein Schrägkugellager im Fahrzeugbau bezeichnet, welches aus zwei einzeln montierten Laufflächen besteht, der äußeren Lagerschale und dem inneren Konus. Oft ist der Konus auf der Achse aufgeschraubt, was eine einfache Einstellung der Lagerluft ermöglicht. Beim Innenlager des Fahrrads ist die innere Lauffläche oft auf der Achse angeschmiedet und die äußere Lagerschale ist verstellbar montiert.

Konenlager werden meist paarweise eingebaut und vorgespannt. Der paarweise Einbau kann in Form von Tandem-, O- oder X-Ausführung erfolgen. Je nach Einbauart verändern sich die axial aufnehmbaren Kräfte. Durch Rollbahnneigung entsteht auch bei rein radialer Belastung eine nicht zu ignorierende (innere) Axialkraft. Druckwinkel ${\displaystyle \alpha \approx 40^{\circ }}$

Zweireihig

Das zweireihige Schrägkugellager entspricht zwei einreihigen Schrägkugellagern in O-Anordnung. Es ist radial und axial in beide Richtungen hoch belastbar. Druckwinkel ${\displaystyle \alpha \approx 25^{\circ }}$

Zylinderrollenlager (DIN 5412)

Das Zylinderrollenlager hat eine große radiale Tragfähigkeit, allerdings ist es in axialer Richtung nicht bzw. nur sehr wenig belastbar. Wälzkörper von Zylinderrollenlagern sind Kreiszylinder. Zylinderrollenlager werden in unterschiedlichen Bauformen gefertigt (siehe Tabelle unten).

Abhängig von der Bauform können sie ausschließlich radiale (zum Beispiel NU wie abgebildet), oder zusätzlich axiale Kräfte aufnehmen (zum Beispiel einseitig mit Typ NJ). Die Bauformen unterscheiden sich durch Anordnung der „Borde“ am Innen- und Außenring. Bei fehlenden Borden kann der Innenring abgezogen werden, bei der Variante NU sogar von beiden Seiten. Daher eignen sich Zylinderrollenlager bei Fest-Los-Lagerungen als Loslager, denn Axialverschiebungen sind in gewissen Grenzen möglich.

Standard-Bauformen einreihiger Zylinderrollenlager:

1. NU: zwei feste Borde am Außenring, kein Bord am Innenring
2. N: kein Bord am Außenring, zwei Borde am Innenring
3. NJ: zwei Borde am Außenring, ein Bord am Innenring
4. NUP: zwei Borde am Außenring, ein Bord am Innenring und eine lose Bordscheibe am Innenring

Ein Lager ohne den abziehbaren Ring bekommt den Vorsetzbuchstaben „R“, so bezeichnet RNU202 einen Zylinderrollenlager-Außenring samt Wälzkörpersatz und Käfig vom Komplettlager NU202. In diesen kann ggf. auch ein NJ202-Innenring eingesteckt werden. Das führt bei Reparaturen zu Verwirrungen. Den Vorsatz „R“ findet man weiter bei vielen Typen von Nadellagern und Stützrollen.

Kegelrollenlager (DIN 720, ISO 355)

Dieses Lager ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sehr hoch belastbar. Es wird in der Regel paarweise eingebaut: Zwei Lager werden gegeneinander angestellt, denn das Lager besteht aus zwei losen Elementen: dem Innenring (engl. cone) mit Wälzkörpern, und dem Außenring (engl. cup) als Lagerschale. Gängige Anwendungen sind: Radlager in Pkw, Lkw; Lenkkopflager für Motorräder.

Die Wälzkörper auf dem Innenring haben die Form eines Kegelstumpfes, außerdem sind sie etwas gegen die Wellenachse geneigt. Das Spiel ist einstellbar. Die Kegelspitzen (und beliebige Erzeugende der Kegelmäntel) von Innenring, Außenring und aller Kegelrollen treffen sich in einem Punkt auf der Drehachse, denn nur dann können die Kegelrollen ohne Schlupf abrollen.

