Wälzlager und Wälzlagerungen

Maschinenelemente 2 Wälzlager und Wälzlagerungen

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Wälzlager und Wälzlagerungen 1. Einleitung Im Gegensatz zu Gleitlagern, in denen zwischen Lager und gelagertem Teil eine Gleitbewe-gung stattfindet, besitzen Wälzlager zwischen den Laufbahnen angeordnete Wälzkörper. Vorteile: Fast reibungslos, geringer Schmierstoffverbrauch, relativ anspruchslos in Pflege

und Wartung, benötigen keine Einlaufzeit, durch die weitgehende Normung leichtes Beschaffen und Austauschen von Ersatzlagern.

Nachteile: Besonders im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen empfindlich gegen Erschütte-

rungen und Stöße, Lebensdauer und Höhe der Drehzahlen sind begrenzt, emp-findlich gegen Verschmutzung, daher vielfach hoher Dichtungsaufwand erforder-lich.

2. Aufbau der Wälzlager Radiallager besitzen einen Außenring und einen Innenring, Axiallager eine Gehäusescheibe und eine Wellenscheibe (unterschiedliche Durchmesser!). Die Grundformen der Wälzlager unterscheiden sich nach der Art der Wälzkörper in Kugellager, Zylinderrollenlager, Nadel-lager, Kegelrollenlager und Tonnenlager. Nach der Richtung der Kraftaufnahme sind Radial-lager und Axiallager zu unterscheiden.


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3. Lagerarten 3.1. Rillenkugellager Das einreihige (Radial-)Rillenkugellager ist aufgrund seines einfachen Aufbaus und seiner vielfältigen Eignung das preiswerteste und am meisten verwendete Wälzlager. Es ist selbst-haltend, d. h. unzerlegbar.

Das Rillenkugellager kann neben relativ hohen Radialkräften Fr auch beachtliche Axialkräfte Fa aufnehmen. Rillenkugellager sind starre Lager, können also nur sehr geringe Wellenver-lagerungen ausgleichen und verlangen daher genau fluchtende Lagerstellen. Ausführungen mit berührungslosen Abdeckscheiben (Z, 2Z) und berührenden Dichtscheiben (RS, 2RS) verhindern das Eindringen von Verunreinigungen und das Austreten von


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Schmiermitteln. Ausführungen mit Ringnut am Außenring (N) ermöglichen eine raumspa-rende Montage. 3.2. Einseitiges Schrägkugellager Jeder Ring besitzt eine hohe und eine niedrige Schulter, dadurch ist es in der Lage, im Ge-gensatz zum Rillenkugellager höhere Axial-kräfte aufzunehmen, allerdings nur in einer Richtung. Daher werden im Allgemeinen immer zwei Lager paarweise in entgegenge-setzter Richtung (O-, X-Anordnung) einge-baut. 3.3. Schulterkugellager Das Schulterkugellager ist ein zerlegbares La-ger, dessen Außenring nur eine Schulter be-sitzt. Der Innenring ist ähnlich einem Rillen-kugellager ausgebildet. Die Tragfähigkeit (axial nur in einer Richtung) ist relativ gering. Die Lager werden vorwiegend zur Lagerung in Messgeräten, kleinen Elektromaschinen und Haushaltsgeräten eingesetzt. 3.4. Pendelkugellager Das Pendelkugellager ist ein zweireihiges La-ger, das durch die hohlkugelige Laufbahn im Außenring winklige Wellenverlagerungen und Fluchtfehler bis ca. 4° Schiefstellung ausglei-chen kann. Es ist radial und in beiden Rich-tungen axial belastbar. Die Lager werden vor-wiegend verwendet, wenn Einbauungenauig-keiten oder größere Wellendurchbiegungen auftreten können, z. B. bei Transmissionen, Förderanlagen, Landmaschinen u. a. 3.5. Zylinderrollenlager Die radiale Tragfähigkeit der zerlegbaren Lager ist aufgrund der linienförmigen Berührung zwischen Rollen und Rollbahnen größer als bei gleich großen Kugellagern (punktförmige Berührung!). Axial sind sie jedoch nicht oder nur gering belastbar. Sie verlangen genau


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fluchtende Lagerstellen. Verwendet werden diese Lager allgemein für Lagerungen mit hohen Radialbelastungen, z. B. Getrieben, Achslagerungen für Schienenfahrzeuge oder in Walz-werken.

