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Kugellager

Das Wälzlager – Aufbau, Auswahl und Vorteile

| Autor/ Redakteur: Ullrich Höltkemeier / Stefanie Michel

Nur wenige Bauteile sind in der industriellen Maschinenfertigung so wichtig wie das Wälzlager. Deshalb zeigt dieser Artikel im Überblick, wie diese Lager aufgebaut sind und was man bei ihrer Auswahl wissen sollte.

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Nur wenige Bauteile sind in der industriellen Maschinenfertigung so wichtig wie das Wälzlager. Weltweit sind über 100 Milliarden dieser Konstruktionselemente im Einsatz. Hier die überarbeitete Laufrollen-Baureihen LR52 und LR53 in X-life-Qualität.
Nur wenige Bauteile sind in der industriellen Maschinenfertigung so wichtig wie das Wälzlager. Weltweit sind über 100 Milliarden dieser Konstruktionselemente im Einsatz. Hier die überarbeitete Laufrollen-Baureihen LR52 und LR53 in X-life-Qualität.
(Bild: Schaeffler )

Wälzlager – oft auch Kugellager genannt – sind Lager, die Bewegungen von Bauteilen aufgrund einer Rollbewegung erleichtern und die Reibung verringern. Typische Wälzkörper sind Kugel und Zylinder (in kleinerer Form auch Nadeln genannt). Sie werden in Käfigen geführt.

Aufbau des Wälzlagers

Der Aufbau eines Wälzlagers ist im Allgemeinen relativ einfach. Da sind zuerst die Wälzkörper, wie zum Beispiel Kugeln, Kugelrollen, Nadel oder Kegelrollen. Außerdem besitzt ein Wälzlager einen innen- und einen Außenring mit den Wälzkörper-Laufbahnen, den Käfig (eine Halterung mit Taschen für die Wälzkörper), Dichtungen (sie schützen vor Verschmutzung und Schmierstoffaustritt) und den Schmierstoff. Wichtig ist dabei zu wissen, dass die Form der Wälzkörper im Wesentlichen die Eigenschaften, sowie auch den Namen des Lagers (beispielsweise „Kugellager“ oder „Nadellager“) bestimmen.

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Bei modernen Wälzlagern werden die Wälzkörper in der Regel in einem Käfig geführt. Der hält sie in gleichmäßigem Abstand zueinander und verhindert, dass sie sich gegenseitig berühren. Außerdem verhindert er ein Herausfallen der Wälzkörper aus zerlegbaren Lagern.

Die Werkstoffe des Wälzlagers

Laufringe und Wälzkörper sind überwiegend aus durchgehärtetem Chromstahl, daneben wird aber auch Einsatzstahl verwendet. Werkstoffe wie beispielsweise korrosionsbeständige Spezialstähle, Keramik oder Kunststoffe, kommen dagegen häufig in Sonderlagern und extremen Betriebsverhältnissen, zur Anwendung.

Für besondere Betriebsbedingungen gibt es Wälzlager in folgenden Ausführungen: Aus rostfreiem Stahl; Hybridlager (zwei Werkstoffe), bei denen die Lagerringe aus Stahl, die Wälzkörper aus Keramik bestehen; Keramiklager, bei denen sowohl die Lagerringe als auch die Wälzlager aus Siliciumnitrid, Zirconiumoxid oder Siliciumcarbid bestehen; Kunststofflager mit Wälzkörpern aus Glas oder Keramik gegen aggressive Säuren oder Laugen in Chemie- und Lebensmittelindustrie, sowie Lager mit Kunststoff-Käfig für geräuscharmen Lauf.

Für Blechkäfige setzt man heute auf Stahl als Standard-Werkstoff. Massivkäfige sind lieferbar aus Messing, Stahl, Hartgewebe und weiteren Werkstoffen. Käfige aus glasfaserverstärktem Polyamid bieten ein extrem niedriges Gewicht sowie sehr gute Gleit- und Notlaufeigenschaften. Man findet sie beispielsweise als sogenannte Fensterkäfige in einreihigen Schrägkugellagern oder in Nadellagern.

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Die Vorteile von Wälzlagern

Beim Betrieb der Maschine rollen die Körper zwischen dem Innen- und dem Außenring. Dabei werden sie von gehärteten Stahlflächen in der Bahn gehalten. Mit dieser Bauweise bieten sich Vorteile. Hier ist zuallererst die wesentlich geringere Reibung zu nennen. Dadurch entsteht im Betrieb weniger Wärme und der Bedarf an Schmierstoff ist geringer. Weitere Vorteile gegenüber z.B. Gleitlagern:

  • wesentlich geringerer Pflege- und Wartungsaufwand
  • eingeschränkte Wärmeentwicklung
  • weniger Schmierstoff notwendig
  • einfach austauschbar
  • Drehrichtung kann ohne technische Modifikation geändert werden
  • Die Bauarten des Wälzlagers

    Jede Wälzlager-Bauart hat charakteristische Eigenschaften, die sie für bestimmte Einsatzmöglichkeiten besonders geeignet macht. Je nach Art der Wälzkörper unterscheidet man auch die unterschiedlichsten Arten von Wälzlagern. Die Wälzkörperformen reichen dabei von Kugeln, Kugelrollen über Tonnenrollen, Nadeln, Kegelrollen bis zu Zylinderrollen. Hier kurz zusammengefasst:

    • Das Rillenkugellager (DIN 625) nimmt radiale Kräfte auf.
    • Das Schrägkugellager ist für die Aufnahme radialer und axiale Kräfte in einer Richtung geeignet. Derartige Lager arbeiten im Fahrrad-, aber auch im Automobilbau.
    • Das Pendelkugellager (DIN 630) kann sowohl axiale als auch radiale Belastungen aufnehmen.
    • Das Zylinderrollenlager (DIN 5412) hat eine große radiale Tragfähigkeit, allerdings ist es in axialer Richtung nicht bzw. nur sehr niedrig belastbar.
    • Das Kegelrollenlager (DIN 720, ISO 355) ist sowohl in radialer als auch in axialer Richtung sehr hoch belastbar.
    • Das Nadellager (DIN 617) besitzt Nadeln als Wälzkörper und ist nur radial belastbar sowie für kleine Einbauräume geeignet.
    • Das Pendelkugellager (DIN 630) kann man radial sowie axial belasten

    Für besondere Einsatzschwerpunkte werden Sonderlager genau auf den jeweiligen Kundenwunsch zugeschnitten. Beispielhaft wäre hier eine Lagerkombination aus Rollen- und Kugellager für besonders hohe Belastungen.

    Die Auswahl des Wälzlagers

    Wälzlager sind in der Regel genormte Standardkomponenten – und doch sind sie im verbauten Zustand funktionskritische Maschinenelemente. Allgemeingültige Regeln zur Auswahl des richtigen Wälzlagers lassen sich aber nur bedingt aufstellen. Der Konstrukteur sollte unbedingt mehrere Faktoren berücksichtigten. Was dem Entwickler die Arbeit erleichtert ist, das sehr oft mindestens eine der Hauptabmessungen des Wälzlagers – meistens der Bohrungsdurchmesser – durch die Umgebungskonstruktion festgelegt ist. Die Qual der Wahl erleichtern dem Konstrukteur heutzutage auch Computer unterstützte Programme, die Ihn sicher auf dem Weg zur optimalen Lagerauswahl führen.

    Bei der Suche nach dem, für seinen Anwendungsfall, richtigen Wälzlagers sollte der Konstrukteur folgende Faktoren berücksichtigen:

    • Größe und Art der Belastung
    • Lebensdauer/Gebrauchsdauer
    • Einbausituation (vorhandener Bauraum) und Schmierungsart des Lagers
    • Betriebsparameter des Lagers (Drehzahl, Wärmebilanz/Betriebstemperatur)
    • Umgebungsbedingungen (Schmutz, Vibrationen, …)
    • Anforderungen auf Genauigkeit
    • Wartung
    • Anforderungen auf Montage und Demontage

    In vielen Fällen ist es außerdem so, dass das Wälzlager keine einseitige, sondern eine kombinierte Belastung aufnimmt. Deshalb verwendet man hier beispielsweise Axial-Schrägkugellager, Pendelrollenlager, Rillenkugel-, Kegelrollen- und Zylinderrollenlager.

    Bauraum und Lastrichtung alleine aber genügen nicht, um ein Wälzlager für eine bestimmte Anwendung auszuwählen. Geforderte Lebensdauer und Einsatzbedingungen werfen viele Fragen auf, welche die Lagerauswahl entweder bestätigen oder negieren.

    Dazu stellen sich außerdem folgende Fragen, die zu beantworten sind: Wie lange hält das Lager? Übernimmt es die geforderten Drehzahlen? Welche Schmierung benötigt das Wälzlager?

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    Links zur weiteren Information

    Wissen macht Ah! Was ist ein Kugellager und wofür braucht man es? (Video, ARD)

    Videofilm „Wie ein Rillenkugellager entsteht“ (Video, Kommentar in englischer Sprache)

    Kleine Waelzlagerkunde Firma FAG/INA

    Birkenhofer, Herbert & Kümmerle, Timo (2012): Feststoffgeschmierte Wälzlager: Einsatz, Grundlagen und Auslegung. Springer, VDI-Buch, 264 S., ISBN: 978-3642167966

    Dahlke, Hans (2014): Handbuch Wälzlager-Technik: Bauarten, Gestaltung,Betrieb. Vieweg+Teubner Verlag, 596 S., ISBN: 978-3663019732

    Schaeffler Technologies (Hrsg.) (2015): Wälzlagerpraxis: Handbuch zur Gestaltung und Berechnung von Wälzlagerungen. Vereinigte Fachverlage, 1167 S., ISBN: 978-3783004014

    Der Schmierstoff des Wälzlagers

    Damit Wälzlager zuverlässig arbeiten können, ist eine optimale Schmierung und Wartung unerlässlich. Sie soll Maschinenschäden durch Lagerausfälle verhindern bzw. reduzieren und die Gebrauchsdauer der Wälzlager erhöhen. Für jeden Lagerungsfall ist deshalb die Auswahl des geeigneten Schmierstoffs und dessen Schmierverfahrens unumgänglich. Dabei ist die Kenntnis der Drehzahl des Wälzlagers und/oder die auftretende Betriebstemperatur von großer Bedeutung.

    * Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier ist freier Fachjournalist.

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