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Lagerungsarten und Anwendungsfälle

Allgemeines zu Lagerungsarten

Für die Führung und Abstützung eines rotierenden Bauteils werden zwei oder mehr Wälzlager in einem definierten Abstand auf das Bauteil aufgebracht und in einem Gehäuse abgestützt. Ausnahmen sind Lagerbauarten, die in der Lage sind, ein Moment aufzunehmen, wie z.B. zweireihige Schräg- oder Kegelrollenlager oder auch Kreuzrollenlager.

Bei allen Lagerungsarten ist auf Folgendes zu achten:

  • Die im System entstehenden Kräfte müssen wälzlagergeeignet aufgenommen werden.

  • Die Anordnung der Wälzlager muss für die Drehzahl geeignet sein.

  • Die Steifigkeit der Anordnung muss den Ansprüchen der Maschine gerecht werden. 

  • Der temperaturbedingte Längenausgleich des rotierenden Bauteils muss zwangskräftefrei möglich sein. 

  • Die Durchbiegung der Welle muss beachtet werden.

  • Die Montage und Demontage der Lager muss realisierbar sein.

Einordung von Wälzlager nach Belastung

Einordnung von Wälzlagern nach Belastung

Einordnung der Wälzlager nach Druckwinkel

Die Fähigkeit des Lagers, Axial- oder Radialkräfte zu übertragen, hängt vor allem vom Druckwinkel α0 ab. Bei der Wahl eines Lagers mit geeignetem Druckwinkel ist daher das Verhältnis der Axial- zur Radialbelastung zu prüfen.

Einordnung der Wälzlager nach Druckwinkel

Fest- und Loslager

Die Lagerung mit einem Fest- und einem Loslager ist die im Maschinenbau am weitesten verbreitete Lagerungsart. Unter einem Festlager versteht man ein Wälzlager(paar), das Kräfte eines rotierenden Bauteils sowohl axial als auch radial aufnimmt.

Typische Festlager sind:

  • Rillenkugellager

  • Pendelrollenlager

  • Zylinderrollenlager (Bauform NUP)

Festlager können auch aus zwei oder mehr Wälzlagern bestehen.

Typische Festlagerpaare sind:

  • Vierpunktlager und Zylinderrollenlager (Bauart NU oder N)

  • Zwei oder mehr Kegelrollenlager (X- oder O-Anordnung)

  • Zwei oder mehr Schrägkugellager (X- oder O-Anordnung)

Ein Loslager ist ein Wälzlager, welches nur radiale Belastungen aufnimmt. In axialer Richtung ist es entweder durch seine innere Geometrie (z.B. Zylinderrollenlager) oder durch einen Schiebesitz in der Lage, Längendehnungen der Welle oder des Gehäuses auszugleichen.

Typische Loslager sind:

  • Zylinderrollenlager

  • Pendelrollenlager (Schiebesitz)

  • Rillenkugellager (Schiebesitz)

Typische Fest-Loslageranordnungen mit verschiedenen Wälzlagertypen

Typische Fest-Loslageranordnungen mit verschiedenen Wälzlagertypen

Angestellte Lagerung

Bei einer angestellten Lagerung werden die Lager (häufig Schrägkugellager, Kegelrollenlager) durch ein Verschieben der Lagerringe auf ein axiales Spiel oder Vorspannung eingestellt. Schräglager müssen stets paarweise spiegelbildlich verbaut werden, da bei ihrer radialen Belastung immer eine Axialkraft entsteht, die von einem Gegenlager aufgenommen werden muss.

In Sonderfällen ist es möglich, auch Rillenkugellager gegeneinander anzustellen. Das Rillenkugellager wird dann als Schrägkugellager mit Druckwinkel betrachtet. Ein weiterer Sonderfall ist das Anstellen eines Axiallager gegen ein Schräglager oder ein Rillenkugellager.

Beim Anstellen von Schräglagern unterscheidet man zwischen zwei Arten:

  • O-Anordnung

  • X-Anordnung

Bei der O-Anordnung zeigen die von den Drucklinien gebildeten Kegel mit ihren Spitzen nach außen und bilden damit ein „O“. Bei der X-Anordnung zeigen sie nach innen und bilden so ein „X“.

Angestellte Lagerung

oben: O-Anordnung | unten: X-Anordnung | S= Druckkegelspitze, H= Stützbasis

Die Stützbasis H ist bei gleichem Lagerabstand in der O-Anordnung größer als in der X-Anordnung. Die Breite der Stützbasis hat einen entscheidenden Einfluss auf die Aufnahmefähigkeit von Kippmomenten und die Kippsteifigkeit der Lageranordnung.