3.6. Nadellager Das Nadellager stellt eine Sonderform des Zylinderrollenlagers dar. Hergestellt werden Na-dellager mit und ohne Innenring, Nadelkränze, Nadelhülsen, Nadelbüchsen und kombinierte Nadel-Axial-Rillenkugellager. Nadellager zeichnen sich durch kleine Baudurchmesser, große radiale Starrheit und geringe Empfindlichkeit gegen stoßartige Belastungen aus. Die Nadeln können direkt auf der Welle oder im Gehäuse laufen, vorausgesetzt eine genügende Härte (58 – 65 HRC), eine entsprechende Oberflächengüte sowie eine entsprechende Genauigkeit sind gegeben. Nadellager werden vorwiegend bei kleineren bis mittleren Drehzahlen und Pendel-bewegungen, z. B. Kipphebellagerungen, Lagerungen für Schwenkarme oder Pendelachsen eingesetzt.


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3.7. Kegelrollenlager Die Laufbahnen der Laufringe sind Kegelmantelflächen, die sich in einem Punkt auf der Lagerachse schneiden. Kegelrollenlager sind sowohl axial als auch radial hoch belastbar. Die Lager sind zerlegbar und werden meist paarweise spiegelbildlich zueinander eingebaut (X-, O-Anordnung). Das Lagerspiel muss ein- und nötigenfalls auch nachgestellt werden. Diese La-ger werden vorwiegend zur Radna-benlagerung von Fahrzeugen, zur Spindellagerung von Werkzeugma-schinen oder zur Wellenlagerung von Schnecken- oder Kegelradgetrieben eingesetzt. 3.8. Tonnen- und Pendelrollenlager Das einreihige Tonnenlager ist bis zu 4° win-keleinstellbar und eignet sich besonders dort, wo hohe stoßartige Radialkräfte auftreten und Fluchtfehler ausgeglichen werden müssen. Die axiale Belastbarkeit ist gering. Das Pendelrollenlager besitzt zwei Reihen von symmetrischen Tonnenrollen und ist für höchste radiale und axiale Belastung geeignet. Durch die hohlkugelige Laufbahn im Außen-ring ist es gering winkeleinstellbar (0,5°, bei niedriger Belastung bis zu 2°). Tonnen- und Pendelrollenlager sind nicht zerlegbar und werden überwiegend für Schwer-lastlaufräder, Seilrollen, Schiffswellen, Kurbelwellen und sonstige hochbelastete Lagerungen eingesetzt. 3.9. Axial-Rillenkugellager Das einseitig wirkende Axial-Rillenkugellager besteht aus einer Wellenscheibe (1) mit dem Durchmesser dw und einer Gehäusescheibe (2) mit dg > dw. In den Rillen dieser Scheiben läuft ein Kugelkranz. Diese Lager nehmen hohe axiale Kräfte in nur einer Richtung auf. Das zweiseitig wirkende Axial-Rillenkugellager besteht aus einer Wellenscheibe (1) und zwei Gehäusescheiben (2) und zwei Kugelkränzen. Es kann hohe axiale Kräfte in beiden Richtun-gen aufnehmen.


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Beide Lager eignen sich weniger für hohe Drehzahlen und nicht für radiale Belastungen. Zum Ausgleich von Winkelfehlern eignet sich die Ausführung mit einer kugeligen Gehäusescheibe (3) und einer zusätzlichen Unterlegscheibe (4). Diese Lager werden vorzugsweise bei hohen axialen Kräften verwendet, die von Radiallagern nicht mehr aufgenommen werden können sowie bei Anwendungen, wo ein Radiallager nicht sinnvoll ist, z. B. bei Bohrspindeln, Reitstockspitzen, Schnecken- und Schraubentrieben.

