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NKE: Wälzlager richtig auswählen Spiel, Käfig, Dichtung und Schmierung zählen

| Redakteur: Konrad Mücke

Mit wenigen von Herstellern bereitgestellten Informationen und Daten sowie aus Erfahrungen vergleichbarer Anwendungen wählen Konstrukteure üblich jeweils passende Wälzlager. Für eine optimale Funktion sind zusätzliche, häufig vernachlässigte Kriterien zu berücksichtigen.

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Hochwertige Wälzlager produziert die NKE Austria GmbH im österreichischen Steyr.
Hochwertige Wälzlager produziert die NKE Austria GmbH im österreichischen Steyr.
(Bild: NKE Austria)

Beim Wählen geeigneter Wälzlager lassen sich Konstrukteure von zunächst offensichtlichen Kriterien leiten. Das betrifft zum einen die benötigte Lebensdauer des Wälzlagers. Bei deren Berechnung werden die dynamische Tragzahl und die wirkenden Kräfte, deren Wirkrichtung(en) und die Drehzahlen berücksichtigt. Zum anderen müssen die gewählten Wälzlager selbstverständlich in den zur Verfügung stehenden Einbauraum passen.

Konstruktionsmerkmale detailliert betrachten

Allerdings haben Wälzlager eine Vielzahl weiterer Funktions- und Gestaltungsmerkmale. Auch diese sind zu berücksichtigen. Nur so kann man das für spezifische Anwendungen und Umgebungsbedingungen bestens geeignete Wälzlager bestimmen. Nicht immer werden diese Eigenschaften mit der notwendigen Aufmerksamkeit betrachtet. Das kann Schwierigkeiten in Verbindung mit den Wälzlagerungen verursachen. Zu den wesentlichen, im Detail ebenfalls zu betrachtenden Kriterien von Wälzlagern gehören unter anderem die Lagerluft, die Konstruktion und der Werkstoff des Lagerkäfigs, die Schmierung und die Ausführung der Dichtungen. Auch Beschichtungen können inzwischen die Eigenschaften von Wälzlagern erheblich beeinflussen, so dass diese spezielle Forderungen, beispielweise zur elektrischen Isolation oder zum Korrosionsschutz, erfüllen.

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Lagerluft

Als nominelle Lagerluft bezeichnet man den Weg, um den sich die beiden Ringe eines Lagers im nicht eingebauten Zustand von einer Endlage in die andere verschieben lassen. Bei den meisten Radialwälzlagern wird die radiale Verschiebbarkeit, also die radiale Lagerluft, angegeben, während man bei gepaarten oder zweireihigen Schrägkugellagern und Kegelrollenlagern die axiale Lagerluft angibt. Die Lagerluft wird dabei in Bereiche zusammengefasst – die Lagerluftklassen. Für Standard-Radiallager sind diese entsprechend DIN 620 genormt. Gekennzeichnet sind sie mit nachgesetzten Zeichen, zum Beispiel C3, C4. Die Lagerluft beeinflusst die Funktions- und Leistungsfähigkeit des Wälzlagers nachhaltig. Mit Ausnahme spezieller Anwendungen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass ein Wälzlager im Betrieb über Lagerluft, das sogenannte Betriebsspiel, verfügen muss.

Dieses resultiert primär aus der gewählten Lagerluftklasse des Wälzlagers in Verbindung mit den Umgebungsbedingungen. Letztere bestehen aus den erforderlichen Wellen- und Gehäusepassungen, den für Welle und Gehäuse verwendeten Werkstoffen, speziell deren Wärmeausdehnungskoeffizienten, und dem Temperaturunterschied zwischen Welle und Gehäuse im Betrieb. Dabei ist für die Temperaturen die zusätzlich durch den Betrieb in die Welle eingebrachte Wärme, zum Beispiel bei Motorspindeln, zu berücksichtigen. Meist führen die Umgebungsbedingungen zum «Einschnüren» des Lagers. Das vermindert die nominelle Lagerluft teils beträchtlich. Unter ungünstigen Bedingungen kann es sogar zu einer (unerwünschten) Vorspannung im Wälzlager führen. Diese verursacht zusätzliche Reibung und eine Erwärmung des Lagers. Häufig verkürzt das deutlich die Lebensdauer oder die Wälzlager erleiden vorzeitig Schäden. Um eine verminderte Lagerluft vorzeitig zu erkennen, ist bei der Konstruktion und der Wahl des Wälzlagers bereits die Betriebslagerluft zu bestimmen. Geeignete Näherungsformeln finden sich in den vom Lagerhersteller zur Verfügung gestellten Informationen. Zudem unterstützen Anwendungstechniker des Herstellers mit genauen Betrachtungen und Empfehlungen. Abhängig davon ist es häufig günstig, ein Wälzlager einer höheren Lagerluftklasse zu wählen.