Zwei Kegelrollenlager ([<) können in „O“- ([< >]) oder „X“-Anordnung ([> <]) als Lagerung montiert werden. Beispiel: Bei der Motorrad-Lenkkopflagerung ist die O-Anordnung gängig, da so von außen einwirkende Kippmomente vom Vorderrad besser aufgenommen werden können. Der Außenring wird oben unter dem Lenker eingepresst, der Innenring wird nach unten zeigend in den Außenring gelegt. Das untere Gegenlager wird mit Innenring nach oben zeigend montiert.

Gängig sind Lager in metrischen und auch Zollabmessungen, letztere haben ein völlig anderes Bezeichnungsschema.

Nadellager (DIN 617)

Ein Nadellager hat kreiszylindrische Wälzkörper (Nadeln) mit sehr großen Längen im Verhältnis zum Wälzkörperdurchmesser (>2,5). Es bietet sehr geringe Baugröße, wird häufig in Getrieben und Motoren verwendet. Gerade bei Nadellagern wird häufig auf einen Innenring verzichtet, dann dient die entsprechend ausgelegte Welle (gehärtete Oberfläche) als Laufbahn. Nadellager eignen sich nicht dazu, Verkippungen der Welle aufzunehmen, da hierbei hohe Kantenpressung auftritt, was die Lebensdauer stark herabsetzt.

Nadellager ist der Oberbegriff für eine ganze Reihe spezieller Typen:

• Nadelkränze
• Nadelhülsen, Nadelbüchsen
• Nadellager mit massivem Außenring
• kombinierte Nadellager (Nadellager und Axial-Lager in einer Einheit)
• Sonderformen wie nadelgelagerte Stützrollen

Axiallager

Bemessung

Werte, die notwendig sind, ein Lager zu bemessen, sind:

• Radialkraft
• Axialkraft
• Drehzahl oder
• Geschwindigkeit (insb. bei Linearlagern)
• Belastungsrichtung
• Durchbiegung und Schiefstellung der Welle oder Achse
• Tragzahl statisch, dynamisch
• Umgebungswerte, wie
  • Temperatur
  • Staubwerte
  • Schwingungen
• Einbaubedingungen, wie z. B. die Steifheit eines Maschinengehäuses im Bereich der Lagerstelle

Lebensdauer (ISO 281)

1. Schritt

Die dynamische äquivalente Belastung errechnen.

Input-Variablen:

${\displaystyle X,Y}$ = Anpassungsfaktoren, aus einem Lagerkatalog entnehmen

${\displaystyle F_{r}}$ = Radialkraft am Lager, in kN, selbst ermitteln

${\displaystyle F_{a}}$ = Axialkraft am Lager, in kN, selbst ermitteln

Formel ausrechnen: ${\displaystyle P=X\cdot F_{r}+Y\cdot F_{a}}$

Ergebnis:

${\displaystyle P}$ = Dynamische äquivalente Belastung in kN

2. Schritt

Input-Variablen:

${\displaystyle C}$ = Dynamische Tragzahl in kN (= Kilonewton. Tragzahl für gegebenes Lager aus Lagertabelle der Hersteller entnehmen)

${\displaystyle P}$ = Dynamische äquivalente Belastung in kN (muss zuerst berechnet werden, siehe oben 1. Schritt)

${\displaystyle p}$ = Lebensdauerexponent, ${\displaystyle p}$=3 (für Kugellager), ${\displaystyle p}$=10/3 (für alle anderen Lager)

${\displaystyle n}$ = Drehzahl in 1/min (Umdrehungen pro Minute)

Ergebnisse: ${\displaystyle L_{10}=\left({\frac {C}{P}}\right)^{p}}$ Lebensdauer in Millionen Umdrehungen bei 10 % Ausfallwahrscheinlichkeit

