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Kugellager

Kugelrollenlager - Weniger ist oft mehr

24.11.2006 | Autor / Redakteur: Reinhold Schäfer / Jürgen Schreier

Das Kugelrollenlager vereint die Vorteile des Kugellagers (axiale Belastbarkeit) mit den Vorteilen des Rollenlagers (höheren Tragfähigkeit).

Ein neues innovatives Lager stellt die Schaeffler Gruppe Industrie vor: das Kugelrollenlager. Es vereint die Vorteile des Kugellagers (axiale Belastbarkeit) mit den Vorteilen des Rollenlagers (höheren Tragfähigkeit), baut aber kleiner als ein Kugellager (bei gleicher Belastbarkeit) und ist reibungsärmer als ein Rollenlager (bei gleicher Tragfähigkeit).

Noch heute wird das Kugellager von allen Wälzlagerbaureihen am häufigsten hergestellt – pro Jahr sind es weltweit um die sieben Milliarden Stück. Auch die Kegelrollenlager wurden um die Jahrhundertwende entwickelt und sind heute an dritter Stelle mit einer gefertigten Stückzahl von knapp einer Milliarde pro Jahr. Erst 1950 wurde das Nadellager als dritte große Baureihe serienreif. Gemessen an der Stückzahl – produziert werden pro Jahr vier Milliarden – ist die Nadellagerfamilie jedoch heute weltweit die Nummer zwei.

Trotzdem behauptet Dipl.-Ing. (FH) Heinrich Hofmann, Vorentwicklung Sonderprojekte, Schaeffler KG, Schweinfurt.: „Das Kugellager ist aus heutiger Sicht eine erfolgreiche Fehlkonstruktion aus dem Jahr 1900.“ Kennt man die Vorteile des in Schweinfurt neu entwickelten Kugelrollenlagers, das die Vorteile von Kugel- und Rollenlager vereint, wird man dem auch zustimmen.

Unterschiede von Kugeln, Kegeln und Nadeln

Um die Unterschiede der Wälzlager mit Kugeln, Kegeln und Nadeln herauszustellen, erläutert Heinrich Hofmann, sei es sinnvoll sich ein virtuelles Zwei-Wellen-Getriebe vorzustellen. Welle 1 ist als Fest-Loslagerung in einem Kugellager und einer Rollenhülse gelagert, Welle 2 als Stützlagerung in zwei gleichen Kegelrollenlagern. Die Kegelrollenlager stützen sich axial gegenseitig ab. „Man spricht auch von einer angestellten Lagerung, denn das Axialspiel wird zur Sicherung einer optimalen Funktion eingestellt“, erläutert Hofmann.

Bei der Stützlagerkonstruktion werde deutlich, dass der Innenringbord des Kegelrollenlagers axialen Raum beansprucht. „Dieser Bord wird benötigt, um die Kegelrolle stirnseitig zu führen. Zusätzlich zur Rollreibung am Rollenmantel entsteht somit Gleitreibung am Bord.“ Das Kegelrollenlager sei daher von der Reibung her gesehen ein so genanntes Hybridlager. Die Belastbarkeit ist radial und axial hoch. Das Leistungsgewicht sei für das Lagerbeispiel 32007 mit 223 kN/kg respektabel. Mit einem Außendurchmesser von 62 mm baue das Kegelrollenlager radial nicht zu groß.

„Die Schwachstellen des Kegelrollenlagers sind damit jedoch die Baubreite und die Reibung“, gibt Hofmann zu bedenken. Bei der Los-/Festlagerkonstruktion von Welle 1 falle auf, dass die Rollenhülse als Loslager radial klein baut. Ermöglicht werde dies durch die Integration der Innenringlaufbahn in die Welle und durch den dünnen spanlos hergestellten Außenring. Das Leistungsgewicht sei mit 478 kN/kg sehr hoch. „Die Rollenhülse ist allerdings nur radial belastbar. Die Rollenhülse, ein Verwandter der Nadelfamilie, ist damit eine technisch ausgereifte und absolut wirtschaftliche Lösung für eine reine Radiallagerung“, konstatiert Hofmann.

Das Kugellager 6207 als Festlager baue mit einem Außendurchmesser von 72 mm am größten und habe mit 93 kN/kg das niedrigste Leistungsgewicht. „Es ist jedoch radial und axial belastbar“, gibt Hofmann zu bedenken.

