3. Wälzlager Flashcards
Vorteile von Wälzlagern gegenüber (hydrodynamischen) Gleitlagern
- leichte Auswahl und Montage durch genormte Einheiten
- hohe Genauigkeiten
- Spielfreiheit möglich (vorgespannte WL)
- Einfache Schmierstoffversorgung (zu 90% Fettschmierung)
- geringe Schmierstoffmengen
- Auch für Mischreibung geeignet
- höherer Wirkungsgrad
- geringe (Anlauf-)Reibung
- geringe Wärmeentwicklung bei gleicher Belastung
Nachteile von Wälzlagern gegenüber Gleitlagern
- Lebensdauer durch Ermüdung in der Regel begrenzt
- wenig dämpfende Eigenschaften (Wälzlager als Schwingungserreger und Ueberträger)
- begrenzte Drehzahlen (Fliehkrafteinfluss auf Wälzkörper, Käfige)
Rillenkugellager
- Aufgrund der hohen Schmiegung in den Wälzkontakten ergibt sich trotz Punktkontakt eine gute axiale und radiale Tragfähigkeit
- gut geeignet für hohe Drehzahlen
- Axialkraftübertragung in beiden Richtungen
Schrägkugellager/Spindellager
- Kraftübertragung erfolgt unter einem best. Druckwinkel (alpha = 15°, 25°, 40°)
- -> hohe axiale Tragfähigkeit
- Axialkraftübertragung nur in eine Richtung (einreihige Bauform)
- Soll das Lager eine Radialkraft übertragen ist ein minimales Verhältnis von Fr/Fax einzuhalten
- Durch den verschiedenartigen paarweisen Einbau sind je nach Anordnung Spielfreiheit, hohe axiale Tragfähigkeit, grosse Stützweiten und Axialkraftübertragung in beiden Richtungen möglich
Vierpunktlager
- sonderbauform des Schrägkugellagers
- in axialer Richtung platzsparender als zweireihiges Schrägkugellager
- Axialkraftübertragung in beide Richtungen
- vernachlässigbar geringe radiale Belastung zulässig
- Innenring ist geteilt ausgeführt
- durch geteilten Innenring viele Kugeln im Lager
- -> hohe axiale Tragfähigkeit
Pendelkugellager
- Bei axialer Belastung trägt nur eine Seite
- Durch die grosse Kugelanzahl hohe radiale Tragfähigkeit
- Einsatz vorwiegend bei hohen Wellenbiegungen z.B. in Landmaschinen, Fördereinrichtungen, Holzbearbeitungsmaschinen, Ventilatoren
Zylinderrollenlager
- Hohe radiale Tragfähigkeit aufgrund des Linienkontaktes
- sehr reibungsarmes Lager, da (bei Lastfreiheit) reines Rollen ohne Gleitanteile
- Zerlegbar (einfach (De)Montage
- Bauarten N, NU häufig als Loslager
- Bauarten NUP, NJ ermögliche auf Grund der Borde geringe Axialkraftübertragung
Nadellager
- nur radial belastbares sehr kompaktes Zylinderrollenlager
- empfindlich gegen Wellendurchbiegung
- häufiger Einsatz in Kompressoren, Planetengetrieben, Gelenkwellen, PKW-Getriebe
- noch kompakterer Bauraum durch den Einsatz von Nadelhülsen. Die Laufflächen von Wellen (Naben) müssen dann gehärtet sein!
