Wälzlager, Kugellager und Gehäuseeinheiten

Zur Befestigung von Wellen

Für die Lagerung einer Drehbewegung werden Wälzlager oder Gleitlager verwendet.
Hierbei wird unterschieden wie die auftreffenden Kräfte zwischen den beiden beweglichen Teilen übertragen werden. Bei Übertragung durch rollende Elemente werden die Lager als Wälzlager bezeichnet und bei gleitenden Elementen als Gleitlager.

Wälzlager sind in der Regel immer ähnlich aufgebaut.
Sie unterscheiden sich vor allem durch Anordnung und Form der verwendeten Wälzkörper. So besitzen nahezu alle Wälzlager zwei Lagerringe, einen Innenring und einen Außenring. Zwischen diesen Ringen sind Wälzkörper angeordnet, die in den Laufbahnen abrollen. Die Wälzkörper werden meist von einem Käfig geführt und in einem gleichmäßigen Abstand gehalten.

Wälzlager als Bauteile sind heutzutage eines der häufigsten Maschinenelemente.
Im Volksmund sind Wälzlager als Kugellager bekannt. Kugellager sind jedoch eine Untergruppe der Wälzlager. Das Wälzlager bezeichnet entsprechend den Wälzkörper. Im Fall des Kugellagers sind die Wälzkörper Kugeln. Für Wälzlager gibt es verschiedene Untergruppen.

Die Form des Wälzlagers kann des Weiteren aus Kugeln, Zylinder, Nadeln, Tonnen oder Kegel bestehen.
Gleichgültig in welcher Form Sie ein Wälzlager verwenden, es erleichtert fast jede Bewegung und verringert Reibung, die im Zusammenhang mit einer Rollbewegung steht.

Ein Wälzlager hat zwei wesentliche Funktionen:

• Zum einen überträgt das Wälzlager durch Stützen und Führen der Bauteile Bewegung, die sich verhältnismäßig zueinander drehen.
• Zum anderen leitet das Wälzlager Kräfte weiter.

Bei den Lagern sind folgende Typen zu unterscheiden:

Entscheidend für die Auswahl eines Wälzlagers sind viele Faktoren.
Nur wenn alle diese Faktoren berücksichtigt werden, kann für den Anwendungsfall am besten geeignete Lager gewählt werden.
Die Lagerauswahl kann aber anhand bestimmter Faktoren relativ schnell stark eingegrenzt werden.

Anhand der Belastungsrichtung wird zwischen Radial- und Axiallagern unterschieden.
Hierbei entscheidet die überwiegende Belastungsrichtung. Viele Wälzlager nehmen auch kombinierte Belastungen auf. Dabei entscheidet man anhand des Druckwinkels α (zwischen Radialebene und der Drucklinie):

• Radiallager mit α = 0° bis 45°
• Axiallager mit α = 45° bis 90°

Oftmals sind Wellendurchmesser und/oder Außendurchmesser des Lagers entscheidend.
Sie grenzen die möglichen Lagervariationen bereits stark ein. Daher macht es in einem bestehenden Antrieb immer Sinn zuerst nach diesen Angaben zu filtern und einen Großteil der möglichen Wälzlager bereits auszuschließen.

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die geeignete Lagertypen anhand der Belastung.
Diese Einstufung ist sehr allgemein gehalten und soll nur zur Orientierung dienen. Die genaue Wahl des richtigen Lagers hängt von den genauen Kräften, Drehzahlen und anderen Einflussfaktoren ab.

Die genaue Auswahl des Lagers ist wichtig

Als Ersatzteil kann die genaue Wahl des korrekten Lagers meist anhand der Bezeichnung oder der Abmessungen genau bestimmt werden. Andernfalls ist eine Berechnung unter Angabe der genauen Einflussfaktoren notwendig.

Je nach Bauform haben Wälzlager die Funktion, Kräfte in radialer und bzw. oder axialer Richtung zu übertragen.
Unterschieden wird die Übertragung nach der Belastungsrichtung. Der Druckwinkel α wird zur Einordnung dieser beiden Kategorien zu Hilfe genommen.

Der Winkel zwischen Radialebene und Drucklinie ist der Druckwinkel.
Wälzkörper und deren Rollbahnen wirken sich auf die Lage der Drucklinie aus, sodass darauf unbedingt geachtet werden muss.

Ob ein Wälzlager eher radiale und/oder axiale Eigenschaften hat, hängt von verschiedenen Faktoren ab

Die Einteilung findet nach der Belastungsrichtung und möglicher Aufnahme von Achsfehlstellung statt. Insofern gibt es mehrere Möglichkeiten:

Egal, ob nun ein Wälzlager radial und/oder axial verwendet wird; es dient in seiner Funktion immer der Fixierung von Achsen und Wellen.
Zudem ermöglicht es die Rotation der Welle oder diverser anderer Bauteile, die auf der Achse gelagert sind. Die Kombination der Belastungen kann erfolgen und ist in vielen Anwendungen ohnehin üblich.

Die Ausführungen von Wälzlagern sind allein aufgrund der oben beschriebenen Verwendungsoptionen vielfältig.
Entsprechend können Wälzlagerbauformen als Kugellager und als Rollenlager ausgeführt werden. Die Wahl, welche Bauform und welche Wälzlager Sie einbauen oder benötigen, hängt von der Art und Weise Ihrer Anwendung ab.