${\displaystyle L_{10h}={\frac {10^{6}}{60\cdot n}}\cdot L_{10}=\left({\frac {16666}{n}}\right)\cdot \left({\frac {C}{P}}\right)^{p}}$ Lebensdauer in Stunden bei 10 % Ausfallwahrscheinlichkeit

Die Lebensdauer für andere Ausfallwahrscheinlichkeiten wird durch Multiplikation von ${\displaystyle L_{10}}$ mit einem Faktor berechnet:

${\displaystyle L_{5}=0{,}64\cdot L_{10}}$ in Millionen Umdrehungen bei 5  % Ausfallwahrscheinlichkeit

${\displaystyle L_{4}=0{,}55\cdot L_{10}}$ in Millionen Umdrehungen bei 4  % Ausfallwahrscheinlichkeit

${\displaystyle L_{3}=0{,}47\cdot L_{10}}$ in Millionen Umdrehungen bei 3  % Ausfallwahrscheinlichkeit

${\displaystyle L_{2}=0{,}37\cdot L_{10}}$ in Millionen Umdrehungen bei 2  % Ausfallwahrscheinlichkeit

${\displaystyle L_{1}=0{,}25\cdot L_{10}}$ in Millionen Umdrehungen bei 1  % Ausfallwahrscheinlichkeit

Bei veränderlicher Drehzahl n muss mit der mittleren Drehzahl ${\displaystyle n_{\text{m}}}$ gerechnet werden. Diese mittlere Drehzahl wird aus den Einzeldrehzahlen und der jeweiligen Wirkdauer ${\displaystyle q}$ in % berechnet:

${\displaystyle n_{m}=n_{1}\cdot {\frac {q_{1}}{100}}+n_{2}\cdot {\frac {q_{2}}{100}}+\dotsb }$

Wie aus der zweiten Formel ersichtlich wird, geht die Belastung des Lagers durch die Potenz sehr stark in die Lebensdauer mit ein. Bei veränderlicher Belastung haben deshalb auch über nur kurze Zeitanteile wirkende, hohe Belastungen einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer. Für die dynamisch äquivalente Lagerbelastung gilt dann:

${\displaystyle P={\sqrt[{p}]{P_{\text{1}}^{p}\cdot {\frac {n_{\text{1}}}{n_{\text{m}}}}\cdot {\frac {q_{\text{1}}}{100}}+P_{\text{2}}^{p}\cdot {\frac {n_{\text{2}}}{n_{\text{m}}}}\cdot {\frac {q_{\text{2}}}{100}}+\dotsb }}}$

Berechnungsbeispiel

An einer Lagerstelle nimmt die Welle 12 kN Radialkraft auf. Die Welle dreht sich im Betrieb mit 6000/min. Als Teil einer Fest/Los-Lagerung soll dieses Lager als das Loslager axial verschiebbar sein, also keine Axialkräfte aufnehmen. Dieses Lager soll ein Zylinderrollenlager sein. Es soll mindestens 10.000 Stunden Lebensdauer erreichen.

Um ein Lager auszuwählen, welches diese Last tragen kann, muss man zuerst die notwendige dynamische Tragzahl bestimmen. Dazu berechnet man zuerst die dynamische äquivalente Belastung.

Für die Lagerbauart Zylinderrollenlager finden sich im Lagerkatalog die Werte ${\displaystyle X=1}$ und ${\displaystyle Y=0}$

Mit anderen Worten: ${\displaystyle P=F_{r}}$

In die Formel für ${\displaystyle L_{10h}}$ setzen wir nun die geforderte Betriebszeit von 10.000 Stunden, die Umdrehungszahl und unser ermitteltes ${\displaystyle P}$ ein. Diese Formel muss dann nur noch nach ${\displaystyle C}$ umgeformt werden, um die notwendige dynamische Tragzahl zu erhalten:

Aus

${\displaystyle L_{10h}={\frac {10^{6}}{60\cdot n}}\cdot \left({\frac {C}{P}}\right)^{p}}$

wird

${\displaystyle C=\left({\frac {L_{10h}\cdot 60\cdot n}{10^{6}}}\right)^{\frac {1}{p}}\cdot P}$

mit

${\displaystyle L_{10h}=10000}$

${\displaystyle n=6000\,\mathrm {min} ^{-1}}$

${\displaystyle p=10/3}$

und

${\displaystyle P=12\ \mathrm {kN} }$

folgt

${\displaystyle C=\left({\frac {10000\cdot 60\cdot 6000}{10^{6}}}\right)^{\frac {3}{10}}\cdot 12\ \mathrm {kN} }$

bzw.

