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Wälzlager sind Lager, bei denen zwischen einem sogenannten Innenring und einem Außenring, im Gegensatz zu der Schmierung in Gleitlagern, rollende Körper den Reibungswiderstand verringern. Sie dienen als Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile (z. B. ein Rad) ermöglichen. Zwischen den drei Hauptkomponenten Innenring, Außenring und den Wälzkörpern tritt hauptsächlich Rollreibung auf. Da die Wälzkörper im Innen- und Außenring auf gehärteten Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen, ist die Rollreibung dieser Lager relativ gering.
Wälzkörper und Wälzkörperkäfig
Die umgangssprachlich bekannten Kugellager sind eine Untergruppe der Wälzlager, bei denen Kugeln als Wälzkörper dienen.
Bei modernen Wälzlagern werden die Wälzkörper (Kugeln, Zylinder, Nadeln, Tonnen oder Kegel) durch einen Käfig in gleichem Abstand gehalten. Ältere Wälzlagertypen und Sonderausführungen kommen ohne Käfig aus. Vor allem Wälzlager in Steuerungssystemen von Flugzeugen haben keinen Käfig. Dadurch können mehr Wälzkörper pro Lager eingesetzt werden, was die Belastbarkeit deutlich erhöht. Jedoch eignen sie sich nur bedingt für höhere Drehzahlen.
Käfigwerkstoff war früher wegen der erhöhten Laufruhe Messing. Heute wird der Käfig aus Kosten- und Gewichtsgründen oft aus (meist glasfaserverstärktem) Kunststoff (Polyamid) gefertigt. Bei vielen Wälzlagertypen wird ein Käfig aus niederlegiertem ungehärteten Stahl verwendet. Messingkäfige gibt es weiterhin; insbesondere für größere Lager, bei denen sich die Werkzeugkosten für Kunststoff- oder Stahlblechkäfig nicht lohnen.
Lagerwerkstoffe
Üblicherweise werden Wälzlager aus Chromstahl gefertigt, sehr hart, aber leicht rostend, in der Stahlsorte 100Cr6 (Werkstoff-Nr. 1.3505), ein Stahl mit einem Gehalt von ca. 1 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom. Weitere Stähle sind zum Beispiel 100CrMnSi6-4 und 100CrMo7, die Legierungselemente Mangan (Mn) und Molybdän (Mo) dienen der besseren Durchhärtbarkeit.
Für Anwendungen in korrosiver Umgebung werden auch die hochlegierten Stähle X65Cr13 (Werkstoff-Nr. 1.4037) und X30CrMoN15-1 (Werkstoff-Nr. 1.4108) verwendet. Letzterer kann, zumindest für einige Tage, auch im menschlichen Organismus zum Einsatz kommen. Härtbare Stähle sind nie vollkommen „rostfrei“, sondern nur für einen gewissen Zeitraum erhöht korrosionsbeständig.
Für besondere Betriebsbedingungen gibt es folgende Wälzlager in folgenden Ausführungen:
• Aus rostfreiem Stahl (zum Beispiel Kugellager S6204 oder W6204)
• Hybridlager (zwei Werkstoffe), bei denen die Lagerringe aus Stahl, die Wälzkörper aus Keramik (Siliciumnitrid oder Zirkondioxid) bestehen, zum Beispiel bei Spindellagern für Werkzeugmaschinen
• Keramiklager, bei denen sowohl die Lagerringe als auch die Wälzkörper aus Siliciumnitrid, Zirconiumoxid oder Siliciumcarbid bestehen
• Kunststofflager mit Wälzkörpern aus Glas oder Keramik gegen aggressive Säuren oder Laugen in Chemie- und Lebensmittelindustrie
• Lager mit Kunststoff-Käfig (zum Beispiel Kugellager 6205 TN9.C3) für geräuscharmen Lauf
• Lager mit einer stromisolierenden Beschichtung des Außen- bzw. Innenringes, um einen ungewollten Stromdurchgang durch das Lager und damit die Entstehung von Schäden durch Elektroerosion zu verhindern, zum Beispiel bei Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Drehstrommotoren
Einbau von Wälzlagern
Üblicherweise werden Wälzlager auf Wellen oder Achsen montiert.
Bei Sonderbauformen (unter Verzicht auf einen getrennten Innen- und Außenring) können die geschliffenen bzw. gerollten und gehärteten Laufflächen direkt auf die Welle bzw. Achse und/oder in das Lagergehäuse eingepresst und das Wälzlager somit in diese Komponenten integriert werden. Diese Variante wird hauptsächlich aus Platzgründen gewählt. Daher sind vor allem Nadelrollen für diese Aufgabe prädestiniert.
Die Lager werden oft mit einem Sicherungsring, einer Sicherungsmutter oder einer Abstandshülse gegen Verrutschen gesichert. Zum Schutz vor Verschmutzungen werden Lager in ein Lagergehäuse eingebaut oder mit einem Wellendichtring abgedeckt.
Beim Einbau der Lager darf die Einpresskraft nie über den Wälzkörpersatz geleitet werden, das Lager würde dadurch sofort beschädigt. Mit Spezialwerkzeugen wie einer Einschlaghülse wird das Lager zum Beispiel nur über den Außenring eingetrieben. Nadellager müssen mit einem Dorn eingepresst werden.
Bei großen Lagern sind auch die Einpresskräfte größer, weshalb sie vor der Montage in einem Ölbad oder durch ein elektrisches Heizgerät auf 80–100 °C erwärmt werden. Die Ringe dehnen sich minimal aus und lassen sich so leichter auf die Welle oder Achse drücken.