3.10. Axial-Pendelrollenlager Bei diesem Lager erfolgt die Druckübertragung zwischen den Scheiben und den Tonnen ca. 45° zur Lagerachse, so dass neben hohen Axialkräften auch begrenzt Radialkräfte aufgenommen werden können. Das Lager kann Fluch-tungsfehler bis zu 2° ausgleichen. Es wird z. B. als Spur-lager bei Kransäulen oder als Drucklager bei Schiffs-schrauben und Schneckenwellen eingesetzt. 4. Baumaße und Kurzzeichen der Wälzlager Die Abmessungen der Wälzlager sind in mehreren DIN- und ISO-Normen festgelegt. Für Radiallager gilt, dass zu jedem Nenndurchmesser d mehrere Außendurchmesser D und Brei-tenmaße B zugeordnet sind. Die Zuordnung erfolgt in Maßreihen, welche durch eine zwei-ziffrige Zahl gekennzeichnet sind. Die erste Ziffer gibt dabei die Breitenreihe, die zweite die Durchmesserreihe an. Das folgende Bild zeigt schematisch für eine Bohrung d die Quer-schnitte der gebräuchlichsten Maßreihen für Radiallager.


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Genormte Wälzlager werden durch Kurzzeichen nach DIN 623 gekennzeichnet. Sie bestehen aus dem Basiszeichen sowie Vorsetz- und/oder Nachsetzzeichen. Das Basiszeichen besteht aus dem Zeichen für die Lagerreihe und der Bohrungskennzahl. Die Lagerreihe wird gekenn-zeichnet durch ein Zeichen für die Lagerart und die zweiziffrige Maßreihe (s. o.).

Die Lagerart wird durch Ziffern oder Buchstaben bzw. Buchstabenkombinationen angegeben:

2 .................... Pendelrollenlager 3 .................... Kegelrollenlager 6 .................... Radialrillenkugellager 7 .................... Schrägkugellager 8 .................... Axialzylinderrollenlager N.................... einreihige Zylinderrollenlager NN................. zweireihige Zylinderrollenlager

Die Bohrungskennzahl (BKZ) gibt den Nenndurchmesser des Lagers an:

BKZ d [mm] 00 10 01 12 02 15 03 17 04 20


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Ab d = 20 errechnet sich die BKZ aus d/5. Das Vorsetzzeichen kennzeichnet im Allgemeinen Einzelteile von Lagern, wie Ringe oder Käfige:

K.................... Käfig mit Wälzkörper R.................... Außenring mit Rollensatz einschließlich Käfig L .................... Innenring eines Zylinderrollenlagers

Durch das Nachsetzzeichen werden zusätzliche Angaben, wie Abdichtung, Käfigausführung, Toleranzen, Lagerluft oder Wärmebeständigkeit ausgedrückt:

P6, P5, P4...... Lager mit eingeengten Toleranzen C2.................. Lager mit kleinerer radialer Lagerluft als normal C3.................. Lager mit größerer radialer Lagerluft als normal K.................... Lager mit kegeliger Bohrung M................... Massivkäfig aus Messing N.................... Ringnut im Außenring

Bezeichnungsbeispiel nach DIN 616 für Pendelrollenlager DIN 635-22316:

5. Lageranordnungen 5.1. Fest-Los-Lagerung Festlager: nimmt Radialkräfte und Axialkräfte in beiden Richtungen auf, Voraussetzung:

nichtzerlegbare Lager, deren Ringe gegen axiales Verschieben gesichert sein müssen.