${\displaystyle C=140\ \mathrm {kN} }$

Die dynamische Tragzahl sollte also zumindest ${\displaystyle C=140\ \mathrm {kN} }$ betragen. Damit lässt sich im Lagerkatalog nun ein geeignetes Lager mit passendem Wellendurchmesser finden.

Zur Abschätzung der Belastung der Lager können folgende Richtwerte herangezogen werden:

${\displaystyle {\frac {C}{P}}>15}$ niedrige Belastung

${\displaystyle {\frac {C}{P}}<15}$ mittlere Belastung

${\displaystyle {\frac {C}{P}}<6}$ hohe Belastung

${\displaystyle {\frac {C}{P}}<3}$ sehr hohe Belastung des Lagers

Bei der Auslegung des Lagers sollten unbedingt, selbst bei niedrigen Drehzahlen, sehr hohe Belastungen vermieden werden. Ebenso sollten niedrige Belastungen vermieden werden, da dann kein Rollen der Wälzkörper, sondern Gleiten stattfindet. Gleitreibung muss unbedingt vermieden werden, denn sie sorgt für starken Verschleiß und verkürzte Lebensdauer.

Bei Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern in einer angestellten Lagerung verursacht eine vom Lager aufzunehmende Radialkraft eine innere Axialkraft, welche in der Lebensdauerberechnung durch entsprechende ${\displaystyle X}$- und ${\displaystyle Y}$-Faktoren berücksichtigt wird.

Für die meisten Anwendungen des allgemeinen Maschinenbaus reicht die obige Lebensdauerberechnungsmethode aus. In bestimmten Fällen kann es jedoch erforderlich sein, eine erweiterte Lebensdauerberechnung durchzuführen, welche weitere Einflüsse wie Viskosität des Schmierstoffes, Betriebstemperatur, Erlebniswahrscheinlichkeit und Sauberkeit berücksichtigt. Die entsprechende Vorschrift ist ebenfalls in der DIN ISO 281 enthalten.

Bezeichnungsschema

Wälzlager werden fast nur nach Tabellenbüchern oder Online-Katalogen ausgewählt.

Die Bezeichnungen bestehen aus Kombinationen von Buchstaben und Zahlen, die nach einem logischen, in DIN 623 genormten Prinzip aufgebaut sind. So können Lager der gleichen Bezeichnung unabhängig vom Hersteller eingesetzt werden.

Das Bezeichnungsschema umfasst Vorsetzzeichen, Basiskennzeichen und Nachsetzzeichen. Ein S608 2RS ist so aufgeschlüsselt: ein Edelstahllager (Vorsatz „S“), mit den Hauptabmessungen 8 × 22 × 7 mm (Basiskennzeichen „608“), das beidseitig abgedichtet ist (Nachsatz „2RS“).

Befestigung

Je nachdem, ob es sich bei der Lagerung um ein Festlager oder ein Loslager handelt, werden Außenring und/oder Innenring mit dem Gehäuse bzw. mit der Welle fest verbunden.

Die einfachste Art ist, beide Ringe ein- bzw. aufzupressen. Dazu müssen Welle und Gehäuse eine bestimmte Maßtoleranz aufweisen.

Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass der rotierende Ring (man spricht hier von Umfangslast, außen oder innen) in einem Festsitz (Übermaßpassung) und der stehende Ring (Punktlast) in einem Lossitz (Spiel- bis Übergangspassung) ausgeführt wird. Wirken Stöße auf das Lager, werden beide Ringe in Festsitzen ausgeführt. Es muss ein Kompromiss zwischen leichter (De-)Montierbarkeit und Verhindern des Mitdrehens des Ringes gefunden werden.

