Vierpunktlager QJ von SKF, Bild: SKF

Die Vierpunktlager der Reihe QJ von SKF – eine spezielle Art von Schrägkugellagern - gibt es in zwei verschiedenen Ausführungen: mit Messingkäfig oder mit PEEK-Käfig (Polyetheretherketon). Bild: SKF

Vierpunktlager können zwar nur in einem bestimmten Maß Radialbelastungen aufnehmen, aber dafür Axialbelastungen in beiden Richtungen. Außerdem ermöglichen sie eine sehr enge axiale Positionstoleranz der Welle. Darüber hinaus sind diese Lager platzsparend: Man kann sie als Kombination aus zwei einreihigen Schrägkugellagern in Form eines einzigen Lagers betrachten. Daher eignen sie sich hervorragend für Anwendungen wie Industriegetriebe, Lokomotivantriebe und Kompressoren.

Standard-Vierpunktlager der Reihe QJ besitzen einen einteiligen Außenring, einen radial geteilten Innenring, einen Kugelsatz und einen außenringgeführten Käfig. Der Außenring ähnelt zwar dem eines Rillenkugellagers, aber der Laufbahnquerschnitt unterscheidet sich hiervon deutlich: Die Laufbahn eines Rillenkugellagers ist kreisförmig ausgebildet. Der Außenring eines Vierpunktlagers hat zwei symmetrische Laufbahnen, die kreisförmig ausgeführt sind. Beide Laufbahnen kreuzen sich in der Ringmitte an einem einzigen Punkt, dem sogenannten Spitzbogen.

Vierpunktlager mit PEEK-Käfig, Bild: SKF
Ein Vierpunktlager der Reihe QJ von SKF mit PEEK-Käfig (Polyetheretherketon). Bild: SKF

Die Mittelpunkte der beiden Laufbahnkreise weisen einen kleinen Versatz in axialer Richtung auf. Der Innenring ist in zwei Hälften geteilt und vom Prinzip her wie der Außenring konstruiert. Dies ist ein Vorteil gegenüber dem Lagerdesign der Rillenkugellager: Durch die Konstruktion der Außenringlaufbahnen ist es möglich, den Berührungswinkel, der standardmäßig 35 Grad beträgt, und das Axialspiel unabhängig voneinander festzulegen. Das heißt, ein bestimmtes Axialspiel kann vorgegeben werden, ohne dass die Schmiegung – das Verhältnis zwischen Laufbahnkrümmung und Kugeldurchmesser – geändert werden muss.

Ein Lager mit einem Berührungswinkel von 35 Grad erfordert hohe Schultern, und ein solches Lager mit einem einteiligen Innenring lässt sich nicht mit einer angemessenen Anzahl von Kugeln bestücken. Der geteilte Innenring eines Vierpunktlagers ermöglicht die Unterbringung einer maximalen Anzahl von Kugeln, die lediglich durch die Breite der Käfigstege begrenzt wird. Theoretisch hat eine Kugel vier unterschiedliche Berührungspunkte an den Ringen. Dies ist der Fall, wenn nur eine radiale Belastung einwirkt.

In realen Anwendungen kommt diese Belastungssituation so gut wie nicht vor. Besonders relevant sind aber Belastungssituationen mit rein axialen Belastungen. In diesen Fällen wird die Belastung nur an zwei diagonal voneinander liegenden Berührungspunkten übertragen. Wenn die Richtung der Axialbelastung geändert wird, wandern die Berührungspunkte an die jeweils entgegengesetzte Stelle. Deshalb kann diese Lagerart Axialbelastungen in beiden Richtungen aufnehmen.

Bei Anwendungen mit kombinierten Belastungen, aber dominierender Axialbelastung, müssten von einreihigen Schrägkugellagern zwei gleiche Lager entweder in O- oder X-Anordnung gepaart werden, um die gleiche Funktionalität zu erzielen. Demgegenüber lassen sich mit einem Vierpunktlager sehr platzsparende Lagerlösungen realisieren: Zwei einreihige Schrägkugellager können durch ein Vierpunktlager ersetzt werden.

Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist, dass bei Vierpunktlagern dominante Axiallasten auftreten, damit sie einwandfrei betrieben werden können.

SKF empfiehlt ein Belastungsverhältnis von Fa/Fr > 1,27.

Die Vierpunktlager des Unternehmens sind standardmäßig mit einem Fensterkäfig aus Messing oder aus Polyetheretherketon (PEEK) ausgestattet. Beide Käfige sind außenringgeführt. Dadurch wird eine sehr gute Führung erzielt, sodass die Drehzahlgrenze angehoben werden kann. Aufgrund der speziellen Ausführung des symmetrischen Käfigs kann eine maximale Anzahl großer Kugeln untergebracht werden.

