Wälzlagermomente verstehen

Wälzlager mögen kleine Bauteile sein, übernehmen jedoch eine zentrale Aufgabe.

Dazu zählt alles – von der Abstützung von Lasten in rotierenden Wellen bis zur Aufnahme axialer Schubkräfte in Turbinen.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines Lagers ist die Belastung, also die Höhe der vom Lager aufnehmbaren Kräfte und die Art, wie diese unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen eingeleitet werden.

Dieser Leitfaden erläutert die verschiedenen Lagerbelastungsarten, ihre Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit und die Kriterien, die bei der Auswahl des passenden Lagers für Ihre Anwendung zu beachten sind.

Was versteht man unter Lagerbelastung?

Unter Lagerbelastung versteht man die auf ein Lager wirkende Kraft beziehungsweise den auf das Lager ausgeübten Druck.

Im Detail wird die Kraft von einem Lagerring über einen Teil der oder alle Wälzkörper auf den anderen Lagerring übertragen.

In der Regel werden die im Einsatz auftretenden Lasten von der Welle auf den Innenring des Lagers und anschließend auf den Außenring übertragen.

Ein Lager kann verschiedene Belastungen aufnehmen, darunter radiale Lasten, axiale Lasten, Zentrifugallasten und weitere.

Die Höhe und Richtung der Lagerbelastung hängen von unterschiedlichen Lastfaktoren und Belastungsbedingungen ab, darunter das Gewicht der Anlage, die Betriebsgeschwindigkeit, Beschleunigung, Verzögerung, Stöße, Vibrationen, Temperatur und Schmierung.

Auch Schiefstellung, Montage- oder Wartungsfehler können die Lagerbelastung beeinflussen.

Radiallast am Lager verstehen

Radiale Lagerlasten stehen senkrecht zur Lagerachse der Welle und wirken auf den Außenring. Sie entstehen durch das Gewicht der Anlage oder durch die Kräfte rotierender Bauteile.

Zur Ermittlung der Radialtragfähigkeit sind das Gewicht der abgestützten Komponenten und die auf sie wirkenden Kräfte zu bestimmen, die Last auf die Lager zu verteilen und anhand der Herstellerangaben sicherzustellen, dass die berechnete Belastung innerhalb der maximalen Tragfähigkeit des ausgewählten Lagers liegt.

Typische Radiallasten ergeben sich aus dem Gewicht einer horizontalen Wellenbaugruppe, von Getrieben, Riemenscheiben und Schneidwerkzeugen usw.

Wenn Ihre Anwendung eine Radialbelastung des Lagers erfordert, ist ein Radialkugellager, Zylinderrollenlager, oder ein Schrägkugellager mit kleinem Berührungswinkel wäre eine ausgezeichnete Wahl.

Rillenkugellager können die Aufgabe ebenfalls übernehmen, sind jedoch am besten für geringere Lasten geeignet.

Radiallast des Lagers

Axiallasten bei Lagern verstehen

Axiallasten, auch als Schublasten bezeichnet, verlaufen parallel zur Wellenachse und wirken auf den Innen- oder Außenring des Lagers.

Sie entstehen durch Druck- oder Zugkräfte und können einseitig oder beidseitig wirken.

Sie übertragen die Kraft gleichmäßig und sorgen so für eine ausgewogene Lastverteilung.

Für Anwendungen mit axialen Lasten ist ein Schrägkugellager mit größerem Berührungswinkel, typischerweise um 25°, eine gute Wahl.

Bei versetzten Axiallasten wirkt jedoch ein Moment auf den Innenring, wodurch sich die Last nicht gleichmäßig auf die Wälzkörper des Lagers verteilt.

Für die Berechnung der axialen Tragfähigkeit sind Lagergröße, Werkstoff und Geometrie ebenso zu berücksichtigen wie Lastrichtung und Lastgröße.

Hersteller legen die Tragfähigkeitswerte von Lagern auf Grundlage normierter Berechnungsverfahren und Prüfungen fest.

Zu den Anwendungen mit hohen Axiallasten zählen Pumpen, Fahrzeuggetriebe und Verdichter.

Axiallast des Lagers

Was sind kombinierte Belastungen?

In vielen Anwendungen wirken Radial- und Axialkräfte gleichzeitig auf Lager. Dies wird als kombinierte Belastung bezeichnet.

Lager, die diese Belastungsart aufnehmen können, sind in Systemen erforderlich, in denen sich Richtung und Höhe der Lasten dynamisch ändern, etwa in Getrieben, Radnaben von Fahrzeugen und Elektromotoren.

Lagertypen wie Schrägkugellager oder Kegelrollenlager nehmen diese Belastungen wirkungsvoll auf; daneben gibt es jedoch weitere Lagerbauarten.

Diese Bauarten können mehrdirektionale Belastungen aufnehmen, indem sie Radial- und Axialkräfte gleichzeitig abstützen.

Die Auswahl eines Lagers, das kombinierte Belastungen sicher aufnehmen kann, sorgt für eine bessere Leistungsfähigkeit, eine längere Lebensdauer und höhere Betriebssicherheit.

Auswirkungen von Lagerbelastungen auf Maschinen

Die Auswahl des richtigen Lagers mit ausreichender Tragfähigkeit ist entscheidend für einen effizienten Betrieb und die Dauerhaltbarkeit der Maschine.