Kugelfüllgrad ist bei Kugellagern limitiert

„Die Exzentermontage bei der Herstellung von Kugellagern ermöglicht einteilige Laufringe mit tiefen Rillen – ohne Schwachstellen wie Füllnuten“, erklärt Heinrich Hofmann. „Die tiefen Rillen erhöhen die axiale Belastbarkeit.“ Montagebedingt sei der Kugelfüllgrad jedoch durch den sichelförmigen Raum zwischen den Laufringen limitiert. „Die Kugelbreite wird nur zu 70% genutzt.“ Das bedeutet: 30% der Kugelbreite verschwenden axialen Bauraum und erhöhen unnötigerweise das Gewicht. „Die Kontaktzone ist bei kleiner Last nur punktförmig ausgeprägt“, weiß Heinrich Hofmann. „Durch die schlechte Schmiegung ist die Druckellipse klein und die Flächenpressung hoch.“

Damit werde die Flächenpressung größer als bei Rollenlagern mit Linienkontakt. Bei reiner Axiallast beobachte man deshalb auf dem Kugeläquator ein umlaufendes Verschleißband, das umso breiter sei, je höher die Last werde. Unter Axiallast verändere sich die Drehachse der Kugel nicht. „Wenn allerdings wie beispielsweise unter Radiallast eine lastfreie Zone im Lager entsteht, dann ändert sich die Drehachse der Kugel bei jeder Umdrehung chaotisch“, konstatiert Hofmann.

Um die Nachteile auszuschließen und die die Vorteile von Kugel- und Rollenlager nutzen zu können, wurde das so genannte Kugelrollenlager entwickelt. „Dafür wird die Kugel abgespeckt, indem das nicht tragende ,Fleisch’ der Kugel links und rechts mit je 15% des Kugeldurchmessers abgeschnitten wird“, erklärt Hofmann das Konstruktionsprinzip und fährt fort: „Die Laufringe werden dadurch um 20% des Kugeldurchmessers schmaler. Die Wälzkörper werden durch einen neu entwickelten Käfig geführt.“ Bei Null-Last und Null-Drehzahl ermögliche diese Führung eine Ausrichtung der Wälzkörper im Startbetrieb. Die Taschenböden des Käfigs seien so gestaltet, dass sich die belastete Kugelrolle in Abhängigkeit des Druckwinkels frei einstellen könne.

Kugelrollenlager hat hohen Füllgrad

Der Füllgrad des Kugelrollenlagers ist höher als beim gleich großen Kugellager. „In das Grundmodell 6207 beispielsweise können elf statt neun Wälzkörper montiert werden“, weiß Hofmann, „weil die Kugelrollen schmaler sind. Sie werden exzentrisch montiert, indem sie um 90 Grad gedreht eingebracht werden. Nach der Zentrierung von Innen- und Außenring werden die Kugelrollen in ihre Laufrichtung gedreht.“ Mehr Wälzkörper bedeuten allerdings auch höhere Tragfähigkeit. Ein weitere Vorteil sei, dass bei voller Breitennutzung der Kugelrolle die Lagerbreite reduziert werde – im betrachteten Fall von 17 mm auf 13,5 mm – „das sind 20 %“, strahlt Hofmann und erklärt sachlich „Durch die reduzierte Breite verringert sich das Lagergewicht ebenfalls um 20%.“.

Die Punktberührung bei Kugeln führt zu hoher Flächenpressung. „Die Änderung der Schmiegung auf ein logarithmisches Profil auf der Kugelrolle steigert die Tragzahl zusätzlich“, weiß Hofmann. „Das logarithmische Profil des Kugelrollenmantels vermeidet Kantenpressung in den axialen Randbereichen der Kugelrolle (kleiner Radius) bei gleichzeitig sehr enger Schmiegung im Kontaktbereich (großer Radius).“ Auch bei kleineren und mittleren Belastungen bilde sich eine breite Druckellipse mit niedriger Flächenpressung aus. Die Kugelrolle könne mit logarithmischem Profil konstruiert werden, weil die Drehachse immer senkrecht zum variablen Druckwinkel steht.