Loslager: zum Ausgleich von Wärmedehnungen und Fertigungstoleranzen, kann nur Radial-

kräfte aufnehmen. Realisierung: Nadel- oder Zylinderrollenlager, nicht zerlegbare Lager erfordern einen Schiebesitz des punktbelasteten Ringes


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5.2. Stützlagerung Radialkräfte werden auf beide Lager aufgeteilt, Axialkräfte werden von jedem Lager nur in einer Richtung übernommen. 5.2.1. Schwimmende Lagerung Verwendung zweier selbsthaltender Lager, Axialspiel S erfordert einen Schiebesitz des je-weiligen punktbelasteten Ringes.

5.2.2. Angestellte Lagerung Verwendung von zwei spiegelbildlich angeordneten Schrägkugel- oder Kegelrollenlagern, Einstellung eines Axialspiels oder einer leichten Vorspannung erforderlich.

a) O-Anordnung (Kegelspitzen der Druck-linien zeigen nach außen)

b) X-Anordnung

(Kegelspitzen der Druck-linien zeigen nach innen)


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5.3. Lagerkombinationen Fest- und Stützlager können auch aus zwei Lagern gebildet werden (kleinere Bauweise, ge-ringere Reibungswärme), die Kraftzuordnung muss eindeutig sein.

a) Festlager bestehend aus Zylinderrollenlager und Vierpunktlager b) Festlager bestehend aus Zylinderrollenlager und Axial-Rillenkugellager Fest- und Stützlager aus zwei baugleichen Lagern in O-, X- oder Tandemanordnung:

5.4. Mehrfache Lagerungen Aufgrund der statischen Bestimmtheit ist die zweifache Lageranordnung zu bevorzugen. Bei mehrfacher Wellenlagerung darf für den verspannungsfreien Einbau nur ein Lager als Fest-lager ausgeführt werden. Alle anderen Lager müssen sich als Loslager in Längsrichtung frei einstellen können.

a) Festlager (O-Anordnung ) b) Festlager (X-Anordnung) c) Stützlager (Tandemanord-

nung)


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6. Lagerauswahl Die folgende Übersicht dient als Entscheidungshilfe für die Auswahl von Wälzlagern.

Das Rillenkugellager sollte wegen seiner hohen Laufgenauigkeit, wegen seines niedrigen Preises und wegen seines günstigen Einbauraumes grundsätzlich bevorzugt werden. Nur wenn die gestellten Anforderungen vom Rillenkugellager nicht erfüllt werden, ist ein anderes, geeigneteres Lager zu wählen. 7. Tolerierung von Lagern und Anschlussbauteilen Die Bohrungsdurchmesser d, Außendurchmesser D und die Breite B haben grundsätzlich Mi-nustoleranz, d. h. das Nennmaß ist immer das zulässige Größtmaß. Für Wälzlager sind ab-weichend von den ISO-Toleranzklassen das Toleranzfeld KB (Ball-Bearing) für den Boh-rungsdurchmesser d und das Toleranzfeld hB für den Außendurchmesser D festgelegt. Ein strammer Lagersitz auf bzw. in möglichst formgenauen und starren Gegenstücken gibt den relativ dünnen Ringen auf ihrem gesamten Umfang eine gute Unterstützung, so dass die Tragfähigkeit und damit die Lebensdauer der Lager voll ausgenützt werden können. Stramme Sitze vermindern aber gleichzeitig das Radialspiel im eingebauten Zustand, wodurch ein ein-wandfreier Lauf beeinträchtigt wird. Letztendlich entscheidend für die Wahl der Passung sind Größe und Art der Wälzlager, die Belastung, die axiale Verschiebbarkeit von Loslagern und insbesondere die Umlaufverhältnisse.


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Darstellung der Wälzlagertoleranzen KB und hB sowie der Wellen- und Gehäusetoleranzklassen nach ISO

Als Umlaufverhältnis wird die relative Bewegung eines Lagerrings zur Lastrichtung verstan-den. Dabei ist zu unterscheiden: Umfangslast: Der Ring läuft relativ zur Lastrichtung um, d. h. während einer Umdrehung

wird der ganze Umfang des Ringes einmal beansprucht. Punktlast: Der Ring steht relativ zur Lastrichtung still, d. h. es wird ständig der selbe

Punkt auf der Laufbahn belastet.