Eine zu geringe Tragfähigkeit kann vorzeitige Ausfälle, Stillstände, Reparaturen und Sicherheitsrisiken verursachen, während zu hohe Belastungen zu Überhitzung, Verschleiß und einem erhöhten Energieverbrauch führen können.

Eine unzureichende oder falsch ausgelegte Tragfähigkeit kann zu katastrophalen Ausfällen, Sicherheitsgefahren und kostspieligen Stillstandszeiten führen.

Lassen Sie sich von Fachleuten oder Lagerherstellern beraten, um für Ihre Anwendung die passende Tragfähigkeit sicherzustellen.

Berechnung von Lagerbelastungen

Die Lagertragfähigkeit lässt sich mit verschiedenen Formeln und Softwareprogrammen berechnen, darunter die in den Katalogen der Lagerhersteller bereitgestellten Auslegungsunterlagen, Online-Rechner und Simulationen mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA).

Die am häufigsten verwendeten Formeln für Radial- und Axiallasten lauten:

• Radialtragfähigkeit = (C/P)^(1/3) x Fr

• Axialtragfähigkeit = (C0/P)^(1/2) x Fa

In dieser Gleichung gilt:

„C“ ist die grundlegende dynamische Radialtragzahl,

„P“ ist die dynamische äquivalente Belastung,

"C0" ist die statische Grundtragzahl,

"Fr" ist die radiale Belastung,

"Fa" ist die axiale Belastung.

Für präzise Ergebnisse bei der Berechnung der Tragfähigkeit von Wälzlagern sollten Sie fachkundige Beratung einholen oder die von Wälzlagerherstellern angebotenen Softwareprogramme nutzen.

Berechnung von Lagerbelastung und Lebensdauer

Die dynamische radiale Tragzahl (C) ist maßgeblich für die Abschätzung der Lagerlebensdauer.

Mit der L10-Nennlebensdauerformel wird die Drehzahl beziehungsweise die Anzahl der Umdrehungen berechnet, bei der 90 % identischer Lager unter einer gegebenen Belastung noch funktionieren.

Formel zur Lagerlebensdauer:

L10 = (C / P)^3 × 10^6 Umdrehungen

Dabei gilt:

• C = dynamische Grundtragzahl

• P = äquivalente dynamische Lagerbelastung

Die Formel zeigt, dass bereits eine geringe Erhöhung der Belastung (P) die Lebensdauer eines Lagers verkürzen kann, während eine Verringerung der Belastung die Lebensdauer verlängert.

Bei der Lagersauswahl berücksichtigt, führt dies zu optimaler Leistungsfähigkeit und einer längeren Lebensdauer.

Wählen Sie ein Lager, das Ihre Fliehkräfte sicher aufnimmt

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ist die Auswahl von Lagern mit ausreichender Tragfähigkeit für Fliehkräfte entscheidend, um vorzeitige Ausfälle zu vermeiden.

Fliehkräfte können Lagerverschiebungen, Vibrationen und Ermüdung verursachen.

Zur Berechnung der Tragfähigkeit gegenüber Fliehkräften sollten Sie Formeln und Softwareprogramme verwenden, wie sie in Herstellerkatalogen, Online-Rechnern und FEA-Simulationen verfügbar sind.

Die gebräuchlichste Formel lautet:

Zentrifugallasttragfähigkeit = (C0/P) x V^2 x 10^-9

Dabei gilt:

"C0" ist die statische Grundtragzahl,

„P“ ist die äquivalente dynamische Lagerbelastung,

„V“ ist die Lagerdrehzahl in rpm.

Zentrifugallasten am Lager

Zentrifugallasten an Wälzlagern entstehen durch die Drehzahl einer Anwendung, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Turbinen und Zentrifugen.

Während sich der Innenring dreht, neigen die Wälzkörper dazu, sich tangential auf gerader Bahn zu bewegen; der Außenring zwingt sie jedoch, dem kreisförmigen Laufbahnradius des Lagers zu folgen.

Durch dieses Zusammenspiel entsteht eine radiale Zentrifugallast.

Die maximale Drehzahl einer Anwendung kann mitunter durch die hohe Zentrifugallast begrenzt werden, die sie erzeugt.

Das richtige Lager für die Anwendung auswählen

Berücksichtigen Sie bei der Lagerauswahl die Anforderungen der Anwendung, die Lastart, die Drehzahl, die Umgebung und die Temperatur.

Kugellager eignen sich für geringe bis mittlere Belastungen, Rollenlager sind für höhere Lasten ausgelegt, und Gleitlager kommen bei langsam laufenden Maschinen mit hohen Lasten zum Einsatz.

Sorgen Sie durch regelmäßige Inspektion, Reinigung und Schmierung für eine optimale Leistungsfähigkeit und lange Lebensdauer der Lager.

Bevor Sie die endgültige Lagerauswahl für Ihre Maschine treffen, sollten Sie genau verstehen, wie unterschiedliche Lastarten auf Lager wirken und welche Lager sich am besten zur Aufnahme dieser Belastungen eignen.

Die folgende Tabelle bietet einen schnellen Vergleich der wichtigsten Lastarten und der jeweils geeigneten Lagerauswahl.

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