Achim Schmidt, Anwendungsingenieur im Bereich „OEM & Distribution“ bei SKF in Schweinfurt. Fachbeitrag von Achim Schmidt Schrägkugellager haben üblicherweise einen Berührungswinkel von 40°. Nun hat SKF Schrägkugellager 25° entwickelt. Dadurch bietet sich erstmals die Möglichkeit, auf einfache Art und Weise asymmetrische Lagersätze zu realisieren, die große Standzeit-Vorteile in axial belasteten Anwendungen wie Pumpen bieten. Das bekannte Mindestlastprobleme wird so effektiv gelöst. 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 (Abb. 1).

Abb. 1: Berührungswinkel eines Schrägkugellager. 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 Axial-Lager. Schrägkugellager bewegen sich also zwischen reinen Radial- und reinen Axiallagern. Entsprechend gut können sie kombinierte Radial- und Axiallasten – wie sie in Pumpen auftreten - aufnehmen (Abb. 2). Mehr Möglichkeiten mit kleinerem Berührungswinkel und besserem Käfig

Abb. 2: Eignung verschiedener Lager für Radial- bzw. Axiallasten. 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 können damit unter gewissen Voraussetzungen um bis zu 20 % höhere Drehzahlen erreicht werden als mit einem 40°-Berührungswinkel. Dazu tragen u. a. 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, was in überwiegend radial belasteten Anwendungen vorteilhaft ist (Abb. 3).

Abb. 3: Vergleich 25°- vs. 40°-Berührungswinkel hinsichtlich Drehzahleignung, Steifigkeit und Tragfähigkeit. Abgesehen davon hat SKF sowohl für die 25°- als auch die 40°-Varianten den Messingkäfig optimiert: Durch sein festeres Material und seine verbesserte Form (Abb. 4) ist der Käfig nun noch robuster und erlaubt zudem höhere Drehzahlen als zuvor. Trotz dieser Leistungssteigerungen nimmt der Käfig weniger Raum ein als sein Vorgänger, sodass mehr Volumen für den Schmierstoff zur Verfügung steht – und das ermöglicht längere Schmierintervalle. Hinzu kommt, dass die Schwingungs- und Geräuschpegel mit dem neuen Messingkäfig um 15 % niedriger ausfallen. Anwendungen und Anordnungen

Abb. 4: Messingmassivkäfige der SKF Schrägkugellager – links die optimierte Ausführung; rechts ihr Vorgänger. Häufige Einsatzgebiete von Schrägkugellagern sind Pumpen, Kompressoren oder auch Elektromotoren (Abb. 5). Derartige, mit den verbesserten SKF Schrägkugellagern ausgestattete Aggregate können deutlich ruhiger laufen und längere Standzeiten erzielen.

Abb. 5: Die mit verbesserten SKF Schrägkugellagern ausgestatteten  Pumpen 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 bzw. rein radial belastet wird, entsteht durch seinen Berührungswinkel zwangsläufig auch immer eine entsprechende Radial- bzw. 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.

Abb. 6: Gepaartes Universallager in O-Anordnung. 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-Anordnung (Abb. 6) als auch in X-Anordnung. Gepaarte Schrägkugellager Werden Schrägkugellager paarweise verbaut, gibt es verschiedene Möglichkeiten, eine definierte Vorspannung bzw. Lagerluft einzustellen. Die gängigste Methode ist die Verwendung von so genannten „universell paarbaren“ Lagern (vereinfacht auch

Abb. 7: Blockspalt bei der Montage von einreihigen Universallagern mit Vorspannung vor dem Klemmen. „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 (Abb. 7). Damit die exakte Vorspannkraft / Lagerluft erreicht wird, ist eine stark eingeschränkte Toleranz der Rück- und Überstände von nur wenigen Mikrometern erforderlich (Abb. 8). 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