„Damit verändern sich die Schmiegungsverhältnisse nicht, wenn sich das Lastverhältnis axial zu radial und damit der Druckwinkel verändert“, erläutert Hofmann. Die Schmiegung wandert mit der Lastveränderung mit. „Die Kugelrolle rotiert mit ihrer speziellen Massenverteilung optimal um ihre Achse, das heißt, sie folgt den Kreiselgesetzen. Dabei behält das Kugelrollenlager die tiefen Rillen des Kugellagers und somit die hohe axiale Tragfähigkeit. Hier ist weniger mehr: Weniger Bauraum bei höherer Tragzahl.“

Kugelrollenlager ersetzt das Kegelrollenlager

In der Konstruktion unterscheidet man zwischen einreihigen Festlageranwendungen und zweireihigen Stützlager-Anwendungen (angestellte Lagerungen). Das einreihige KXR-Lager, zum Beispiel KXR207, ergänze Hofmann zufolge das Kugellager nach DIN-Abmessungen und sei entweder leistungsfähiger, aber schmaler bei gleichem Außendurchmesser und gleicher Bohrung, leistungsfähiger bei gleicher Breite und mit mehr Fettraum, leistungsfähiger bei gleicher Breite und verbesserter Abdichtung oder leistungsgleich, aber radial kleiner und noch schmaler als das Standardkugellager.

Das zweireihige KXR-Lager, also das KXRT (Tandemanordnung), könne laut Hofmann das Kegelrollenlager und die mehrreihigen Kugellager ersetzen: Zwei Kugelrollen ersetzen eine Kegelrolle. „Das KXRT-Lager ist leistungsgleich, aber reibungsärmer und schmaler als das Kegelrollenlager“, erläutert Hofmann. „Es ist damit die folgerichtige Weiterentwicklung der Tandemkugellager, beispielsweise für die Ritzellagerung, mit zwei Reihen Kugeln.“

Das vierreihige KXR4-Lager ersetze zweireihige Kegelrollenlager und vierreihige Kugellager bei gleicher Bohrung und gleichem Außendurchmesser. Das KXR4-Lager könne auch zweireihige Kugellager ersetzen. „In diesem Fall sind die Kugelrollen kleiner und der Außendurchmesser ist reduziert“, so Hofmann.

„Für die virtuelle Wellenanordnung eines Getriebes können die neuen KXR-Konstruktionen vorteilhaft angewendet werden“, ist sich Hofmann sicher. Das Festlager von Welle 1 werde durch ein leistungsgleiches, aber kleiner und schmaler bauendes einreihiges KXR-Lager ersetzt. Die beiden Stützlager von Welle 2 ersetze man durch zweireihige KXRT-Lager. Die Einbauräume – Achsabstand und Lagerabstand – sind verkleinerbar. „Hinzu kommt, dass die Reibung der KXRT-Lager kleiner ist als beim Kegelrollenlager, da die Bordgleitreibung entfällt“, erläutert Hofmann und die Lageranstellung und Schmierung werde für die KXRT-Stützlager einfacher und robuster.

Simulation und Versuche unter Last

„Die Kugelrollen stabilisieren sich aufgrund ihres Trägheitsmoments schneller als die runde Vollkugel“ erläutert Hofmann. Erklärbar werde dies durch die Kreiselkräfte. Bei der harten Prüfung unter Momentenbelastung ändere sich für jede Kugelrolle bei jeder Umdrehung der Druckwinkel von plus auf minus. Es zeige sich, dass die Kugelrollen gemäß der Theorie mit dem Druckwinkel mitwandern. Darüber hinaus wurden laut Hofmann dynamische Versuche unter axialer und radialer Last durchgeführt, die aufzeigen, dass die Kugelrollenlager die theoretisch erwartete Lebensdauer erfüllen. Das zeigte sich Hofmann zufolge auch in der Praxis: „Bei Fahrversuchen ist die Funktion im Schaltgetriebe auch bei Knallstarts und Zug-Schub-Umkehr gegeben.“

Die Kugelrolle als neuer Wälzkörper führt zu einer neuen Wälzlagerbaureihe mit vielfältigen Möglichkeiten bei Automotive- und Industrieanwendungen. „Vor allem in Getrieben sind die Kugelrollenlager und Kugelrollen-Tandemlager hervorragend geeignet“, ist Hofmann überzeugt. „Bei unverändertem Lastfall erfordern sie weniger Raum, haben geringeres Gewicht, weniger Reibung und damit geringeren Energieverbrauch.“

Bei gleichem Bauraum habe das Kugelrollenlager eine höhere Leistung (Tragfähigkeit), einen größeren Fettraum und dies ergebe mehr Bauraum für eine verbesserte Abdichtung.

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