Schrägkugellager Anlauf, Bild: SKF
| von Achim Schmidt, SKF

Jedes Wälzlager besitzt einen Berührungswinkel, über den die Kräfte innerhalb des Lagers übertragen werden. Der einfachste Fall ist ein Rillenkugellager: Dort beträgt der Berührungswinkel bei rein radialen Lasten 0°. Im Vergleich dazu hat ein Schrägkugellager immer einen Berührungswinkel, der größer als 0° ist. Je größer dieser Berührungswinkel ist, desto höher ist die axiale Tragfähigkeit des Wälzlagers. Im Extremfall liegt ein Berührungswinkel von 90 ° vor; dann handelt es sich um ein reines Axiallager. Schrägkugellager bewegen sich also zwischen reinen Radial- und reinen Axiallagern. Entsprechend gut können sie kombinierte Radial- und Axiallasten aufnehmen.

Kleinerer Berührungswinkel und besserer Käfig

Seit Kurzem bietet SKF im Bereich der einreihigen Schrägkugellager mit Messingkäfig ein erweitertes Sortiment an, das einen kleineren Berührungswinkel als die üblichen 40° aufweist. Durch den geringeren Berührungswinkel sinkt zwar die axiale Tragfähigkeit ein wenig; doch dafür ergeben sich andere Vorteile: Beispielsweise lassen sich damit unter gewissen Voraussetzungen um bis zu 20 % höhere Drehzahlen erreichen als mit einem 40-Grad-Berührungswinkel. Dazu tragen unter anderem die günstigeren kinematischen Verhältnisse im Lager bei, die den Gleitanteil minimieren und dadurch weniger Wärme entwickeln. Außerdem sorgt der kleinere Berührungswinkel für eine höhere radiale Steifigkeit.

„Speziell in Anwendungsfällen mit dominanter Axialkraft aus einer Richtung empfiehlt es sich, einen asymmetrischen Lagersatz in der Konstruktion vorzusehen, um Problemen mit nicht erreichter Mindestlast vorzubeugen und vorzeitige Lagerausfälle zu vermeiden.“

Achim Schmidt, Anwendungsingenieur  im Bereich OEM & Distribution bei SKF GmbH

Anwendungen und Anordnungen

Häufige Einsatzgebiete von Schrägkugellagern sind Pumpen, Kompressoren oder auch Elektromotoren. Derartige, mit den verbesserten SKF Schrägkugellagern ausgestattete Aggregate können deutlich ruhiger laufen und längere Standzeiten erzielen. In solchen Anwendungen werden einreihige Schrägkugellager in aller Regel (mindestens) paarweise verbaut. Denn wenn ein Schrägkugellager rein axial beziehungsweise rein radial belastet wird, entsteht durch seinen Berührungswinkel zwangsläufig auch immer eine entsprechende Radial- beziehungsweise Axialkraft. Axialkräfte können von einem einzelnen Lager aufgrund der Bauform aber nur in einer Richtung aufgenommen werden. Wird es in der entgegengesetzten Richtung belastet, kann es zerstört werden. Da in den meisten Anwendungsfällen Axialkräfte aus beiden Richtungen auftreten, müssen die entgegengesetzten Kräfte also von einem Gegenlager aufgenommen werden. Die einfachste Form eines gepaarten Lagers ist das zweireihige Schrägkugellager mit fixer „O-Anordnung“ (in Anlehnung an die durch die Berührungswinkel-Linien skizzierte Form). Einzelne Universal-Schrägkugellager können aber auch unterschiedlich miteinander kombiniert werden – sowohl in O- als auch in X-Anordnung.