Belastung, Lebensdauer und Drehzahlen

Lagertechnik, Bild: SKF
Gestaltung: Das Vierpunktlager nimmt nur die Axialbelastung auf, während das Zylinderrollenlager die Radialbelastung trägt. Bild: SKF

Die kompakte Bauweise eines Vierpunktlagers könnte darauf schließen lassen, dass die Tragzahl eines gepaarten einreihigen Schrägkugellagersatzes vergleichsweise höher ist. Tatsächlich gibt es aber kaum einen Unterschied zwischen der Tragfähigkeit eines Vierpunktlagers und der eines entsprechenden gepaarten Schrägkugellagersatzes.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit einem Vierpunktlager etwa die Hälfte an Bauraum eingespart werden kann. Allerdings sollte man auch die nominelle Lebensdauer in Betracht ziehen. Eine wesentliche Rolle spielt hierbei die äquivalente dynamische Lagerbelastung, die wie folgt aus den Belastungen berechnet wird:

P = 0,60×Fr + 1,07×Fa bei einem Vierpunktlager (Berührungswinkel 35°), beziehungsweise
P = 0,57×Fr + 0,93×Fa bei einem gepaarten Schrägkugellagersatz (Berührungswinkel 40°).

Es ist klar, dass auf das Vierpunktlager vor allem aufgrund des kleineren Berührungswinkels eine höhere äquivalente dynamische Belastung einwirkt, aber die hieraus resultierende kürzere nominelle Lebensdauer wird durch das raumsparende Lagerdesign weitgehend ausgeglichen.

Ausführung der angrenzenden Bauteile

Vierpunktlager werden in vielen Fällen zusammen mit einem Radiallager wie beispielsweise einem Zylinderrollenlager kombiniert. Hierbei ist zu beachten, dass ein Vierpunktlager nur axiale Belastungen aufnimmt.

Daher darf der Außenring des Vierpunktlagers weder axial noch radial verspannt werden, sondern ist mit radialem Spiel (Spalt von ein bis zwei Millimeter) im Gehäuse anzuordnen. Andernfalls kann der Außenring die temperaturbedingten Ausgleichsbewegungen nicht ausführen, und es entstehen unerwünschte zusätzliche Kräfte im Lager.

Um die Drehung des Außenrings im Gehäuse zu verhindern, sind die meisten Lager mit zwei Haltenuten im Außenring ausgestattet. So können der Außenring und das Gehäuse mit einem Stift verbunden werden. In Fällen, in denen die axiale Verspannung des Außenrings unvermeidbar ist, ist bei der Montage zumindest eine zentrische Ausrichtung des Außenrings sicherzustellen. Ferner ist zu beachten, dass die beiden Innenringhälften immer axial verspannt werden müssen.

Bei SKF-Vierpunktlagern handelt es sich um eine spezielle Art von Schrägkugellagern. In vielen Anwendungsfällen stellen sie eine interessante Alternative zu einem gepaarten einreihigen Schrägkugellagersatz dar. Vierpunktlager haben hervorragende Eigenschaften hinsichtlich platzsparendem Lagerdesign, Drehzahleignung und Tragfähigkeit und werden deshalb gerne in Anwendungen wie Kompressoren, Pumpen und Retardern eingesetzt.

Eigenschaften eines Vierpunktlagers

Explosionsansicht, Bild: SKF
Explosionsansicht eines Vierpunktlagers. Bild: SKF

Allgemein: Verbesserter Lagerstahl für eine längere Ermüdungslebensdauer und höhere Verschleißfestigkeit, optimierte Wärmebehandlung für eine hohe Materialbeständigkeit und verbesserte innere Geometrie für niedrigere Reibungswerte und eine bessere Schmierung.

Innenring: Spezielle Anschrägung zur Verbesserung des Öldurchflusses und Verringerung der Verformung aufgrund von axialem Verspannen, geschliffener Radius zwischen Laufbahn und Schulter zur Verringerung von Spannungsspitzen und spannungsoptimierter Querschnitt.

Außenring: N2 – zwei um 180° Grad versetzte Haltenuten.

Innen- und Außenringe: verbesserte Grenzabmessungen und geometrische Toleranzen, eingeengte Breitentoleranz 0/40 μm.

Käfig: Überarbeiteter Messingkäfig mit verbesserter Geometrie oder Hochtemperaturpolymer-Käfig aus PEEK.

Kugelsatz: Verbesserte Kugelqualitätsklasse.