6 Arten von Nieten, ihre Anwendungen und Alternativen zur Verbindung von Metall
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf eine der ältesten Methoden, zwei Teile miteinander zu verbinden: die Niete. Von ägyptischen…
Von einem kleinen Einkaufswagen bis hin zu riesigen Kraftwerken – zahlreiche leichte und industrielle Geräte könnten ohne den Einsatz von Lagern in irgendeiner Form nicht funktionieren.
Lager sind ein wesentliches tribologisches Element vieler Maschinentypen und existieren in verschiedensten Ausführungen und Formen. Sie lassen sich als Maschinenelemente definieren, die in einem System mit statischer oder dynamischer Belastung nur eine bestimmte Bewegungsart ermöglichen oder zulassen (Einschränkung der Freiheitsgrade).
Ein Beispiel ist eine Schiebetür. Die Tür kann nicht angehoben oder aus ihrer Position entfernt werden. Sie lässt sich lediglich zum Öffnen hin- und herschieben. Die mögliche Bewegung wird durch Lager auf die Schiebebewegung beschränkt.
Der Hauptzweck von Lagern besteht darin, einen direkten Metallkontakt zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elementen zu verhindern. Dadurch werden Reibung, Wärmeentwicklung und letztlich der Verschleiß der Bauteile verhindert. Zudem wird der Energieverbrauch reduziert, weil die Gleitbewegung durch eine reibungsarme Rollbewegung ersetzt wird.
Sie übertragen auch die Last des rotierenden Elements auf das Gehäuse. Diese Last kann radial, axial oder eine Kombination aus beidem sein. Ein Lager begrenzt außerdem die Bewegungsfreiheit der beweglichen Teile auf die vordefinierten Richtungen, wie oben beschrieben.
Wälzlager enthalten Wälzkörper in Form von Kugeln oder Zylindern. Es ist bekannt, dass das Rollen eines Rades leichter ist als das Gleiten auf dem Boden, da die Rollreibung geringer ist als die Gleitreibung. Genau dieses Prinzip wird auch bei Wälzlagern genutzt. Sie ermöglichen die freie Bewegung von Bauteilen bei Rotationsbewegungen.
Auch wenn in manchen Anwendungen eine lineare Bewegung benötigt wird, lässt sich Rotationsbewegung leicht in eine Gleitbewegung umwandeln. Denken Sie zum Beispiel an Rolltreppen oder Förderbänder. Obwohl die Bewegung linear ist, erfolgt der Antrieb durch Motoren, die Walzen antreiben.
Ein weiteres Beispiel ist eine Kolbenpumpe, die mit Hilfe von Gelenken Rotationsenergie eines Motors in eine translatorische Bewegung umwandeln kann. In all diesen Anwendungen werden Kugellager zur Unterstützung der Motorwellen sowie der Wellen anderer Walzen in der Baugruppe eingesetzt.
Wälzkörper tragen die Last mit wenig Reibung, da die Gleitreibung durch Rollreibung ersetzt wird. Wälzlager lassen sich in zwei Haupttypen unterteilen: Kugellager und Rollenlager.
Kugellager gehören zu den am häufigsten verwendeten Lagerarten. Sie bestehen aus einer Reihe von Kugeln als Wälzkörper, die zwischen zwei ringförmigen Metallteilen, den sogenannten Laufringen, gehalten werden. Der Innenring kann sich frei drehen, während der Außenring feststeht.
Kugellager bieten beim Rollen sehr geringe Reibung, haben allerdings nur eine begrenzte Tragfähigkeit. Dies liegt an der kleinen Kontaktfläche zwischen den Kugeln und den Laufringen. Sie können axiale Lasten in beide Richtungen sowie radiale Lasten aufnehmen.
Kugellager werden zur Steuerung von Schwingungs- und Rotationsbewegungen eingesetzt. Zum Beispiel in Elektromotoren, bei denen die Welle frei drehbar ist, das Motorgehäuse jedoch nicht. Hier verbinden Kugellager die Welle mit dem Gehäuse.
Je nach Einsatzgebiet stehen verschiedene Kugellagerarten zur Auswahl.
Vorteile von Kugellagern:
Nachteile von Kugellagern:
Rillenkugellager sind die am häufigsten verwendete Kugellagerart. Zwischen den beiden Ringen befindet sich ein Kugelkranz, der die Last überträgt und die Rotationsbewegung ermöglicht. Die Kugeln werden durch einen Käfig in Position gehalten.