Gepaarte Schrägkugellager

Grafik 1 Lager, Bild: SKF
Vergleich 25°- versus 40°-Berührungswinkel hinsichtlich Drehzahleignung, Steifigkeit und Tragfähigkeit. Bild: SKF

Werden Schrägkugellager paarweise verbaut, gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine definierte Vorspannung beziehungsweise Lagerluft einzustellen. Die gängigste Methode ist die Verwendung von sogenannten universell paarbaren Lagern (vereinfacht auch Universallager genannt). Universallager bieten den Vorteil, dass sie bereits ab Werk so aufeinander abgestimmt sind, dass sich bei einer Montage auf Block eine definierte Vorspannung / Luft einstellt. Der zunächst vorhandene Blockspalt zwischen den Innen- oder Außenringen der Lager wird dabei durch das Klemmen der Lager geschlossen. Damit die exakte Vorspannkraft / Lagerluft erreicht wird, ist eine stark eingeschränkte Toleranz der Rück- und Überstände von nur wenigen Mikrometern erforderlich. Universallager vereinfachen die Montage also erheblich. Die sonst üblichen Montagemethoden sind mit einem deutlich höheren Aufwand verbunden.

So kann die Vorspannung der Lager beispielsweise auch durch Anfertigung spezieller Zwischenringe im Gehäuse oder auf der Welle eingestellt werden. Dazu müssen die Lager allerdings aufwendig vermessen und für jedes Lagerpaar individuell Zwischenringe gefertigt werden. Um den Montageaufwand zu reduzieren, sind die neuen AC-Schrägkugellager mit 25-Grad-Berührungswinkel direkt in universell paarbaren Ausführungen entsprechend der SKF-Explorer-Leistungsklasse erhältlich. Auf Anfrage lassen sich auch unterschiedliche Vorspannungs- und Lagerluftklassen verwirklichen.

Gemischte Lagersätze

Häufig wirkt die Axialkraft bei Schrägkugellagersätzen dominant aus einer Richtung. Das kann zum Beispiel bei Lüftern oder Pumpen der Fall sein, die überwiegend in einer Drehrichtung rotieren. In solchen Anwendungsfällen nimmt ein Schrägkugellager die Axialkraft auf, während das zweite Schrägkugellager, das sogenannte Backup Bearing, entlastet wird. Allerdings benötigen Wälzlager für einen reibungslosen Betrieb immer eine gewisse Mindestlast – und am entlasteten Lager ist die Gefahr groß, dass diese Mindestlast unterschritten wird. Dadurch kann es zu einem gestörten Abrollverhalten der Kugeln (mit Gleitbewegungen im Wälzkontakt) kommen. Das verursacht so genannte Anschmierungen, die zu Temperaturanstieg und vorzeitigem Lagerausfall durch Oberflächenschäden und/oder Käfigbruch führen.

Einfederung und Kraftverteilung

Grafik 2, Bild: SKF
Vorspannung und Einfederung bei Schrägkugellagern. Bild: SKF

Welche Vorteile ein asymmetrischer Lagersatz hinsichtlich der inneren Lastverteilung hat, verdeutlicht ein Beispiel mit einem vorgespannten Lagersatz aus zwei Schrägkugellagern in O-Anordnung, welcher mit einer reinen Axialkraft F beaufschlagt wird (roter Pfeil): Das Lager mit 40-Grad-Berührungswinkel nimmt die Axialkraft auf, wohingegen das Lager mit 25-Grad-Berührungswinkel durch die Axialkraft entlastet wird. Das Koordinatensystem stellt auf der x-Achse die Einfederung und auf der y-Achse die Kraft dar. Die grüne Kurve zeigt das Lager mit 25-Grad-; die blaue Kurve das Lager mit 40-Grad-Berührungswinkel. Position 1 markiert Lastverhältnisse ohne externe Last; Position 2 steht für die Lastverhältnisse mit externer Axialkraft F1… in Höhe der Abhebekraft des 40-Grad-Lagers und Position 3 spiegelt die Lastverhältnisse mit externer Axialkraft F2 in Höhe der Abhebekraft des 25-Grad-Lagers wider.

