Vom kleinen Einkaufswagen im Supermarkt bis hin zu riesigen Kraftwerken könnte eine große Anzahl leichter und industrieller Geräte ohne die Verwendung von Lagern in irgendeiner Form nicht funktionieren.

Lager sind eine entscheidende tribologische Komponente vieler Arten von Maschinen und existieren in einer Vielzahl von Formen und Gestalten. Sie können als ein Bauteil definiert werden, das nur eine bestimmte Art von Bewegung (Einschränkung von Freiheitsgraden) in einem statisch oder dynamisch belasteten System unterstützt/erlaubt.

Ein Beispiel ist eine Schiebetür. Die Tür kann nicht angehoben oder von ihrem Platz entfernt werden. Sie lässt sich nur verschieben, um sie zu öffnen. Die mögliche Bewegung wird durch Lager auf eine Gleitbewegung beschränkt.

Was ist der Zweck von Lagern?

Der Hauptzweck von Lagern besteht darin, den direkten Kontakt von Metall auf Metall zwischen zwei Elementen zu verhindern, die sich relativ zueinander bewegen. Dadurch werden Reibung, Wärmeentwicklung und letztlich der Verschleiß der Teile verhindert. Außerdem wird der Energieverbrauch gesenkt, da die Gleitbewegung durch reibungsarmes Rollen ersetzt wird.

Sie übertragen auch die Last des rotierenden Elements auf das Gehäuse. Diese Belastung kann radial, axial oder eine Kombination aus beidem sein. Ein Lager schränkt auch die Bewegungsfreiheit der beweglichen Teile auf vordefinierte Richtungen ein, wie oben beschrieben.

Wälzkörperlager

Wälzkörperlager enthalten Wälzkörper in Form von Kugeln oder Zylindern. Wir wissen, dass es einfacher ist, ein Rad zu rollen, als es auf dem Boden zu gleiten, da die Größe der Rollreibung geringer ist als die Gleitreibung. Das gleiche Prinzip gilt auch hier. Wälzlager werden verwendet, um die freie Bewegung von Teilen in Rotationsbewegungen zu erleichtern.

Auch wenn wir in Anwendungen lineare Bewegungen benötigen, ist es einfach, Rotationsbewegungen in Gleitbewegungen umzuwandeln. Man denke an eine Rolltreppe oder ein Förderband. Obwohl die Bewegung linear ist, wird sie von Rollen angetrieben, die von Motoren angetrieben werden.

Ein weiteres Beispiel ist eine Kolbenpumpe, die mit Hilfe von Gestängen die Rotationsenergie eines Motors in eine translatorische Bewegung umwandeln kann. In jeder dieser Anwendungen werden Kugellager verwendet, um die Motorwellen sowie die Wellen der anderen Rollen in der Baugruppe zu stützen.

Walzelemente tragen die Last ohne große Reibung, da die Gleitreibung durch Rollreibung ersetzt wird. Wälzlager können in zwei Haupttypen unterteilt werden: Kugellager und Rollenlager.

Kugellager

Kugellager sind eine der am häufigsten verwendeten Lagerklassen. Sie bestehen aus einer Reihe von Kugeln als Wälzkörper. Sie sind zwischen zwei ringförmigen Metallteilen eingeschlossen. Diese Metallteile werden als Laufringe bezeichnet. Der innere Laufring kann sich frei drehen, während der äußere Laufring feststeht.

Kugellager bieten eine sehr geringe Reibung beim Abrollen, haben aber eine begrenzte Tragfähigkeit. Das liegt an der kleinen Kontaktfläche zwischen den Kugeln und den Laufringen. Sie können neben Radiallasten auch Axiallasten in zwei Richtungen aufnehmen.

Kugellager werden zur Steuerung von Schwingungs- und Drehbewegungen verwendet. Zum Beispiel in Elektromotoren, wo die Welle frei drehbar ist, das Motorgehäuse aber nicht, werden Kugellager verwendet, um die Welle mit dem Motorgehäuse zu verbinden.

Abhängig von der Anwendung stehen verschiedene Arten von Kugellagern zur Auswahl.

Vorteile von Kugellagern:

• Gute Verschleißfestigkeit
• Brauchen nicht viel Schmierung
• Bieten geringe Reibung, dadurch geringer Energieverlust
• Lange Lebensdauer
• Leicht austauschbar
• Kleine allgemeine Abmessungen
• Vergleichsweise preiswert
• Kann Axiallasten aufnehmen

Nachteile von Kugellagern:

• Kann durch Stöße brechen
• Kann ziemlich laut sein
• Kann keine großen Gewichte tragen

Rillenkugellager

Dies ist der am häufigsten verwendete Kugellagertyp. Zwischen den beiden Laufringen befindet sich ein Ring aus Kugeln, der die Last überträgt und die Drehbewegung zwischen den beiden Laufringen ermöglicht. Die Kugeln werden von einem Käfig gehalten.