Sie weisen sehr geringe Rollreibung auf und sind auf niedrige Geräusch- und Vibrationswerte optimiert. Das macht sie ideal für Hochgeschwindigkeitsanwendungen.
Rillenkugellager sind relativ einfach zu montieren und erfordern nur minimalen Wartungsaufwand. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass die Laufringe nicht beschädigt werden, da sie auf die Wellen aufgepresst werden müssen.
Bei dieser Kugellagerart sind der Innen- und der Außenring entlang der Lagerachse gegeneinander versetzt. Schrägkugellager sind dafür ausgelegt, größere axiale Lasten in beide Richtungen sowie radiale Lasten aufzunehmen.
Durch die Verschiebung der Laufringe kann die axiale Last über das Lager auf das Gehäuse übertragen werden. Diese Lager eignen sich für Anwendungen, in denen eine stabile axiale Führung erforderlich ist.
Schrägkugellager finden breite Anwendung in der Landwirtschaftstechnik, in Automobilen, Getrieben, Pumpen und in Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Spindeln von CNC-Maschinen.
Diese Kugellagerart ist unempfindlich gegenüber Fluchtungsfehlern zwischen Welle und Gehäuse, wie sie durch Wellendurchbiegung oder Montagefehler entstehen können.
Der Innenring besitzt tiefe Laufrillen ähnlich denen von Rillenkugellagern, gefolgt von zwei Kugelreihen und dem Außenring. Der Außenring ist konkav geformt und verleiht dem Innenring eine gewisse Bewegungsfreiheit zur Kompensation von Fluchtungsabweichungen.
Axialkugellager sind spezielle Kugellager, die ausschließlich für axiale Belastungen ausgelegt sind. Sie sind für radiale Belastungen nicht geeignet.
Axialkugellager zeichnen sich durch niedrige Geräuschentwicklung, einen ruhigen Lauf und die Eignung für hohe Drehzahlen aus.
Sie sind als ein- oder zweiseitige Lager erhältlich, wobei die Auswahl davon abhängt, ob die Last in eine oder beide Richtungen wirkt.
Fassen wir einige Einsatzbedingungen zusammen, bei denen Kugellager erforderlich sein können:
Rollenlager verwenden zylindrische Wälzkörper anstelle von Kugeln, um die Last zwischen den Laufringen zu tragen. Ein Element gilt als Rolle, wenn seine Länge größer als sein Durchmesser ist (selbst wenn nur geringfügig). Da sie Linienkontakt mit den Innen- und Außenringen haben (im Gegensatz zum Punktkontakt bei Kugellagern), können sie größere Lasten aufnehmen.
Rollenlager sind ebenfalls in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Die jeweils geeignete Art wird nach Belastungsart und -höhe, Einsatzbedingungen und eventuellen Fluchtungsproblemen ausgewählt.
Vorteile von Rollenlagern:
Nachteile von Rollenlagern:
Zylinderrollenlager sind die einfachste Form der Rollenlager. Sie bewältigen schwere radiale Belastungen und hohe Drehzahlen. Zudem bieten sie eine ausgezeichnete Steifigkeit, axiale Kraftübertragung, geringe Reibung und eine lange Lebensdauer.
Die Tragfähigkeit kann noch weiter erhöht werden, wenn auf Käfige verzichtet wird, die sonst zur Fixierung der Zylinderrollen verwendet werden. So können mehr Rollen eingesetzt werden, um die Last aufzunehmen.
Sie sind als ein-, zwei- oder vierreihige Lager sowie als geteilte und abgedichtete Varianten erhältlich.
Geteilte Ausführungen kommen dort zum Einsatz, wo der Zugang schwierig ist, etwa bei Kurbelwellen von Motoren. In abgedichteten Varianten wird das Eindringen von Verschmutzungen verhindert und das Schmiermittel bleibt erhalten – das Lager ist somit wartungsfrei.
Schwere radiale und axiale Belastungen stellen eine besondere Herausforderung dar, vor allem wenn die Welle zu Fluchtungsfehlern neigt.
Diese Situation lässt sich mit Pendelrollenlagern sehr gut beherrschen. Pendelrollenlager besitzen hohe Tragfähigkeiten und können Fluchtungsfehler zwischen Welle und Gehäuse ausgleichen. Dadurch werden Wartungskosten gesenkt und die Lebensdauer erhöht.
Die Laufbahnen der Pendelrollenlager sind zur Lagerachse geneigt. Die Rollen selbst sind nicht gerade, sondern besitzen sphärische Seiten, die sich den Laufbahnen anpassen und kleine Fluchtungsfehler ausgleichen.