Auf einer Welle kann der Innenring auch zwischen einem Anlaufbund (Schulter) und einer Spannschraube oder einer Mutter eingespannt sein oder mit einer Spannhülse gepresst werden.

Beim Verfahren des Aufschrumpfens wird das Lager auf hohe Temperatur (um eine Stahlgefügeveränderung zu verhindern je nach Hersteller max. ca. 125 °C), gebracht (idealerweise mit einem Induktionsgerät). Durch das Erhitzen dehnt sich das gesamte Lager aus, das erhitzte Lager wird nun zügig über die kalte Welle geschoben. Wenn das Lager abkühlt, zieht es sich wieder zusammen und sitzt extrem fest auf der Welle. Bei der Erwärmung müssen die Temperaturgrenzen beachtet werden.

Im Gehäuse wird meist der Außenring mit dem Deckel gegen einen Anlaufbund (Schulter) gepresst oder mit einem Sicherungsring gehalten. Bei Loslagern gewährt man dem Außenring ein gewisses Längsspiel, der Ring muss aber so eingepresst sein, dass er sich nicht mitdreht.

Sonderfälle

Bei Präzisionslagerungen haben sich auch Klebeverbindungen bewährt. Dabei werden anaerobe Klebstoffe mit Klebespalten von 0,0004 bis 0,001 x Durchmesser der Welle bzw. der Gehäusebohrung verwendet. Die Temperaturgrenzen liegen zwischen ca. −20 °C und +100 °C. Eine anwendungsgerechte Klebstoffdosierung ist wichtig, überdosierter Klebstoff kann in die Lager gelangen und diese festsetzen.

Lagerungskonzepte

Die Anordnung der Lager wird unterschieden in Fest-Los-Lagerung und Trag-Stütz-Lagerung. Die Trag-Stütz-Lagerung kann wiederum als schwimmende Lagerung und angestellte Lagerung ausgeführt werden.

Die Lageranordnungen berücksichtigen, dass sich das zu lagernde Element (Welle, Achse, …) bei Erwärmung ausdehnt. Bis auf die angestellte Lagerung wird die Wärmedehnung zugelassen, ohne dass sich dabei die Lager verspannen. Bei der Wahl der Anordnung müssen zudem auch die Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden.

Lagereinheiten

Lagereinheiten bilden eine besonders einfache Möglichkeit für die Lagerung von Wellen. Sie werden hauptsächlich im Sondermaschinenbau und in landwirtschaftlichen Maschinen eingesetzt. Sie bestehen aus einem Radial-Rillenkugellager mit balligem (kugelförmigem) Außenring und einem Lagergehäuse.

In dem Gehäuse kann das Lager um einige Winkelgrade verstellt werden, um Fluchtungsfehler auszugleichen. Die Lagergehäuse werden je nach Einsatzzweck aus Grauguss, Leichtmetallguss, Kunststoff oder Stahlblech gefertigt und können sehr einfach am Maschinenträger befestigt werden.

Gängige Gehäuseformen sind:

• UCP und UCPE = Stehlager
• UCF und UCFE = Quadratische Flanschlager, vier Befestigungslöcher,
• UCFL und UCFLE = Flanschlager, zwei Befestigungslöcher (FD),
• UCT = Spannlager.

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  Stehlager
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  Vierloch-Flanschlager
• 
  Zweiloch-Flanschlager
• 
  Spannlager

Darüber hinaus sind weitere Bauformen verfügbar, wie zum Beispiel spannbare Flanschlager.

Die Befestigung der Welle erfolgt entweder mit Gewindestiften in einem einseitig verlängerten Innenring oder mit Hilfe eines Klemmrings. Hierzu haben der Innenring der Lagereinheit und der Klemmring jeweils eine exzentrisch-kegelige Eindrehung.