Sie haben eine sehr niedrige Rollreibung und sind für geringe Geräuschentwicklung und geringe Vibrationen optimiert.

Sie sind vergleichsweise einfach zu installieren und erfordern nur minimale Wartung. Bei der Montage muss darauf geachtet werden, dass die Laufringe nicht verbeult werden, da sie auf die Wellen aufgeschoben werden müssen.

Schrägkugellager

Bei diesem Kugellagertyp, sind die Innen- und Außenringe entlang der Lagerachse gegeneinander versetzt. Durch die Verschiebung der Innen- und Außenringe kann die Axiallast durch das Lager auf das Gehäuse übertragen werden. Dieses Lager eignet sich für Anwendungen, bei denen eine starre axiale Führung erforderlich ist.

Schrägkugellager werden häufig in landwirtschaftlichen Geräten, Automobilen, Getrieben, Pumpen und anderen Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt.

Selbstausrichtende Kugellager

Diese Art von Kugellager ist unempfindlich gegenüber Fluchtungsfehlern zwischen der Welle und dem Gehäuse, die durch Wellendurchbiegung oder Montagefehler entstehen können.

Der Innenring hat tiefe Rillen, ähnlich wie bei Rillenkugellagern, gefolgt von zwei Kugelreihen und dem Außenring. Der Außenring hat eine konkave Form, die dem Innenring eine gewisse Freiheit gewährt, sich je nach Fluchtungsfehler neu anzuordnen.

Schubkugellager

Schubkugellager sind eine besondere Art von Kugellagern, die speziell für axiale Belastungen ausgelegt sind. Sie können keine radialen Belastungen aufnehmen.

Axialkugellager sind geräuscharm, leichtgängig und eignen sich für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.

Sie sind als einseitig oder zweiseitig wirkende Lager erhältlich, wobei die Auswahl davon abhängt, ob die Belastung unidirektional oder bidirektional ist.

Wann werden Kugellager eingesetzt?

Zählen wir einige Arbeitsbedingungen auf, die ein Kugellager erfordern können.

1. Schublasten sind vorhanden. Kugellager sind so konstruiert, dass sie axiale Belastungen aushalten können.
2. Keine schweren Lasten. Durch die kugelförmigen Wälzkörper konzentrieren die Lager die gesamte Kraft auf wenige Kontaktpunkte. Dies kann bei hohen Belastungen zu einem frühen Ausfall führen.
3. Hohe Drehzahlen. Der kleine Kontaktpunkt des Kugellagers bedeutet auch weniger Reibung. Es muss also weniger Widerstand überwunden werden und daher ist es einfacher, mit diesen Lagern hohe Drehzahlen zu erreichen.

Rollenlager

Rollenlager enthalten zylindrische Wälzkörper anstelle von Kugeln als tragende Elemente zwischen den Laufringen. Ein Element wird als Rolle bezeichnet, wenn seine Länge größer ist als sein Durchmesser (auch wenn es nur geringfügig ist). Da sie in Linienkontakt mit den Innen- und Außenringen stehen (statt in Punktkontakt wie bei Kugellagern), können sie eine höhere Belastung aufnehmen.

Rollenlager gibt es auch in verschiedenen Ausführungen. Der geeignete Typ kann unter Berücksichtigung der Art und Größe der Belastung, der Betriebsbedingungen und der Möglichkeit von Fluchtungsfehlern sowie anderer Faktoren ausgewählt werden.

Vorteile von Rollenlagern:

• Einfache Wartung
• Geringe Reibung
• Kann hohe Radiallasten aufnehmen
• Kegelrollenlager können hohe Axiallasten aufnehmen
• Große Genauigkeit
• Verwendet, um axiale Verschiebung einzustellen
• Geringe Vibrationen

Nachteile von Rollenlagern:

• Geräuscharm
• Geradezu teuer

Zylinderrollenlager

Sie sind die einfachsten der Rollenlagerfamilie. Diese Lager sind für hohe radiale Belastungen und hohe Geschwindigkeiten geeignet. Sie bieten außerdem eine ausgezeichnete Steifigkeit, axiale Lastübertragung, geringe Reibung und eine lange Lebensdauer.

Die Tragfähigkeit kann weiter erhöht werden, indem auf Käfige oder Halterungen verzichtet wird, die normalerweise die Zylinderrollen halten. Dies ermöglicht den Einbau von mehr Rollen, um die Last zu tragen.

Sie sind als einreihige, zweireihige und vierreihige Typen erhältlich. Außerdem gibt es geteilte und abgedichtete Varianten.