Pendelrollenlager werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt – überall dort, wo schwere Lasten, mittlere bis hohe Drehzahlen und mögliche Fluchtungsabweichungen vorkommen, etwa in Geländefahrzeugen, Pumpen, Lüftern, Schiffsantrieben, Windkraftanlagen und Getrieben.
Das Kegelrollenlager besitzt kegelstumpfförmige Rollen als tragendes Element. Diese Rollen laufen zwischen zwei Laufringen, die ebenfalls Abschnitte eines Hohlkegels darstellen. Würde man die Achsen der Laufringe und Rollen verlängern, träfen sie sich in einem gemeinsamen Punkt.
Kegelrollenlager sind darauf ausgelegt, neben radialen auch hohe axiale Kräfte aufzunehmen. Je größer der Halbwinkel dieses Kegels, desto mehr Axialkraft kann übertragen werden. Sie eignen sich also sowohl als Axial- als auch als Radiallager.
Kegelrollenlager werden paarweise Rücken an Rücken eingesetzt, damit die Axialkräfte in beide Richtungen gleichermaßen aufgenommen werden können.
Das Nadellager ist eine besondere Form des Rollenlagers, bei dem die zylindrischen Rollen aufgrund ihres kleinen Durchmessers an Nadeln erinnern.
In der Regel ist die Länge der Rollen in Rollenlagern nur geringfügig größer als ihr Durchmesser. Bei Nadellagern jedoch ist die Länge der Rollen mindestens viermal so groß wie ihr Durchmesser.
Da Nadellager einen kleineren Durchmesser aufweisen, können mehr Rollen auf gleichem Raum untergebracht werden, was die Kontaktfläche mit den Laufringen vergrößert. Dadurch sind sie in der Lage, hohe Lasten zu tragen. Die kleine Baugröße ist zudem vorteilhaft, wenn wenig Platz zur Verfügung steht, da so geringere Einbauabstände zwischen Achse und Gehäuse erforderlich sind.
Nadellager finden sich in Automobilkomponenten wie Getrieben und Kipphebelzapfen. Auch in Kompressoren und Pumpen werden sie eingesetzt.
Axialrollenlager sind für hohe axiale Belastungen konzipiert und mit drei verschiedenen Rollentypen erhältlich: zylindrisch, kegelförmig und sphärisch. Diese Lager bieten eine hohe axiale Steifigkeit und sind besonders für große Lasten geeignet.
Zylindrische Axialrollenlager haben eine gute axiale Tragfähigkeit und sind relativ preiswert. Sie sollten jedoch nicht verwendet werden, wenn radiale Kräfte auftreten. Im Vergleich zu Axialkugellagern neigen sie aufgrund höherer Reibung zu schnellerem Verschleiß und sind für hohe Drehzahlen ungeeignet.
Kegelrollen-Axiallager können geringe Exzentrizitäten zwischen Welle und Gehäuse während des Betriebs tolerieren. Zwischen Kegelrollen- und Kegelrollen-Axiallagern gibt es keinen wesentlichen Unterschied hinsichtlich der Höhe der axialen Belastungen, die sie neben radialen Kräften aufnehmen können – dies hängt vom Halbwinkel des Kegels ab. Sie können größere Axialkräfte als Axialkugellager aufnehmen, sind aber in der Herstellung teurer.
Pendelrollen-Axiallager sind dafür ausgelegt, hohe Axialkräfte in einer Richtung und gleichzeitig gewisse Radialkräfte aufzunehmen. Sie sind selbstausrichtend und daher unempfindlich gegenüber Montagefehlern und Wellendurchbiegung.
Rollenlager sind die häufigste Alternative zu Kugellagern. Welche Betriebsbedingungen sprechen besonders für diese Lagerart?
Das Gleitlager ist die einfachste Lagerart. Es besteht in der Regel nur aus einer Lagerfläche. Es gibt keine Wälzkörper.
Das Lager ist im Wesentlichen eine Hülse, die auf die Welle gesetzt wird und in die Bohrung passt – daher auch die Bezeichnung Buchsenlager. Gleitlager sind preiswert, kompakt und leicht. Sie besitzen eine hohe Tragfähigkeit.
Gleitlager werden für Rotations-, Gleit-, Hub- oder Schwenkbewegungen verwendet. Das Lager bleibt fest montiert, während der Zapfen auf der Innenseite des Lagers gleitet. Um eine reibungsarme Bewegung zu gewährleisten, werden Werkstoffpaare mit niedrigem Reibungskoeffizienten ausgewählt – verschiedene Kupferlegierungen sind hierfür beispielsweise sehr gebräuchlich.