Kegelrollenlager
- sehr hohe radiale und axiale Tragfähigkeit (Druckwinkel 10°, 20°, 28°)
- Zerlegbar –> einfacher Aus- und Einbau
- Berührlinien schneiden sich in einem Punkt
- Einbau nur in einer angestellten Stütz-Traglagerung oder paarweise (Zweireihig)
- falls Radialkraft übertragen: minimales Verhältnis von Fr/Fax einhalten (Vorspannung)
Tonnenlager
- hohlkugelige Aussenringlaufbahn ermöglicht die Pendelbewegung
- Unempfindlich gegen Wellenschiefstellung und Fluchtfehler
- Geringe axiale Tragfähigkeit
- in neuer Ausführung als Toroidal-Lager ohne axiale Tragfähigkeit
Pendelrollenlager
- Hohlkugelige Aussenringlaufbahn ermöglicht die Pendelbewegung
- Aufnahme von Radial- und Axialkräften
- für hohe Belastungen
- Schwenkwinkel bis zu 2° möglich
- Auch geteilte Bauform erhältlich für schnellen Lagerwechsel
- Hauptsächlich eingesetzt in Kurbelwellen, Schiffslaufwellen, schweren Lauf-und Stützrollen (bei Gefahr von Wellenbiegung)
Axial-Rillenkugellager
- nur für Aufnahme von Axiallasten
- Um die Selbstzentrierung der Kugeln in den Laufbahnen zu ermöglichen, darf nur eine Scheibe zentriert werden
- schlechte Abrollverhältnisse bei hohen Drehzahlen und geringe Belastung (Fliehkraft)
Axial-Zylinderrollenlager
Da reines Rollen nur in der Mitte der Laufbahn gewährleistet ist und an den Rollenenden ungünstige Bohrreibung entsteht, werden die Rollen möglichst kurz gehalten
- sehr geringe Drehzahlgrenze auf Grund der hohen Gleitanteile
- Anwendung bei extrem hohen Axiallasten
Axial-Pendelrollenlager
- Tonnenrollen stützen sich am hohen Bord des Innenrings ab (ungünstige Bohrreibung)
- hohlkugelige Aussenringlaufbahn
- Einsatz in Drucklager (Aufnahme des Propellerschubs) im Schiffsbau
Wälzlagertoleranzen
- abhängig vom Nennbereich der Bohrung
- umfassen Mass-,Form- und Laufgenauigkeit
- Normaltoleranz: P0 (0 bis 20 Mykrometer)
- Sehr genaue Wellenführungen und hohe Drehzahlen : P6, P5, P4 (0 bis 8 Mykrometer)
- für noch höhere Anforderungen: SP und UP4
Lagerluft
Mass, um das sich ein Lagerring in radialer Richtung von einer Endlage in die andere Endlage ohne messbare Belastung verschieben lässt.
- nimmt durch Passungsübermass und Lagererwärmung ab
- normale Luft: CN (15 bis 41 Mykrometer)
- kleinere Luft als normal: C1, C2
- grössere Luft als normal: C3, C4, C5
- um absolute Spielfreiheit zu erreichen, müssen allerdings Passungen so gewählt werden, dass das Lager radial vorgespannt ist.
Hertz’sche Pressung
Höchste Spannung, die in der Mitte der Berührfläche herrscht
Vorraussetzungen für Hertz’sche Theorie
- zwei Halbräume
- Werkstoffe sind homogen und isotrop
- Druckfläche ist eben und ihre Halbachsen a und b sind im Verhältnis zu den Krümmungsradien klein
- in der Druckfläche werden nur Normalspannungen übertragen
- Die Proportionalitätsgrenze des Werkstoffs darf nicht überschritten werden
Im Kontakt zweier beliebig gekrümmter Körper entstehen durch Belastung: (Hertz’sche Theorie)
- Spannungen
- Elastische Verformungen
- Abplattungen
Wälzlagerelastizität - Vorteil von zweireihigen Lagern
- höhere Steifigkeiten
- höhere Laufgenauigkeiten
Unwerwünschte Eigenschaft der radialen Federung bezüglich der Wälzlagerelastizität
Das Wälzlager erzeigt Schwingungen
Werkstoffe für Ringe und Wälzkörper
gefordert: Optimum an hoher statischer und dynamischer Festigkeit bei gleichzeitig hoher Duktikiltät, hohe Reinheit
Die Tragfähigkeitsgrenze eines Wälzlagers kann erreicht werden durch:
- plastische Verformung im statischen Fall
- Ermüdung (Pittings)
- Drehzahlgrenzen (Schmierungsprobleme, Fliehkräfte)
statische Beanspruchung
Als maximale Last für ein nicht drehendes (oder langsam drehendes) Lager wird die Beanspruchung verstanden, bei der sich im höchst belasteten Wälzkontakt eine Gesamtverformung von 0,01% des Rollenkörperdurchmessers ergibt.”
Definition der dynamischen Tragzahl
Die dynamische Tragzahl C eines Lagers ist die Last, bei der statisch gesehen 90% einer Reihe untersuchter Lager mehr als 10e6 Umdrehungen ausführen, ohne Anzeichen einer Werkstoffermüdung zu zeigen.
Beiwert a(iso): Einflüsse
- Werkstoff
- Schmierung
- Umgebung
- Verunreinigung durch feste Partikel
- Innere Spannungen in den Ringen
- Einbau (Schädigung bei Montage, Versatz)¨
- Lagerbelastung
Ursachen für erhöhten Lagerverschleiss
- Mischreibung
- Verschmutzung der Lager
- Korrosion
- überhöhte Betriebstemperatur
- ungeeignete Schmierstoffe
- Fluchtungsfehler zwischen den Wellen und Gehäuse
Folgen von Lagerverschleiss
- Vergrösserung des Lagerspiels
- Führungsungenauigkeiten
- Unwuchten
- ungleichmässige Lastverteilung
- Geräusche
- lokale Pressungsüberhöhungen/Ermüdung
tatsächliche Gebrauchsdauer = Ermüdungsdauer, nur wenn gilt:
- Der angenommene Schmierzustand in laufzeitkonstant
- Die angesetzten Kräfte und Drehzahlen entsprechen den wirklichen Betriebsverhältnissen
- Bei der Bestimmung der Betriebsviskosität wurde die Betriebstemperatur richtig gewählt
- Für die gesamte Betriebszeit ist eine Verschmutzung des Lagers ausgeschlossen
- Die durch den Verschleiss begrenzte Gebrauchsdauer ist nicht kürzer als die Ermüdungslaufzeit
Wovon sind Grenzdrehzahlen abhängig?