Geteilte Varianten werden für schwer zugängliche Bereiche wie z.B. Motorkurbelwellen verwendet. Bei abgedichteten Varianten wird die Verschmutzung des Lagers verhindert und das Schmiermittel bleibt erhalten, was sie zu einer wartungsfreien Option macht.

Pendelrollenlager

Schwere Radial- und Axiallasten können eine größere Herausforderung darstellen, wenn die Welle zu Fluchtungsfehlern neigt.

Diese Situation kann von Pendelrollenlagern sehr gut bewältigt werden. Sie haben eine hohe Tragfähigkeit und können Fluchtungsfehler zwischen Welle und Gehäuse ausgleichen. Das senkt die Wartungskosten und erhöht die Lebensdauer.

Die Laufbahnen der Pendelrollenlager sind in einem Winkel zur Lagerachse geneigt. Anstelle von geraden Seiten haben die Rollen kugelförmige Seiten, die auf die kugelförmigen Laufbahnen passen und kleine Fluchtungsfehler ausgleichen.

Pendelrollenlager haben eine Vielzahl von Anwendungsfällen. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen schwere Lasten, mittlere bis hohe Geschwindigkeiten und mögliche Fluchtungsfehler auftreten. Einige Anwendungsbeispiele sind Geländewagen, Pumpen, mechanische Ventilatoren, Schiffsantriebe, Windkraftanlagen und Getriebe.

Kegelrollenlager

Das Kegelrollenlager enthält Abschnitte eines Kegels als tragendes Element. Diese Rollen sitzen zwischen den beiden Laufringen, die ebenfalls Abschnitte eines Hohlkegels sind. Würden die Laufringe und die Achsen der Rollen verlängert, so würden sie sich in einem gemeinsamen Punkt treffen.

Kegelrollenlager sind neben radialen Belastungen auch für höhere axiale Belastungen ausgelegt. Je größer der Halbwinkel dieses gemeinsamen Konus ist, desto mehr Axiallast kann er aufnehmen. Daher arbeiten sie sowohl als Axial- als auch als Radiallager.

Nadelrollenlager

Nadelrollenlager sind eine spezielle Art von Rollenlagern, die zylindrische Rollen haben, die wegen ihres kleinen Durchmessers Nadeln ähneln.

Normalerweise ist die Länge der Rollen in Rollenlagern nur etwas größer als ihr Durchmesser. Bei Nadellagern übersteigt die Länge der Rollen ihren Durchmesser um mindestens das Vierfache.

Da Nadellager einen kleineren Durchmesser haben, können mehr Rollen in den gleichen Raum passen, was die Kontaktfläche mit den Laufringen vergrößert. So können sie hohe Lasten aufnehmen. Die geringe Größe kann sich auch bei Anwendungen als hilfreich erweisen, bei denen der Platz begrenzt ist, da sie geringere Abstände zwischen der Achse und dem Gehäuse erfordern.

Nadellager werden in Automobilkomponenten wie Getriebe- und Kipphebelgelenken verwendet. Sie werden auch in Kompressoren und Pumpen verwendet.

Wann verwendet man Rollenlager?

Rollenlager sind die häufigste Alternative zu Kugellagern. Lassen Sie uns also herausfinden, welche Arbeitsbedingungen für diese Art von Lager am besten geeignet sind.

1. Schwere Lasten. Rollenlager bieten eine wesentlich größere Kontaktfläche und verteilen die Last gleichmäßiger. Dadurch sind sie weniger störanfällig und können hohen Kräften standhalten.
2. Niedrige Drehzahlen. Auch hier kommt es auf die Kontaktfläche an. Es entsteht mehr Reibung, was zu einer höheren Temperaturentwicklung und schnellerem Verschleiß führen kann.

Gleitlager

Ein Gleitlager ist die einfachste Art von Lager. Es besteht meist nur aus einer Lagerfläche. Es gibt keine Wälzkörper.

Das Lager ist im Grunde eine Hülse, die auf die Welle montiert wird und in die Bohrung passt. Gleitlager sind preiswert, kompakt und leicht. Sie haben eine hohe Tragfähigkeit.

Gleitlager werden für rotierende, gleitende, hin- und hergehende oder oszillierende Bewegungen verwendet. Das Lager bleibt fest, während der Zapfen auf der Innenfläche des Lagers gleitet. Um eine reibungslose Bewegung zu ermöglichen, werden Materialpaarungen mit niedrigen Reibungskoeffizienten gewählt. Verschiedene Arten von Kupferlegierungen sind z. B. recht häufig.

Dieses Lager kann eine gewisse Fehlausrichtung und Bewegungen in mehrere Richtungen aufnehmen und ist sowohl für statische als auch für dynamische Belastungen geeignet. Es wird häufig in der Landwirtschaft, im Automobilbau, in der Schifffahrt und in der Bauindustrie eingesetzt.

