Die Auswahl von Wälzlagerausführungen
Hilfestellung in einem schwierigen Prozess
Die Auswahl eines für den Einsatzzweck passenden Wälzlagers ist eine anspruchsvolle Aufgabe. NKE hilft, die Hürde zu meistern.
Die tägliche, anwendungstechnische Praxis hat gezeigt, dass mit Hilfe der herstellerseitig zur Verfügung gestellten Unterlagen und Tools sowie auf Basis vergleichbarer Anwendungen die kundenseitige Auswahl der korrekten Wälzlagertype erfolgreich durchgeführt werden kann.
Dabei stehen zumeist zwei durchaus komplementäre Faktoren im Vordergrund:
- Die erwünschte Lebensdauer des Wälzlagers in der Anwendung als Ergebnis der Relation zwischen der dynamischen Tragzahl und den auftretenden Kräften, deren Wirkrichtung(en) und der Drehzahl.
- Die Baugröße der Wälzlager im Verhältnis zu dem verfügbaren Bauraum in der Anwendung.
Zusätzlich gibt es allerdings noch weitere, funktionskritische Lagermerkmale, die nicht immer mit der notwendigen Aufmerksamkeit betrachtet werden und in Folge zu Fragen und Problemen in Wälzlagerungen führen können.
Diese sind aus der praktischen Erfahrung u.a.:
- Lagerluft
- Käfig
- Schmierung
- Herstellerseitig angebotene Dichtungsvarianten, insbesondere bei Radialrillenkugellagern
Im Folgenden soll als Hilfestellung für Auslegungen ein Überblick über diese Lagermerkmale bzw. oftmals damit verknüpfte Fragestellungen vermittelt werden.
Die Lagerluft
Als nominelle Lagerluft bezeichnet man das Maß, um welches sich die beiden Ringe eines Lagers im nicht eingebauten Zustand von einer Endlage in die andere verschieben lassen. Bei den meisten Radialwälzlagern wird die radiale Verschiebbarkeit bzw. die radiale Lagerluft angegeben, während bei gepaarten oder zweireihigen Schrägkugellagern und Kegelrollenlagern eine Angabe der axialen Lagerluft erfolgt.
Die Lagerluft wird dabei in Wertebereichen zusammengefasst – den Lagerluftklassen –, die für Standardradiallager durchwegs gem. DIN 620 genormt und an den Nachsetzzeichen C3, C4 etc. kenntlich sind.
Die Lagerluft beeinflusst die Funktions- und Leistungsfähigkeit des Wälzlagers nachhaltig, und mit Ausnahme von speziellen Anwendungen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass ein Wälzlager im Betrieb über eine Betriebslagerluft, das sog. „Betriebsspiel“, verfügen muss.
Diese Betriebslagerluft resultiert primär aus der gewählten Lagerluftklasse des Wälzlagers im Zusammenspiel mit den für die Anwendung erforderlichen Wellen- und Gehäusepassungen, den für Welle und Gehäuse verwendeten Materialien bzw. deren Wärmeausdehnungskoeffizienten und dem Temperaturunterschied zwischen Welle und Gehäuse im Betrieb, inklusive einer eventuellen, zusätzlichen über die Welle eingetragenen Erwärmung. In der Regel führen diese Faktoren zu einer „Einschnürung“ des Lagers, welche die nominelle Lagerluft teils beträchtlich vermindert oder im Worst Case zu einer unbeabsichtigten Vorspannung führt.
Um insbesondere die Gefahr einer unbeabsichtigten Vorspannung vorzeitig zu erkennen, die zu erheblichen Reibungsverlusten, einer zusätzlichen Wärmeentwicklung und in einer nicht unerheblichen Zahl von Fällen zu einem vorzeitigen Lagerausfall führt, empfiehlt es sich immer die Lagerauswahl durch eine Betrachtung der Betriebslagerluft und bei Bedarf der Wahl einer höheren Lagerluftklasse zu ergänzen. Entsprechende Näherungsformeln finden sich dazu in den herstellerseitig zur Verfügung gestellten Unterlagen, bzw. unterstützt die Anwendungstechnik dazu mit einer genauen Betrachtung und Empfehlungen.
Der Käfig
Grundsätzlich liefern Wälzlagerhersteller das jeweilige Wälzlager mit einem Standardkäfig, der in der Summe seiner technischen Merkmale, d.h. primär dem Käfigmaterial und der Führung des Käfigs, eine Verwendung in allen „normalen“ Anwendungsfällen zulässt.
Eine eingehendere Prüfung der Käfigausführung meist in Zusammenarbeit mit dem Wälzlagerhersteller ist u.a. bei folgenden Betriebsbedingungen definitiv angebracht:
- Betriebstemperatur - so wird z.B. bei einer maximalen Betriebstemperatur von 120°C die Einsatzgrenze der PA6.6 Kunststoffkäfige erreicht. Darüber hinaus müssen Metallkäfige oder Käfige aus speziellen Kunststoffen wie PEAK verwendet werden.