Ein weiterer entscheidender Faktor ist der Einfluss der Wärmedehnung. Ist die Welle wärmer als das Gehäuse (TG < TW), wird das eingestellte Axialspiel bei einer X-Anordnung kleiner. Die unten stehende Grafik zeigt eine X-Anordnung mit Kegelrollenlagern. Der Punkt „R“ stellt hierbei die Rollkegelspitze dar. Diese ist der Schnittpunkt der Verlängerung der Außenringlaufbahn mit der Lagerachse.

X-Anordnung mit Kegelrollenlagern

X-Anordnung mit Kegelrollenlagern | S= Druckkegelspitze, R= Rollkegelspitze

Bei der O-Anordnung werden drei Fälle unterschieden:

Fallen die Rollkegellinien zusammen, dann gleichen sich die axiale und radiale Wärmedehnung aus und das eingestellte Spiel bleibt erhalten.

 O-Anordnung Spezialfall

Rollkegellinien fallen zusammen

Überschneiden sich die Rollkegellinien, wirkt sich die radiale Dehnung stärker auf das Lagerspiel aus als die axiale Wärmedehnung. Das eingestellte Spiel wird kleiner.
 

 O-Anordnung

Rollkegellinien überschneiden sich

Überschneiden sich die Rollkegellinien nicht, wirkt sich die axiale Wärmedehnung stärker auf das Lagerspiel aus als die radiale Dehnung. Das eingestellte Spiel wird größer.

O-Anordnung

Rollkegellinien überschneiden sich nicht

Konstruktive Hinweise

Der Schiebesitz ist stets an dem Ring zugelassen, der Punktlast erhält. Ob der Innen- oder Außenring angestellt wird, hängt von der Anschlusskonstruktion ab (z.B. Wellenmutter, Gehäusedeckel). Um eine leichte Verschiebbarkeit zu gewährleisten, ist auch die Passungslage des Lagerringes zu beachten.

 

Schwimmende Lagerung

Die schwimmende Lagerung ähnelt der angestellten Lagerung. Bei dieser Lagerungsart strebt man allerdings ein axiales Spiel an, sodass das rotierende Bauteil zwischen den Lagern axial „schwimmt“. Das axiale Spiel muss dabei so gewählt werden, dass es bei ungünstigen thermischen Verhältnissen nicht zu einem Verspannen der Lager kommt.

Typische Wälzlager für eine schwimmende Lagerung sind:

  • Zylinderrollenlager (Bauform NJ bzw. NJP mit ausreichendem Axialspiel)

  • Rillenkugellager

  • Pendelrollenlager

  • Pendelkugellager

Ein Ring – meist der Außenring – erhält einen Schiebesitz. Bei Zylinderrollenlagern der Bauform NJ bzw. NJP ist dies nicht notwendig, da der Längenausgleich innerhalb des Lagers erfolgt. 

Schwimmende Lagerung

Typische Beispiele für eine schwimmende Lagerung (s = Axialspiel): (1) Rillenkugellager, (2) Pendelrollenlager, (3) Zylinderrollenlager (Bauart NJ)

Ausgleich der Wellenbiegung

Die Wellenbiegung hat einen erheblichen Einfluss auf die Laufruhe der Wälzlager und deren Lebensdauer. Zylinderrollenlager sind nur begrenzt dafür geeignet, Wellenbiegungen auszugleichen. Bei einer zu großen Durchbiegung der Welle verschränkt die Zylinderrolle und es kommt zu einem Kantenlauf. Dies schädigt sowohl die Rolle als auch die Laufbahn, was einen vorzeitigen Ausfall des Lagers zur Folge hat. 

Um größere Wellenbiegungen aufnehmen zu können, empfiehlt sich die Verwendung von Tonnen-, Pendelrollen- und Pendelkugellager.

Belastung einer Zylinderrolle bei normaler und überhöhter Wellenbiegung

Belastung einer Zylinderrolle bei normaler und überhöhter Wellenbiegung

Schlupf und Mindestbelastung

Bei einem optimal belasteten Wälzlager ist die Umfangsgeschwindigkeit im Kontaktbereich für alle Wälzkörper gleich. Die Wälzkörper rollen gleichmäßig über die Laufbahn ab. In bestimmen Drehzahl- und Lastbereichen, z.B. beim Anfahren einer Maschine ohne Last, kommt es zu einer Gleitbewegung zwischen Wälzkörpermantelfläche und Laufbahn. Man spricht in der Wälzlagertechnik vom sogenannten Schlupf. Dieser tritt häufig bei veränderlichen oder hohen Drehzahlen kombiniert mit kleinen Lasten auf. Durch den Schlupf kommt es zu einer Beschädigung der Laufflächen der Ringe und des Wälzkörpers. Die Lebensdauer wird dadurch reduziert. 

Schlupf tritt besonders häufig bei Rollenlagern auf.  Um ihn zu vermeiden, ist es wichtig, dass eine Mindestbelastung eingehalten wird. Die Formeln zur Berechnung der Mindestbelastung finden Sie in den jeweiligen Produktbeschreibungen.