Abb. 8: Unterschied Standard-Lager vs. Universallager. Gehäuse oder auf der Welle eingestellt werden. Dazu müssen die Lager allerdings aufwendig vermessen und für jedes Lagerpaar individuell Zwischenringe gefertigt werden (Abb. 9). Um den Montageaufwand zu reduzieren, sind die neuen AC-Schrägkugellager mit 25°-Berührungswinkel direkt in universell paarbaren Ausführungen entsprechend der SKF Explorer-Leistungsklasse erhältlich. Auf Anfrage lassen sich auch unterschiedliche Vorspannungs- und Lagerluftklassen realisieren. Gemischte Lagersätze

Abb. 9: Einzellager, X-Anordnung – über einen Zwischenring (rot markiert) im Gehäuse eingestellte Lagerung. Häufig wirkt die Axialkraft bei Schrägkugellagersätzen dominant aus einer Richtung. Das kann z. B. 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 so genannte „Backup Bearing“, entlastet wird (Abb. 10). 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

Abb. 10: Lager A mit 25° Berührungswinkel als so genanntes „Backup Bearing“. „Anschmierungen“, die zu Temperaturanstieg und vorzeitigem Lagerausfall durch Oberflächenschäden (Abb. 11) und/oder Käfigbruch (Abb. 12) führen. Vorteile gemischter Lagersätze Bisher wurden in solchen Anwendungen mit dominanter einseitiger Axiallast häufig Lagersätze verbaut, die aus zwei identischen 40°-Einzellagern bestehen. Diese Anordnung ist allerdings nicht optimal, da der große 40°-Winkel bei Entlastung anfälliger für Mindestlastprobleme ist.

Abb. 11: Anschmierungen auf der Kugel. Durch die neue Reihe mit 25°-Berührungswinkel lassen sich nun asymmetrische Sätze aus 40°- und 25°-Lagern realisieren. Diese Lagerpaarung bietet große Vorteile: Im asymmetrischen Lagersatz wird die dominante Axialkraft über den großen Berührungswinkel (B = 40°) aufgenommen, während das entlastete Lager mit kleinerem Berührungswinkel (AC = 25°) die Gefahr von Anschmierungen senkt – weil dieser die Schwelle für die Abhebekraft erhöht. Bei der Abhebekraft handelt es sich um die externe Axialkraft, ab der ein Backup-Lager in einem vorgespannten Lagersatz vollständig entlastet wird und somit die erforderliche Mindestlast nicht mehr gewährleistet ist.

Abb. 12: Käfigbruch. Konkret bedeutet das, dass mit dem kleineren Berührungswinkel von 25° das Backup-Lager bei gleicher externer Last weniger entlastet wird (Abb. 13). Dadurch sinkt das Risiko eines vorzeitigen Lagerausfalls drastisch, was wiederum die Betriebssicherheit erhöht. Einfederung und Kraftverteilung im asymmetrischen, vorgespannten Lagersatz Welche Vorteile ein asymmetrischer Lagersatz hinsichtlich der inneren Lastverteilung hat, verdeutlicht ein Beispiel mit einem vorgespannten Lagersatz aus zwei Schrägkugellagern in O-Anordnung (Abb. 13), der mit einer reinen Axialkraft F beaufschlagt wird (roter Pfeil): Das Lager mit 40°-Berührungswinkel nimmt die Axialkraft auf, wohingegen das Lager mit 25°-Berührungswinkel durch die Axialkraft entlastet wird.

Abb. 13: Vorspannung und Einfederung bei Schrägkugellagern. 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°-; die blaue Kurve das Lager mit 40°-Berührungswinkel. Position 1 markiert Lastverhältnisse ohne externe Last; Position 2 steht für die Lastverhältnisse mit externer Axialkraft F1… in Höhe der Abhebekraft des 40°-Lagers und Position 3 spiegelt die Lastverhältnisse mit externer Axialkraft F2 in Höhe der Abhebekraft des 25°-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°-Lager (blau) zusätzlich zur eingestellten Vorspannkraft, die blaue Kurve steigt also an. Gleichzeitig entlastet die Kraft F das 25°-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°-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°-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°-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°-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°-Lager folglich deutlich besser geeignet.