Ein Ring mit Umfangslast würde beim losen Sitz „wandern“, d. h. sich fortlaufend abwälzen oder bei stoßartigen Belastungen auch rutschen. Beschädigungen der Sitzflächen sind dann unvermeidlich. Dagegen neigt ein lose sitzender Ring unter Punktbelastung nicht zum „Wandern“. Einbauregel: Der Ring mit Umfangslast muss festsitzen, der Ring mit Punktlast kann

lose (oder auch fest) sitzen.


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Für die Wahl der Passung gilt allgemein: Der Ring mit Umfangslast soll mit zunehmender Belastung und Lagergröße sowie zunehmenden Stößen eine enge Übergangs- bis mittlere Übermaßpassung erhalten. Der Ring mit Punktlast kann eine enge Spiel- bis weite Über-gangspassung erhalten. 8. Befestigung von Lagern 8.1. Befestigung von Lagern auf Wellen

a) leichte Übermaßpassung, b) Wellenmutter, c) angeschraubte Scheibe, d) Sicherungsring, e) Spannhülse, f) Abziehhülse 8.2. Befestigung von Lagern in Gehäusen

a) Zentrieransatz des Lagerdeckels und Sicherungsring, b) Ringnut und Sprengring


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8.3. Axiale Festlegung von Wälzlagern

a) Kegelrollenpaar, b) zweiseitig wirkendes Axial-Rillenkugellager 8.4. Befestigung von Außenringen in Buchsen

a) um die Zahnradmontage zu ermöglichen, b) zur Erleichterung des Ein- und Ausbaus (Dar-stellung: Rüttlerflasche zur Betonverdichtung) 9. Schmierung der Wälzlager Die Schmierung soll eine unmittelbare metallische Berührung zwischen Wälzkörpern, Lager-ringen und Käfig verhindern und deren Oberflächen vor Verschleiß und Korrosion schützen. Voraussetzung hierfür ist, dass bei allen Betriebszuständen die Funktionsflächen stets ausrei-chend Schmierstoff erhalten. Die Wirksamkeit der Schmierung beeinflusst wesentlich die Gebrauchsdauer der Wälzlager. Die Art der Schmierung und des Schmiermittels richtet sich im Wesentlichen nach der Höhe der Beanspruchung, der Drehzahl und der Betriebstemperatur des Lagers. Prinzipiell stehen als Schmiermittel Schmierfett, Öl und Festschmierstoffe (für Sonderfälle) zur Verfügung. Erstes Auswahlkriterium ist zunächst der so genannte „Drehzahlkennwert“ n·dm, angegeben in 106 mm/min. Dieser Kennwert wird gebildet aus der Drehzahl n [1/min] und dem mittleren Lagerdurchmesser dm = (D + d)/2 [mm]. Die Höchstdrehzahlen der Lager, angegeben in den Lagerkatalogen, ist hierbei zu beachten.


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9.1. Fettschmierung Die Fettschmierung wird bei Drehzahlkennwerten n·dm < 0,5·106 mm/min bevorzugt. Sie er-fordert eine geringe Wartung und schützt meist ausreichend gegen Verschmutzung, so dass einfache und billige Lagerabdichtungen möglich sind. Als Fette bieten sich meist Calcium-, Natrium-, Aluminium- und Lithiumseifenfette an, wobei die Auswahl der Fettsorte von der Gebrauchstemperatur, dem Verhalten gegenüber Feuchtigkeit und der Konsistenz des Fettes abhängt. Durch die natürliche Alterung sowie durch das Verschmutzen des Fettes ist es in bestimmten Zeitabständen notwendig, das Schmiermittel zu erneuern. Die Schmierfrist hängt dabei we-sentlich von der Fettsorte, der Konstruktion der Lagerung sowie von betrieblichen Größen und Einflüssen ab. Ist die Schmierfrist größer als die Lebensdauer des Wälzlagers, so wird eine so genannte Dauerschmierung angewendet, d. h. das Lager erhält beim Einbau eine ein-malige Fettfüllung, wie z. B. bei Rillenkugellagern mit Deck- oder Dichtscheiben. Ist häufiges Nachschmieren erforderlich, z. B. bei starker Verschmutzung oder Wassereinwirkung, so ist am Lagergehäuse ein Schmierloch mit Schmiernippel vorzusehen (siehe Bild).