- Hohe Beschleunigungen und/oder geringe Lasten – in derartigen Fällen ist abhängig von der Lagerbauform und -größe durchwegs der Einsatz von leichten, d.h. Kunststoff- oder Stahlblechkäfigen bzw. von ringgeführten Käfigen vorzusehen, um ein Verzögern oder Blockieren der Wälzkörper durch das Gewicht des Käfigs und daraus resultierende Schlupfschäden zu verhindern.
- Dieselbe Vorgehensweise zur Käfigauswahl ist auch für Anwendungen angezeigt, welche Stößen, Vibrationen und hohen Fliehkräften z.B. bei Exzenterwellen ausgesetzt sind.
- Schmiersituation – allgemein ist davon auszugehen, dass bei Fettschmierung durchwegs wälzkörpergeführte Käfige zum Einsatz kommen müssen, da bei ringgeführten Käfigen die Ausbildung des notwendigen Schmierfilms im Spalt zwischen Käfig und Ring durch Fett nicht zuverlässig gewährleistet werden kann. Bei meist höherem Aufwand in der Lagerperipherie unterliegen ölgeschmierte Lager keinen derartigen Einschränkungen. Speziell beim Einsatz moderner, vollsynthetischer Öle ist jedoch Vorsicht bei der Verträglichkeit insbesondere mit technischen Kunststoffen und Gummi, d.h. Käfigen, externen Dichtungen usw. geboten.
Die Schmierung
Die Auswahl eines korrekten Schmierstoffs bzw. die Einordnung der Leistungsfähigkeit und Gebrauchsdauer standardmäßig eingesetzter Schmierstoffe z.B. in vorbefetteten und abgedichteten Radialrillenkugellagern stellt, neben der Lagerluft, eines der am häufigsten unterschätzen Themen beim Einsatz von Wälzlagern dar.
Einerseits ist auf die Erzielung der bestmöglichen Schmierwirkung zur Minimierung der Reibung und des metallischen Kontakts unter Berücksichtigung der realistischen Betriebsbedingungen zu achten. Andererseits unterliegt jeder Schmierstoff in Abhängigkeit der Einsatzbedingungen einer Alterung im Betrieb, wobei der Schmierstoff seine Leistungsfähigkeit und Gebrauchsdauer typischerweise vor dem Wälzlager erschöpft. Hier kommt oftmals der Betriebstemperatur eine entscheidende Bedeutung zu.
Insgesamt ist eine Betrachtung des Schmierstoffs in Kooperation mit dem Schmierstoffhersteller und dem Wälzlagerproduzenten in der überwiegenden Zahl an Anwendungen eindeutig anzuraten.
Dichtungsvarianten
Auch hinsichtlich des Einsatzes und der Leistungsfähigkeit der herstellerseitig angebotenen Dichtungsvarianten insbesondere bei Radialrillenkugellagern bestehen Fehleinschätzungen.
So sind berührende Wälzlagerdichtungen grundsätzlich nicht als flüssigkeitsdicht anzusehen. Dies resultiert einerseits aus dem geringen zur Verfügung stehenden Bauraum und andererseits aus dem notwendigen Kompromiss bei der Auslegung berührender Dichtungen zwischen Dichtwirkung und Minimierung unerwünschter Reibung und damit einhergehender Reibungsverluste.
Anwendungsabhängig ist folglich der Einsatz verschiedener Standard-Dichtungsbauformen im Sinne der erforderlichen Schutzwirkung und der resultierenden Reibung immer gegeneinander abzuwiegen und bei Bedarf der Einsatz von Sonderausführungen, z.B. mit integriertem Radialwellendichtring, oder eine Ergänzung durch vorgelagerte Dichtungen in Betracht zu ziehen.
Weiterhin wird häufig der im Bereich des Dichungsspaltes bzw. der Dichtlippe bei lebensdauergeschmierten und gedeckelten oder abgedichteten Wälzlagern entstehende „Fettkragen“ angesprochen. Dieser entsteht als Resultat von Fettverteilungs- und Verdrängungsprozessen im Lager bei Aufnahme des Betriebs, wodurch eine geringe Fettmenge aus dem Lagerinnern nach außen verdrängt wird.
Auch wenn der zumeist sekundäre, optische Eindruck darunter leidet, stellt dieser Fettkragen keinen wie immer gearteten Qualitätsmangel dar, sondern bietet einen zusätzlichen Schutz für das Lager, da Schmutzpartikel bereits außerhalb des Wälzlagers und entfernt von der eigentlichen Dichtung gebunden werden und ein Vordringen in das Lagerinnere zusätzlich verzögert wird. In Anwendungen, bei denen dieser Fettkragen aus praktischen Gründen unerwünscht ist, kann dem durch eine Reduktion der Fettfüllmenge und einem Einlaufprozess entgegengewirkt werden.
Fazit:
Die angesprochenen Punkte stellen naturgemäß nur einen kleinen, aber wichtigen Auszug aus der Vielzahl der Aspekte dar, welche beim Einsatz von Wälzlagern beachtet werden müssen. Es sei dahingehend auch auf die entsprechenden Fachpublikationen wie den Hauptkatalog der NKE Austria GmbH verwiesen. Zusätzlich bietet NKE seinen Kunden mit der Anwendungstechnik ein Kompetenzzentrum zur Hilfestellung bei der Auslegung von Wälzlagerungen und zur Klärung von technischen Detailfragen.
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