Dieses Lager kann gewisse Fluchtungsfehler, mehrdirektionale Bewegungen aufnehmen und eignet sich sowohl für statische als auch für dynamische Belastungen. Gleitlager werden in großem Umfang in der Landwirtschaft, Automobil-, Schiffs- und Bauindustrie eingesetzt.
Der Kolbenbolzen, der den Kolben mit der Pleuelstange in Dieselmotoren verbindet, ist durch ein Gleitlager gelagert.
Das Gelenklager ist ebenfalls ein Gleitlager, obwohl es aus zwei Teilen besteht – einem Innen- und einem Außenring. Äußerlich ähnelt es zwar Kugel- und Rollenlagern, es befinden sich jedoch keine Wälzkörper zwischen den beiden Ringen.
Fluidlager nutzen Druckluft oder Flüssigkeiten zur Lastaufnahme und eliminieren die Reibung. Sie ersetzen metallische Lager in Anwendungen, in denen diese eine kurze Lebensdauer sowie hohe Geräusch- und Vibrationspegel aufweisen würden.
Zudem werden sie vermehrt eingesetzt, um Kosten zu senken. Fluidlager finden Verwendung in Maschinen, die bei hohen Drehzahlen und Lasten arbeiten. Während die Anschaffungskosten höher sind, zahlt sich die längere Lebensdauer unter rauen Bedingungen langfristig aus.
Im laufenden Betrieb gibt es keinen Kontakt zwischen den beiden Elementen (außer beim Anlaufen oder Anhalten), sodass mit Fluidlagern nahezu kein Verschleiß entsteht.
Fluidlager werden in zwei Typen unterteilt: hydrostatische und hydrodynamische Lager.
Bei dieser Art von Lager wird ein extern beaufschlagtes Fluid zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Elementen gepresst. Das Fluid bildet einen Keil zwischen den beweglichen Teilen und hält sie auseinander. Die Flüssigkeitsschicht kann sehr dünn sein, doch solange kein direkter Kontakt entsteht, gibt es keinen Verschleiß.
Die Flüssigkeit wird mittels Pumpe zirkuliert. Der Durchmesser der Austrittsöffnung kann angepasst werden, um sicherzustellen, dass der Fluiddruck bei allen Drehzahlen und Belastungen konstant bleibt. Dadurch ist eine präzise Spaltkontrolle möglich.
Bei dieser Lagerart wird durch die Bewegung des Zapfens das Fluid zwischen Welle und Gehäuse gedrückt. Die Zapfenbewegung saugt das Schmiermittel zwischen die beweglichen Teile und erzeugt so einen konstanten Keil.
Allerdings kann es beim An- und Abfahren sowie bei niedrigen Drehzahlen und Belastungen dazu kommen, dass der Keil nicht ausreichend ausgebildet ist, um Verschleiß zu verhindern. Nur bei den Auslegungsgeschwindigkeiten funktioniert das System optimal.
Magnetlager nutzen das Prinzip der magnetischen Levitation, um die Welle frei im Raum zu halten. Da kein physischer Kontakt besteht, sind Magnetlager verschleißfrei. Es gibt zudem keine Begrenzung der maximalen Relativgeschwindigkeit, die sie aufnehmen können.
Magnetlager können auch gewisse Unregelmäßigkeiten im Wellendesign ausgleichen, da sich die Position der Welle automatisch am Massenzentrum ausrichtet. Selbst wenn sie etwas versetzt ist, funktioniert das Lager dennoch einwandfrei.
Es gibt zwei Haupttypen: aktive und passive Magnetlager.
Aktive Magnetlager verwenden Elektromagnete um die Welle, um deren Position zu halten. Erfassen Sensoren eine Positionsänderung, passt das System die zugeführte Strommenge an und bringt den Rotor wieder in die Ausgangsposition.
Passive Magnetlager nutzen Permanentmagnete, um ein Magnetfeld um die Welle aufrechtzuerhalten. Es ist keine externe Energiezufuhr erforderlich. Die Auslegung solcher Systeme ist jedoch schwierig, da diese Technologie noch in den Anfängen steckt.
In vielen Anwendungen werden beide Lagertypen kombiniert: Die Permanentmagnete übernehmen die statische Belastung, während die Elektromagnete für eine hochpräzise Positionsregelung sorgen.