 

Auswahl der geeigneten Wälzlagerungen

Um die Auswahl der geeigneten Wälzlagerung zu erleichtern, wird nachfolgend auf die Vor- und Nachteile der verschiedenen Lager unter Berücksichtigung von unterschiedlichen Belastungen und Drehzahlen eingegangen. Es soll als Entscheidungshilfe dienen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Die folgende Tabelle zeigt eine Übersicht zur Lagerauswahl bei einer Welle mit zwei Lagerstellen. Die Abstände der Lagerstellen zur Krafteinleitung sind gleich und damit ideal angenommen. In der Tabelle werden die Drehzahl sowie die radiale und axiale Belastung als Kriterien genannt.

 

lfd.NrDrehzahlradiale Balastungaxiale BelastungLagerungsartLagertype
Lagerstelle 1Lagerstelle 2

1

++

+

 

Fest-Loslagerung 
oder
schwimmende Lagerung

Rillenkugellager

Rillenkugellager

2

+

++

-

Fest-Loslagerung
oder
schwimmende Lagerung

Zylinderrollenlager

Zylinderrollenlager

3

+

++

+

Fest-Loslagerung

Zylinderrollenlager + Vierpunktlager

Zylinderrollenlager

4

+

+

++

angestellte Lagerung

Kegelrollenlager

Kegelrollenlager

5

++

+

+

angestellte Lagerung

Schrägkugellager

Schrägkugellager

6

-

++

+

Fest-Loslagerung
oder
schwimmende Lagerung

Pendelrollenlager

Pendelrollenlager

7

-

++

++

Fest-Loslagerung

Pendelrollenlager + Axialpendelrollenlager

Pendelrollenlager

++ hoch | + mittel | - niedrig 

Es ist konstruktiv darauf zu achten, dass das Lager der Loslagerstelle einen Schiebesitz erhält. Dieser muss mindestens die thermische Längendehnung der Welle bzw. des Gehäuses ausgleichen, ohne dabei Zwangskräfte zu erzeugen. Die folgende Abbildung zeigt einen solchen typischen Aufbau.

Typische Lagerung mit zwei Rillenkugellagern

Typische Fest-Loslagerung mit zwei Rillenkugellagern

Als Zylinderrollenlagerbauformen eignen sich NUP oder NJ+HJ als Festlager und NU für Loslager. Alternativ kann unter diesen Bedingungen auch eine schwimmende Lagerung bestehend aus zwei NJ-Zylinderrollenlagern umgesetzt werden.

Schwimmende Lagerung mit zwei NJ-Lagern

Schwimmende Lagerung mit zwei NJ-Lagern

Die Festlagerseite besteht aus zwei Wälzlagern. Die Axialkraft wird ausschließlich durch ein Vierpunktlager aufgenommen, das konstruktiv radial freizustellen ist. Für das Zylinderrollenlager als reines radiales Lager kommt die Bauform NU oder N infrage. Um ein radiales Tragen durch das Vierpunktlager auszuschließen, ist es wichtig, dass der radiale Spalt zwischen dem Außendurchmesser des Vierpunktlagers und der Gehäusebohrung größer ist als die Lagerluft des Zylinderrollenlagers.

Festlagerung mit Komponententrennung

Festlagerung mit Komponententrennung

Bei der Einstellung des Spiels oder der Vorspannung der Kegelrollenlager oder Schrägkugellager muss der Einfluss der Betriebstemperatur berücksichtigt werden. Es ist darauf zu achten, dass die erforderlichen Werte des Spiels oder der Vorspannung im Betrieb, d.h. im warmen Zustand, erreicht werden. Beide Varianten zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit der Lagerung aus.

Eine schwimmende Lagerung mit zwei Pendelrollenlagern wird häufig in schwerbelasteten Wellen eingesetzt, da sie neben den hohen Lasten auch große Wellenbiegungen und Fluchtungsfehler aufzunehmen kann. Einen typischen Aufbau zeigt die folgende Grafik.

Schwimmende Lagerung mit zwei Pendelrollenlager

Schwimmende Lagerung mit zwei Pendelrollenlager

Bei großen axialen Kräften kommt es – ähnlich wie bei Festlagerung mit Komponententrennung bereits gezeigt – zur getrennten Lastaufnahme innerhalb des Festlagers. Um die Wellenbiegung zu kompensieren, werden dabei als Axiallager Axial-Pendelrollenlager (statt Vierpunktlager) und als Radiallager ein Radial-Pendelrollenlager eingesetzt. Konstruktiv ist darauf zu achten, dass die Schwenkradien des axialen und des radialen Pendelrollenlagers konzentrisch sind.

Aufbau eines Festlagers aus einem radialen und einem axialen Pendelrollenlager

Aufbau eines Festlagers aus einem radialen und einem axialen Pendelrollenlager