Käfig

Grundsätzlich liefern Wälzlagerhersteller das jeweilige Wälzlager mit einem Standardkäfig. Dieser sorgt mit seinen technischen Merkmalen dafür, dass das Wälzlager in allen normalen Anwendungsfällen funktioniert und den Erwartungen entspricht. Dagegen ist es bei besonderen Betriebsbedingungen unerlässlich, den Käfig und seine Ausführung eingehend zu prüfen und zu beurteilen. Dabei unterstützt der Wälzlagerhersteller die Konstrukteure. Dies betrifft unter anderem den Betrieb der Wälzlager bei hohen Temperaturen. Beispielsweise dürfen Käfige aus Kunststoff (PA6.6) bei maximal 120 °C Betriebstemperatur betrieben werden. Bei höheren Temperaturen eignen sich ausschliesslich Lagerkäfige aus Metall oder aus speziellen Kunststoffen, wie PEAK. Bei grossen Beschleunigungen in Verbindung mit niedrigen Lasten oder auch nur bei niedrigen Lasten sind abhängig von der Bauform und den Abmessungen der Wälzlager leichte (aus Kunststoff) oder – je nach Einbausituation – am Innen- oder am Aussenring ringgeführte Käfige zu bevorzugen. Das vermeidet, dass die Käfige aufgrund ihrer Trägheit die Wälzkörper verzögern oder blockieren und daraus resultierend Wälzkörper und Lagerbahnen durch Schlupf beschädigt werden. Gleichermassen sollte man Wälzlager und deren Käfige kritisch betrachten bei Anwendungen mit starken Stössen, Vibrationen und grossen Fliehkräften, beispielsweise bei Exzenterwellen.

Von den Wälzkörpern geführte Käfige sind allgemein stets bei Fettschmierung einzusetzen. Bei ringgeführten Käfigen kann der notwendige Schmierfilm im Spalt zwischen Käfig und Ring bei Fett nicht zuverlässig gewährleistet werden. Mit Öl geschmierte Lager haben keine derartigen Einschränkungen. Sie erfordern aber meist höheren Aufwand in der Lagerperipherie. Speziell für aktuelle, vollsynthetische Öle ist allerdings auch zu prüfen, ob sie mit technischen Kunststoffen und Gummi, also Käfigen und Dichtungen, verträglich sind.

Schmierung

Oft werden die Auswahl eines korrekten Schmierstoffs sowie die Einordnung der Leistungsfähigkeit und der Gebrauchsdauer üblich eingesetzter Schmierstoffe in vorbefetteten und abgedichteten Radialrillenkugellagern unterschätzt. Einerseits soll eine bestmögliche Schmierwirkung verwirklicht werden, um die Reibung und den metallischen Kontakt bei realen Betriebsbedingungen zu minimieren. Andererseits altert jeder Schmierstoff abhängig von betrieblichen Bedingungen, üblich vor dem Ende der Lebensdauer des Lagers. Oft entscheidet darüber die Betriebstemperatur. Insgesamt ist anzuraten, in Kooperation mit dem Schmierstoffhersteller und dem Wälzlagerproduzenten das Verhalten und die Eigenschaften des Schmierstoffs im Wälzlager exakt zu betrachten.

Dichtungen

Auch die von Herstellern bereitgestellten Varianten an Dichtungen werden häufig unrichtig eingeschätzt. So sind berührende Wälzlagerdichtungen grundsätzlich nicht gegen Flüssigkeiten dicht. Dies resultiert zum einen aus dem kleinen zur Verfügung stehenden Bauraum. Zum anderen besteht ein Kompromiss zwischen Dichtwirkung und Minimierung unerwünschter Reibung und damit einhergehender Reibungsverluste. Abhängig von der individuellen Anwendung der Wälzlager sind unterschiedliche Varianten an Dichtungen mit ihren Merkmalen, Vor- und Nachteilen genau abzuwägen. Wichtige Kriterien dabei sind die Dichtwirkung und die Reibung. Bei Bedarf lohnt der Einsatz von Sonderausführungen, beispielsweise mit integriertem Radialwellendichtring. Auch vorgelagerte Dichtungen sind – trotz des grösseren Aufwands – in Betracht zu ziehen.

Bei auf Lebensdauer geschmierten und gedeckelten oder abgedichteten Wälzlagern entsteht meist ein «Fettkragen». Er resultiert aus Fettverteilungs- und Verdrängungsprozessen im Lager. Kleine Fettmengen werden bei drehenden Wälzlagern aus dem Innern verdrängt. Auch wenn der zumeist sekundäre, optische Eindruck darunter leidet, ist dieser Fettkragen kein Qualitätsmangel. Er schützt sogar das Lager. Schmutzpartikel bindet er bereits ausserhalb des Wälzlagers und vor der eigentlichen Dichtung. So verhindert und verzögert er, dass diese in das Lagerinnere gelangen. Ist der Fettkragen unerwünscht oder nicht zu dulden (beispielsweise bei Forderungen an die Hygiene) kann man weniger Fett in das Lager einbringen oder einen «Einlaufprozess» durchlaufen, in dem der Fettkragen bereits entsteht.

Kritisch detailliert betrachten

Beim Planen und Konstruieren mit Wälzlagern sind eine Vielzahl weiterer Kriterien zu berücksichtigen. Das kann beispielsweise die Korrosion betreffen. Oder es kommt darauf an, dass die Wälzlager elektrisch isolierend ausgeführt sind, um Kriechströme auszuschliessen. Dafür enthalten Fachkataloge und weitere Publikationen von Lagerherstellern, zum Beispiel von der NKE Austria GmbH, wertvolle Daten und Informationen. Zusätzlich bietet der österreichische Hersteller mit seiner Anwendungstechnik ein Kompetenzzentrum, das Konstrukteure dabei unterstützt, Wälzlagerungen optimal auszulegen sowie Details zur Konstruktion, zur Lebensdauer, zum Einbau und zur Wartung von Wälzlagern zu klären. - kmu - SMM

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