Der Kolbenbolzen, der den Kolben mit der Pleuelstange in Dieselmotoren verbindet, ist durch ein Gleitlager verbunden.

Das Gelenklager ist ebenfalls ein Gleitlager, obwohl es aus zwei Teilen besteht – dem Innenring und dem Außenring. Obwohl es den Kugel- und Rollenlagern auf den ersten Blick ähnlich sieht, haben sie keine Wälzkörper zwischen den beiden Ringen.

Fluidlager

Fluidlager sind eine besondere Art von Lagern, die auf unter Druck stehendem Gas oder Flüssigkeit beruhen, um die Last zu tragen und Reibung zu beseitigen. Diese Lager werden verwendet, um metallische Lager in Anwendungen zu ersetzen, in denen sie eine kurze Lebensdauer sowie einen hohen Geräusch- und Vibrationspegel haben.

Sie werden auch zunehmend eingesetzt, um Kosten zu senken. Flüssigkeitslager werden in Maschinen eingesetzt, die mit hohen Geschwindigkeiten und Lasten arbeiten. Während die anfänglichen Kosten höher sind, macht die längere Lebensdauer unter harten Bedingungen dies auf lange Sicht wieder wett.

Wenn die Maschine läuft, gibt es keinen Kontakt zwischen den beiden Elementen (außer während des Starts und des Stopps) und daher ist es möglich, mit Flüssigkeitslagern nahezu keinen Verschleiß zu erzielen.

Flüssigkeitslager werden in zwei Typen eingeteilt: hydrostatische und hydrodynamische Lager.

Hydrostatische Lager

Bei diesem Typ wird eine von außen unter Druck stehende Flüssigkeit zwischen zwei Elemente gepresst, die sich relativ zueinander bewegen. Die unter Druck stehende Flüssigkeit bildet einen Keil zwischen den sich bewegenden Teilen und hält sie auf Abstand. Die Flüssigkeitsschicht kann sehr dünn sein, aber solange kein direkter Kontakt besteht, gibt es keinen Verschleiß.

Die Flüssigkeit wird mit Hilfe einer Pumpe umgewälzt. Der Durchmesser der Austrittsöffnung kann eingestellt werden, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeit bei allen Wellendrehzahlen und Belastungen stets unter Druck steht. So ist eine präzise Spaltkontrolle möglich.

Hydrodynamische Lager

Diese Art von Lager nutzt die Bewegung des Zapfens, um die Flüssigkeit zwischen Welle und Gehäuse zu drücken. Durch die Bewegung des Zapfens wird die Schmierflüssigkeit zwischen die beweglichen Teile gesaugt, wodurch ein konstanter Keil entsteht.

Das bedeutet jedoch, dass die Keilbildung beim Start-Stopp-Betrieb sowie bei niedrigen Lasten und Geschwindigkeiten möglicherweise nicht gut genug ist, um Verschleiß zu verhindern. Nur bei den vorgesehenen Geschwindigkeiten funktioniert das System genau so, wie es benötigt wird.

Magnetlager

Magnetlager nutzen das Konzept des magnetischen Schwebens, um die Welle in der Luft zu halten. Da es keinen physischen Kontakt gibt, sind Magnetlager verschleißfrei. Es gibt auch keine Begrenzung für die maximale Relativgeschwindigkeit, die sie bewältigen können.

Magnetlager können auch einige Unregelmäßigkeiten im Wellendesign ausgleichen, da die Position der Welle automatisch auf der Grundlage ihres Massenschwerpunkts angepasst wird. So kann es zu einer Seite versetzt sein, aber immer noch genauso zufriedenstellend funktionieren.

Sie werden grob in zwei Typen unterteilt: Aktive und passive Magnetlager.

Aktive Magnetlager

Aktive Magnetlager verwenden Elektromagnete um die Welle, um ihre Position zu halten. Wird eine Positionsänderung von Sensoren erfasst, passt das System die Stromzufuhr an und bringt den Rotor in seine ursprüngliche Position zurück.

Passive Magnetlager

Passive Magnetlager verwenden Dauermagnete, um ein Magnetfeld um die Welle aufrechtzuerhalten. Das bedeutet, dass keine Energiezufuhr erforderlich ist. Das System ist jedoch aufgrund von Beschränkungen schwierig zu konstruieren, da sich diese Technologie noch im Anfangsstadium befindet.

In vielen Fällen können die beiden Arten von Magnetlagern gemeinsam verwendet werden, wobei die Dauermagneten die statische Belastung übernehmen, während die Elektromagneten verwendet werden, um die Position mit einem hohen Maß an Genauigkeit zu halten.