Zu Position 1: Lastverhältnisse nach der Montage ohne externe Last

Im Schnittpunkt zwischen blauer und grüner Linie (genau auf der y-Achse) wirkt keine externe Kraft. Beide Lager sind hier ausschließlich durch die eingestellte Vorspannung belastet. In diesem Beispiel wird zur Vereinfachung eine Vorspannkraft FVorspannung = 1 angenommen. Zu den Positionen 2 und 3 allgemein; Lastverhältnisse bei Wirken einer externen Axialkraft zusätzlich zur Vorspannung: Wirkt zusätzlich zur Vorspannung eine externe Axialkraft F, muss man sich in diesem Diagramm vom Schnittpunkt in der Mitte nach rechts bewegen. Die Kraft F belastet das 40-Grad-Lager (blau) zusätzlich zur eingestellten Vorspannkraft, die blaue Kurve steigt also an. Gleichzeitig entlastet die Kraft F das 25-Grad-Lager (grün), die grüne Kurve fällt also ab. Sobald die grüne Kurve auf der x-Achse landet, ist die Vorspannung aufgebraucht und das Lager wird entlastet. Dieser Fall muss unbedingt vermieden werden.Die gestrichelte graue Kurve dient zum Vergleich mit einem 40-Grad-Backup-Lager: Sie zeigt also die Einfederung im Falle eines herkömmlichen Lagersatzes mit identischen Berührungswinkeln (40°+40°).

Position 2 im Detail; Kraft F1(40°) und Kraft F1(25°):

Hier wird der Unterschied zwischen einem herkömmlichen Satz (40°+40°) und einem asymmetrischen Satz (40°+25°) besonders deutlich: Die externe Kraft ist in beiden Fällen genau gleich groß (F1(40°) = F1(25°) = 2,8 x FVorspannung); allerdings federn die Lagersätze unterschiedlich ein. Die Kraft F1(40°) ist mit einer gestrichelten Linie dargestellt, die Kraft F1(25°) mit einer durchgezogenen Linie. Beim herkömmlichen Satz mit zwei 40-Grad-Lagern wäre an dieser Stelle schon der Punkt der Abhebekraft erreicht. Das ist daran zu erkennen, dass die gestrichelte graue Kurve, die die Einfederung eines 40-Grad-Backup-Lagers zeigt, die x-Achse schneidet. Hier ist die Vorspannung also komplett aufgebraucht (Schnittpunkt der gestrichelten Linien, gelber Kasten). Dieser Punkt liegt etwa bei dem 2,8-fachen der Vorspannkraft.

Mit dem asymmetrischen Satz hingegen ist bei derselben Kraft noch eine gewisse Restvorspannung im Lager vorhanden: In diesem Fall verläuft die grüne Kurve noch oberhalb der x-Achse (Schnittpunkt der durchgezogenen Linien, gelber Kasten).

Position 3 im Detail; Kraft F2:

Hier ist der Punkt der Abhebekraft für das 25-Grad-Backup-Lager dargestellt. Es fällt auf, dass die Kraft F2 deutlich größer ist als die Kraft F1. Konkret liegt dieser Punkt etwa bei dem 5,2-fachen der Vorspannkraft. Also können mit dem asymmetrischen Lagersatz – im Vergleich zu einem homogenen Lagersatz – nahezu doppelt so hohe Axialkräfte aufgenommen werden, ohne dass das Backup-Lager entlastet wird. Als Backup-Lager ist das 25-Grad-Lager folglich deutlich besser geeignet.

Fazit

Die neue Generation der SKF Schrägkugellager mit 25-Grad-Berührungswinkel stellt eine ideale Backup-Lagerlösung dar. Speziell in Anwendungsfällen mit dominanter Axialkraft aus einer Richtung empfiehlt es sich, einen asymmetrischen Lagersatz in der Konstruktion vorzusehen, um Problemen mit nicht erreichter Mindestlast vorzubeugen und vorzeitige Lagerausfälle zu vermeiden. Darüber hinaus können die Lager mit 25-Grad-Berührungswinkel auch in Anwendungen eingesetzt werden, in denen hohe Drehzahlen und/oder eine erhöhte radiale Steifigkeit gefordert sind. Die Erweiterung des SKF Schrägkugellager-Sortiments um den 25-Grad-Berührungswinkel eröffnet den Konstrukteuren neue Möglichkeiten zur optimalen Lagerung der verschiedensten Anwendungsfälle. aru

 

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