9.2. Ölschmierung Wälzlager werden ölgeschmiert, wenn aufgrund hoher Drehzahlen oder mittlerer Drehzahlen bei gleichzeitig höherer Belastung oder Betriebstemperatur eine Fettschmierung nicht mehr möglich ist, oder wenn das Öl neben der Schmierung auch zur Kühlung dient oder wenn be-nachbarte Bauteile bereits ölgeschmiert sind. Folgende Arten der Ölschmierung werden häufig verwendet: 9.2.1. Ölbad- oder Öltauchschmierung: n·dm < 0,5·106 mm/min

Die Ölbad- oder Öltauchschmierung ist die einfachste Schmierung für waagrecht gela-gerte Wellen. Das Öl wird von den umlaufenden Lagerteilen mitgenommen, im Lager verteilt und fließt dann nach unten in das Ölbad zurück.

9.2.2. Öleinspritzschmierung: n·dm > 0,8·106 mm/min

Die Öleinspritzschmierung wird bei schwierigen Betriebsbedingungen bevorzugt ein-gesetzt. Das Öl wird dabei von der Seite mittels Düsen in den Spalt zwischen Innen-ring und Käfig gespritzt.


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9.2.3. Ölumlauf- oder Öldurchlaufschmierung: n·dm ≤ 0,8·106 mm/min

Die Ölumlauf- oder Öldurchlaufschmierung wird dann angewendet, wenn Eigen- und Fremdwärme abgeführt werden soll, um temperaturbedingte häufige Ölwechsel zu vermeiden. Der Ölumlauf erfolgte über eine Ölpumpe und einen Ölfilter, falls erfor-derlich auch über einen Ölkühler.

9.2.4. Ölnebelschmierung: n·dm ≤ 1,0·106 mm/min

Bei der Ölnebelschmierung wird Öl mit Druckluft fein zerstäubt und der Lagerstelle zugeführt. Bei diesem Verfahren ist die Ölmenge fein dosierbar. Es wird vorzugsweise bei schnelllaufenden Lagern, z. B. Schleifspindellagern, angewendet.

9.3. Feststoffschmierung Die Feststoffschmierung wird angewendet, wenn eine Schmierung mit Fett- oder Öl uner-wünscht oder unzulässig ist, z. B. bei tiefen oder hohen Temperaturen, im Vakuum, bei radio-aktiver Strahlung oder wenn die Gefahr des Beschlagens durch Schmierstoffverdunstung, z. B. bei optischen Systemen, besteht. Die wichtigsten Festschmierstoffe sind Graphit, Molyb-dändisulfid (MoS2) und Polytetrafluorethylen (PTFE, Teflon). 10. Vereinfachte Berechnung der Wälzlager Für die Berechnung der Wälzlager muss nach dem Betriebsverhalten zwischen der statischen und der dynamischen Tragfähigkeit unterschieden werden: 10.1. Statische Tragfähigkeit Ein Wälzlager gilt dann als statisch beansprucht, wenn es unter einer Belastung stillsteht, kleine Pendelbewegungen ausführt oder sich mit einer Drehzahl n ≤ 10 U/min dreht. 10.1.1. Statische Tragzahl C0 Die statische Tragzahl C0 ist eine rein radiale (bei Axiallagern rein axiale) Belastung, die bei stillstehenden Lagern eine bleibende Verformung von 0,01% des Wälzkörperdurchmessers hervorruft. Sie ist aus den Lagerkatalogen der Hersteller zu entnehmen. 10.1.2. Statisch äquivalente Belastung P0 Die statisch äquivalente (= gleichwertige) Belastung ist eine rechnerische, rein radiale Be-lastung (rein axiale Belastung bei Axiallagern), die an den Wälzkörpern und Rollbahnen die gleiche plastische Verformung bewirkt wie die tatsächlich wirkende kombinierte Belastung. Sie errechnet sich (ausgenommen für Axial-Pendelrollenlager) zu:


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00000 ar FYFXP ⋅+⋅=

Fr0 ....statisch radiale Lagerkraft Fa0....statisch axiale Lagerkraft X0 .....statischer Radialfaktor Y0 .....statischer Axialfaktor Für ein- und zweireihige Rillenkugellager mit normaler Lagerluft gilt:

Fa0/Fr0 ≤ 0,8 Fa0/Fr0 > 0,8 X0 Y0 X0 Y0 1 0 0,6 0,5

Für abweichende Lagerluft sowie für andere Lagertypen wird auf die entsprechende Fachlite-ratur verwiesen. 10.1.3. Statische Kennzahl fs Als Nachweis für die Tragfähigkeit gilt die statische Kennzahl fs:

0

0

P

Cfs =

C0.....statische Tragzahl gemäß Lagerkatalog P0 .....statisch äquivalente Belastung Als Richtwerte für die statische Kennzahl fs sind folgende Werte anzustreben: fs = 0,5 – 1,0: bei ruhigem, erschütterungsfreiem Betrieb bzw. geringen Anforderungen fs = 1,0 – 1,5: bei normalem Betrieb und Anforderungen an die Laufruhe fs = 1,5 – 2,5: bei Stößen und Erschütterungen sowie hohen Anforderungen an die Laufge-

nauigkeit sowie bei Axial-Rillenkugellagern fs ≥ 4: bei Axial-Pendelrollenlagern 10.2. Dynamische Tragfähigkeit Die dynamische Tragfähigkeit eines Wälzlagers wird vom Ermüdungsverhalten des Lager-werkstoffes bestimmt. Der Zeitraum bis zum Auftreten von Ermüdungserscheinungen ist die Lebensdauer des Wälzlagers. Sie ist abhängig von der Belastung, den Betriebsbedingungen und der statistischen Zufälligkeit des ersten Schadenseintritts. Untersuchungen an einer größeren Anzahl offensichtlich gleicher Lager auf gleichen Prüf-ständen unter gleichen Betriebsbedingungen zeigten bis zum Auftreten der ersten Ermü-dungserscheinungen weit gestreute Laufzeiten. Deshalb sind die Aussagen über die Lebens-dauer von Wälzlagern immer statistischen Charakters, d. h. es sind nur Wahrscheinlichkeits-angaben über die Lebensdauer einer größeren Menge an Wälzlagern möglich.

Fa0

Fr0 F0

P0


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10.2.1. Ermüdungserscheinungen Die äußeren Kräfte werden von den Laufbahnen über die Wälzkörper übertragen. Dabei kommt es – abhängig von den Wälzkörpern - zu Punkt- oder Linienberührung. Durch elasti-sche Verformungen entstehen sehr kleine Kontaktflächen und örtlich sehr hohe Spannungen. Übersteigen die örtlichen Spannungen ständig die ertragbaren Spannungen, entstehen zu-nächst unter der Werkstoffoberfläche sehr feine Risse, die sich bei weiterer Beanspruchung bis zur Oberfläche fortsetzen und zur Bildung von feinen Poren, so genannten Pittings oder Grübchen, führen. Die weitere Zerstörung schreitet dann sehr schnell fort. In weiterer Folge kommt es zu Schälungen und Ausbröckelungen größerer Rollbahnteile. Die Folgen sind ge-störte Abrollverhältnisse, Erschütterungen und zunehmendes Laufgeräusch. Letzten Endes kann es zu einem Gewaltbruch des Ringes kommen.