Der Innen- und Außenring bestehen in üblicher Produktionsweise aus einem chromlegierten Stahl.
Dieser soll besonders hart sein und ist je nach Qualität leicht rostend. Verwendet werden oft die Stahlsorte 100Cr6 (Werkstoff-Nr. 1.3505). In diesem Stahl ist ein prozentualer Gehalt von etwa 1 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom.

Stahl gewährleistet zum einen die erforderliche Härte.
Und zum anderen die Voraussetzungen für eine gute und hohe Tragfähigkeit sowie lange Lebensdauer. Des Weiteren ist Stahl ein hygienischer Werkstoff und garantiert Reinheit für diverse Anwendungsfelder.
Sollte die Anwendungen des Wälzlagers in korrosiver Umgebung erfolgen, werden die hochlegierten Stähle X65Cr13 (Werkstoff-Nr. 1.4037) und X30CrMoN15-1 (Werkstoff-Nr. 1.4108) verwendet.

Reichen übliche bzw. standardisierte Materialien nicht aus, verwendet man Spezialwerkstoffe, z.B. Keramik und Kunststoffe.
Die Verwendung anderer Materialien wie z.B. Kunststoffe, haben selbstverständlich Einfluss auf die Wälzlagereigenschaft. Zu nennen sind hier u.a. Temperaturbeständigkeit.

Die Wälzkörper verleihen dem Wälzlager seine besondere Eigenschaft

Sie wälzen auf den Ringen bzw. Scheiben ab. In Bewegung oder Ruhezustand werden diese vom Käfig auf Abstand gehalten bzw. geführt.

Als Wälzkörper werden, wie erwähnt, allgemein Kugeln, Rollen, Kegel, Tonnen oder Nadeln verwendet.
Ihre Beschaffenheit ist ebenfalls aus einem hochreinen chromlegierten Sonderstahl. Auch die Wälzkörper können aus Spezialwerkstoffe bestehen. Dies hängt vom Gebrauch und Bedarf ab.

Damit die Wälzkörper auf Abstand gehalten werden, werden sie durch einen Käfig gehalten und geführt.
Das Material des Käfigs wird überwiegend aus Stahl, Messing und Kunststoff gefertigt. Auch hier gibt es Sonderanfertigung.

Wie und unter welchen Bedingungen bauen Sie ein Wälzlager ein?

Und was sind wichtige Kriterien bei der Auswahl des Wälzlagers? Beim Einbau unterscheiden Sie zuerst, ob es sich bei der Lagerung um ein Festlager oder ein Loslager handelt. D.h., wird der Außenring oder der Innenring des Wälzlagers mit dem Gehäuse oder mit der Welle fest verbunden.

Bei der einfachsten Art des Einbaus werden beide Ringe ein- bzw. aufgepresst.
Wichtig ist, dazu müssen das Gehäuse und die Welle bestimmte Maßtoleranzen aufweisen.

Im Grunde können Sie davon ausgehen:
Die Umfanglast des rotierenden Ringes wird in einem Festsitz – innen oder außen – und die Punktlast des stehenden Rings wird in einem Lossitz – Spielpassung bis Übergangspassung – ausgeführt.

Beide Ringe sitzen fest, wenn Stöße auf das Lager wirken.
Hierbei sollte unbedingt ein Kompromiss zwischen einer leichten Demontierbarkeit und Portierbarkeit erfolgen. Eine Lösung, dass sich der Ring nicht mit dreht, sollte gefunden werden.

Ein Wälzlager kann auch auf eine Welle aufgeschrumpft werden

Hierzu ist auf die Stahlgefügeveränderung der Herstellerangaben zu achten (max. ca. 125 °C). Bei diesem Verfahren wird das Wälzlager erhitzt. Dadurch dehnt es sich im Gesamten aus.

Das erhitzte Lager schieben Sie in diesem Zustand zügig über die kalte Welle.
Kühlt das Lager ab, dann zieht es sich wieder zusammen. So sitzt es sehr fest auf der Welle. Wie erwähnt, es muss bei der Erwärmung auf die Temperaturgrenzen geachtet werden.

Bei diversen Sonderfällen bewährten sich Klebeverbindungen.
Wie u. a. bei Präzisionslagerungen von Wälzlagern. Bei Klebeverbindungen ist besonders auf die Temperaturgrenze zu achten.

Die Temperaturgrenzen liegen zwischen ca. -20 °C und +100 °C.
Wird nicht auf eine anwendungsgerechte Klebstoffdosierung geachtet, kann der Klebstoff z.B. in die Lager gelangen. Die Folge ist, dass sich dieses festsetzt.

Lebensdauer – Die Wälzlagerlebensdauer ist von vielen Faktoren abhängig.
Verschiedene Einflussfaktoren sind messbar und berechenbar. Hierzu zählen die Lagerbelastung und Oberflächengüte der Komponenten.

Weiter diverse Einflussfaktoren sind nicht tabellarisch oder zahlenmäßig zu bestimmen.
Hier ist z.B. die Verschmutzung oder der Schmierzustand zu nennen. Selbstverständlich sind diese Dinge wiederum von der Verwendung, der Laufzeit und dem Einsatzort abhängig.

Die Bezeichnungen eines Wälzlagers bestehen aus Kombinationen

Diese gliedern sich in Buchstaben und Zahlen. Buchstaben und Zahlen ordnen sich nach einem logischen und nachzuvollziehenden DIN 623 Prinzip. Durch die Normierung ist ein Wälzlager im Einsatz herstellerunabhängig.