- Lagerbauart
- Lagergrösse
- Art des Käfigs
- Lagerspiel
- Genauigkeit der Lagerteile
- Lagerlast
- Schmierung
Normale Grenzdrehzahl lässt sich auch mit Fettschmierung erreichen. Die maximale erfordert optimale Bedingungen und Oeleinspritzung
Rollreibung
einsteht infolge von Oberflächenreibung und Werkstoffhysteresen bei Verformung der Kontaktfläche unter Last
Gleitreibung
tritt auf bei relativ zueinander bewegten Oberflächen
Schmierstoffreibung
umfasst die innere Reibung des Schmierstoffs, Plansch- und Walkbarkeit bei hohen Drehzahlen und die Verdrängungsarbeit bei Schmierstoffüberschuss
Aufgaben des Schmierstoffs im Wälzlager
- Reibung und Verschleiss vermindern
- vor Korrosion schützen
- Zutritt von Fremdstoffen verhindern
- Erforderlich für verschleissfreien Betrieb: vollständige Oberflächentrennung durch Schmierfilm
Theorien zur Berechnung der Schmierfilmauslegung
- hydrodynamische Theorie (HD)
- Elastohydronamische Theorie (EHD)
Fettschmierung
- Fett= Grundöl + (Additive) + Verdicker
- geringer Konstruktiver Aufwand
- ca. 90% aller Wälzlager sind fettgeschmiert
- Einfüllmenge darf nicht zu gross sein, da sonst Walkbarkeit zu hoch
Oelschmierung
- bei Tauchschmierung nur die unteren Wälzkörper zur Hälfte eintauchen
- bei Spritzschmierung wird das Oel über Düsen aufgebracht
- bei Oelnebenschmierung mittels Druckluft
Feststoffschmierung
- wenn Fett oder Oelschmierung nicht mehr möglich ist (Vakuum, T>300°C, radioaktive Strahlung, hohe Sauberkeitsanforderungen)
- Festschmierstoffe: Graphit, Gleitlacke, PTFE, Molybdänsulfit
- endliche Lebensdauer und Fett- oder Oelschmierung unterlegen
Lageranordnungen
- Fest-Los-Lagerung
- Angestellte (Stütz-Trag-)Lagerung
- Schwimmende (Stütz-Trag-)Lagerung
Fest-Los-Lagerung Merkmale
- Unempfindlich bei unterschiedlicher Längenausdehnung von Welle und Gehäuse
- Festlager axial am Innen- und Aussenring fixiert
- Loslager axial am Innen- oder Aussenring fixiert
- entfällt bei Zylinderrollenlager NU und NUP
Angestellte Lagerung Merkmale
- Spieleinstellung oder Vorspannung der Lager
- wird entsprechend den Betriebsbedingungen angepasst
- X- oder O- Anordnung möglich
Auswahl der Anordnung bei angestellter Lagerung
- Bei X-Anordnung loser Sitz am Aussenring
- Bei O-Anordnung loser Sitz an der Welle erforderlich
- O-Anordnung bietet eine grössere Stützweite
schwimmende Lagerung Merkmale
- relativ grosses Axialspiel (mehrere zehntel Millimeter)
- keine axiale Fixierung der Welle über die Lagerung
- Günstig
- Fertigungstoleranzen können ausgeglichen werden
- Unempfindlich bei Temperaturdifferenzen
- Vermeidung von Doppelpassungen bei axialer Fixierung über Doppelschrägverzahnung
- keine Kegelrollen- und Schrägkugellager möglich
Wann ist immer ein fester Sitz eines Lagerringes erforderlich?
Bei Umfangslast. Bei Punktlast ist ein loser Sitz möglich.
Von welchen Werten ist a(iso) abhängig?
- ec: Verunreinigungsbeiwert
- Cu: Ermüdungsgrenzbelastung
- P: dynamisch äquivalente Lagerlast
- K (Kappa) = v/v1
v: Betriebsviskosität,
v1: Bezugsviskosität
Wenn K>4, dann setze K=4