10.2.2. Dynamische Tragzahl C Die dynamische Tragzahl C ist eine rein radiale (bei Axiallagern rein axiale) Belastung, bei der 90% einer größeren Menge offensichtlich gleicher Lager eine nominelle Lebensdauer von 106 Umdrehungen erreichen. Sie ist aus den Lagerkatalogen der Hersteller zu entnehmen. 10.2.3. Dynamisch äquivalente Belastung P Die dynamisch äquivalente (= gleichwertige) Belastung ist eine rech-nerische, rein radiale Belastung (rein axiale Belastung bei Axial-lagern), welche die gleiche Lebensdauer ergibt, wie unter der tatsäch-lich wirkenden kombinierten Belastung. Sie errechnet sich (ausge-nommen für Axial-Pendelrollenlager) zu:

ar FYFXP ⋅+⋅=

Fr......radiale Lagerkraft Fa .....axiale Lagerkraft X ......Radialfaktor Y.......Axialfaktor

Fa

Fr F

P


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Für ein- und zweireihige Rillenkugellager mit normaler Lagerluft gilt:

Fa/Fr ≤ e Fa/Fr > e Fa/C0 e X Y X Y 0,025 0,22 1 0 0,56 2 0,04 0,24 1 0 0,56 1,8 0,07 0,27 1 0 0,56 1,6 0,13 0,31 1 0 0,56 1,4 0,25 0,37 1 0 0,56 1,2 0,5 0,44 1 0 0,56 1,0

Für abweichende Lagerluft sowie für andere Lagertypen wird auf die entsprechende Fachlite-ratur verwiesen. 10.2.4. Nominelle Lebensdauer L10 Die nominelle Lebensdauer L10 ist die Anzahl der Umdrehungen, die 90% einer größeren Menge offensichtlich gleicher Lager erreichen oder überschreiten, bevor erste Ermüdungser-scheinungen auftreten. 10.2.5. Lebensdauergleichung

n

LLbzw

P

CL h

p

⋅⋅=

=60

10. 10

6

1010

C ......dynamische Tragzahl (aus Wälzlagerkatalog) P ......dynamisch äquivalente Lagerbelastung p .......Lebensdauerexponent: Kugellager p = 3, Rollenlager p = 10/3 n .......Drehzahl des Lagers in U/min 10.3. Minderung der Lagertragzahlen C und C0 10.3.1. Einfluss der Betriebstemperatur Wälzlager können i. A. bis 120°C, kurzzeitig bis 150°C ohne Einfluss auf die Lagertragzahlen eingesetzt werden. Für den dauernden Einsatz bei höheren Temperaturen sind so genannte stabilisierte Lager zu verwenden und die Tragzahlen sind entsprechend dem Temperaturfaktor ft zu korrigieren:

TT fCC ⋅= Für ft gilt: 200°C: ft = 0,90 250°C: ft = 0,75 300°C: ft = 0,60


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10.3.2. Einfluss der Laufflächenhärte bei Direktlagerung Bei Direktlagerung, d. h. dem Einsatz von Zylinderrollen- oder Nadellagern ohne Innen- bzw. Außenring müssen die Laufflächen der Welle bzw. des Gehäuses gehärtet sein und eine Min-desthärte von 58 HRC aufweisen. Bei geringerer Härte sind die Tragzahlen entsprechend dem Härteeinflussfaktor fH zu korrigieren:

HH fCC ⋅= bzw. HH fCC ⋅= 00

Für fH gilt: 57 HRC: fH = 0,95 56 HRC: fH = 0,90 55 HRC: fH = 0,85 54 HRC: fH = 0,81 53 HRC: fH = 0,77 52 HRC: fH = 0,73 51 HRC: fH = 0,69 50 HRC: fH = 0,65 11. Gestaltungsbeispiele für Wälzlagerungen


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12. Literaturverweis Alle verwendeten Bilder stammen aus: Roloff / Matek: Maschinenelemente, 14. Auflage, Vieweg-Verlag

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