Beim Ausbau der Lager ist darauf zu achten das passende Werkzeug zu verwenden, zum Beispiel einen Abzieher.
Defekte Lager erkennt man durch Schwergängigkeit beim langsamen Durchdrehen per Hand, fühlbares Lagerspiel sowie Laufgeräusche und Vibration unter Betriebsdrehzahl. Ungeschmierte Lager fallen sofort aus.
Lebensdauer von Wälzlagern[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Die Lagerlebensdauer hängt von zahlreichen Faktoren ab. Einige Einflussgrößen sind mess- oder berechenbar (wie etwa Lagerbelastung oder Oberflächengüte der Komponenten). Andere können nicht numerisch bestimmt werden (Verschmutzung oder genauer Schmierzustand). Einfache Berechnungstools gibt es auf den Websites der Hersteller (siehe Weblinks).
Die von Wälzlagern geforderten Lebensdauern reichen von wenigen hundert Stunden, zum Beispiel für Haushaltsgeräte oder medizinisch-technische Geräte, bis zu ca. 100.000 Stunden für Lauflager von Hochseeschiffen, Grubenpumpen und -gebläse und Papiermaschinen. In Umdrehungen ausgedrückt, können Lager je nach Belastung 3 Mrd. Umdrehungen und mehr überstehen. SKF gibt zum Beispiel für einige Lager eine Lebensdauer von 2 Mrd. Umdrehungen an, was jedoch oft weit überschritten wird.
Ob ein Lager seine Lebensdauer erreicht, hängt stark von den Einsatzbedingungen ab. Hohe Lagerbelastungen sollten ebenso möglichst vermieden werden wie schmutzige Einsatzbedingungen, hohe Betriebstemperaturen oder Eindringen von Wasser ins Lager. Speziell um das Eindringen von Schmutz und Wasser zu erschweren, gibt es viele Lager auch in gekapselter Ausführung.
Bei Wälzlagern ist auch einmalige Schmierung vom Hersteller über eine angegebene Lebensdauer üblich.
Bei Wälzlagern sind stoßförmige Belastungsänderungen, wie sie z. B. in Radlagern beim Pkw auftreten können, möglichst zu vermeiden, da diese Kräfte zu einer kurzzeitigen Überlastung des Lagers führen können und damit die Lagerqualität sowie die Lebensdauer erheblich beeinflussen.
Steifigkeit und Dämpfungsverhalten von Wälzlagern
Zur Bestimmung der statischen Steifigkeit von Wälzlagern stehen auf Basis der Hertzschen Theorie relativ genaue und experimentell gut abgesicherte Berechnungsmethoden zur Verfügung, siehe z.B. die Ausführungen im Buch "Rolling Bearing Analysis" von Tedric A. Harris (4th ed., 2000, Wiley-Interscience. ISBN 0-471-35457-0).
Es existieren aus jüngeren wissenschaftlichen Untersuchungen aber auch experimentell verifizierte Rechenmodelle zur Beschreibung der dynamischen Wälzlagereigenschaften, inklusive der Lagerdämpfungseigenschafte, siehe z.B. die umfangreiche Literaturübersicht in der Arbeit "Damping and Stiffness Characteristics of Rolling Element Bearings" (Paul Dietl, Dissertation TU Wien, 1997).
Ausgangspunkt der mathematischen Modelle ist zumeist ein linearisiertes Feder-Dämpfermodell des elasto-hydrodynamischen EHD-Wälzkontaktes. Mittels eines Computerprogramms zur Lösung des instationären EHD-Kontaktproblems können dann auf numerischem Wege äquivalente Dämpfungskoeffzienten für den hochbelasteten Schmierfilm im Wälzkontakt ermittelt werden. Aus den numerischen Ergebnissen wurde in der oben genannten Arbeit von Dietl ein empirisches Näherungsgesetz zur Abschätzung der Ölfilmdämpfung im Wälzkontakt abgeleitet.
Die in den Wälzkontakten wirksame Material- und Trockenreibungsdämpfung kann durch einen in der Theorie der Materialdämpfung häufig verwendeten Verlustfaktor beschrieben werden, der nach Messungen in der oben genannten Arbeit von Dietl in etwa 1 bis 2 % beträgt, je nachdem, wie groß der Einfluss der Fügestelle zwischen Aussenring und Gehäuse ausfällt.
Anwendungen
Wälzlager werden bevorzugt in Anwendungsgebieten verwendet, wo Lagerungen bei kleinen Drehzahlen und hohen Lasten reibungsarm arbeiten sollen und wo sich Drehzahlen häufig ändern.
Vorteile von Wälzlagern gegenüber Gleitlagern:
• geringe Reibung, daher geringe Wärmeentwicklung
• kein Stick-Slip-Effekt (Anlaufmoment kaum größer als das Betriebsmoment)
• geringer Schmierstoffbedarf
• kaum Pflege und Wartung notwendig
• gute Normung und Bemessungsgrundlagen, daher gut austauschbar
• Drehrichtungsänderung ohne konstruktive Modifikation möglich
Nachteile von Wälzlagern gegenüber Gleitlagern:
• bei Stillstand und geringer Drehzahl empfindlich gegen Stöße und Erschütterungen
• begrenzte Höchstdrehzahl und Lebensdauer
• Verschmutzungsempfindlichkeit
• aufwendige Bauweise
• höhere Geräuschentwicklung
Quelle: Wikipedia
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