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Jun 07, 2023

Radial- und Schubkräfte in Lagern

Wenn Genauigkeit erforderlich ist, ist es für Ingenieure wichtig, die Kräfte zu berücksichtigen

Wenn Genauigkeit erforderlich ist, ist es für Ingenieure wichtig, die auf ein Lager wirkenden Kräfte zu berücksichtigen. Da ein Lager normalerweise die freie Bewegung einer Welle um eine Drehachse unterstützt, wirken normalerweise zwei Kräfte auf das Lager: eine Radiallast und eine Axiallast. Doch welchen Einfluss haben diese Kräfte? Hier Chris Johnson, Geschäftsführer vonSMB-Lager, erklärt.

Eine Radiallast wirkt senkrecht, im 90-Grad-Winkel, zur Drehachse, während eine Schublast – auch Axiallast genannt – parallel zur Drehachse wirkt. Jede Fehlausrichtung der Welle kann auch zu einer Momentenbelastung führen, einer Kippkraft, die den Verschleiß erhöhen kann. Das Aufbringen einer Axiallast auf ein Lager kann von Vorteil sein. Beispielsweise kann die Anwendung einer permanenten Schublast (Vorspannung) auf den Innen- oder Außenring mithilfe von Unterlegscheiben oder Federn das Spiel im Lager beseitigen und eine genauere Drehung ermöglichen. Umgekehrt kann eine übermäßige Belastung katastrophale Folgen haben. Wenn es Ingenieuren nicht gelingt, ein Lager angemessen an die Radial- und Axiallasten in einer Anwendung anzupassen, kann dies die Lebensdauer des Lagers drastisch verkürzen. Bei der Berechnung der Lagerlebensdauer ist es wichtig, die Tragzahlen zu berücksichtigen. Diese sind ein Maß dafür, wie schnell die rotierenden Elemente eines Lagers ermüden und wie viele Umdrehungen ein Lager insgesamt aushalten kann, bevor es ausfällt. Diese Nennwerte können in statische Tragzahlen und dynamische Tragzahlen eingeteilt werden. Ein typisches Radialkugellager, das hauptsächlich für radiale Belastungen ausgelegt ist, verfügt über eine maximale statische und dynamische Belastbarkeit. Die statische Belastbarkeit ist die maximale radiale Belastung, der ein Lager standhalten kann, bevor die Belastung eine vollständige, dauerhafte Verformung der Lagerkugeln oder der Laufbahn von einem Zehntausendstel des Kugeldurchmessers verursacht. Obwohl ein Lager möglicherweise einer hohen statischen Belastung standhalten kann, geht dies jedoch mit einem Verlust an Genauigkeit und Laufruhe einher, was es für den Einsatz in hochpräzisen Umgebungen wie der Elektronikfertigung und in Robotern für die Lebensmittel- und Getränkeproduktion unpraktisch macht. Aufgrund der Härte des Materials beträgt die typische statische Belastbarkeit eines Lagers aus rostfreiem Stahl etwa 75–80 % der Belastbarkeit eines Lagers aus Chromstahl. Die dynamische Tragzahl hingegen ist die Fähigkeit von 90 % einer Gruppe identischer Chromstahllager, bei denen sich nur der Innenring dreht, eine Million Umdrehungen lang einer Radiallast konstanter Größe und Größe standzuhalten erste Ermüdungserscheinungen treten auf. Je größer die Belastung, desto höher sind die Belastungen, denen die Kugeln und Laufbahnen ausgesetzt sind. Dies führt zu einem schnelleren Verschleiß und einer kürzeren Lagerlebensdauer. Ermüdungsversagen führt zur Erosion der Kugelbahn, was zu Abplatzungen führt, wobei ein Bruch auf der Oberfläche der Laufbahn dazu führt, dass Material abgetragen wird, was letztendlich zum Versagen führt. Übermäßige Belastung kann auch zu anderen Ermüdungserscheinungen wie Überhitzung, Abbau des Schmierstoffs und Abrieb durch Partikelflocken führen. Auswahl des richtigen Lagers

Hersteller können verschiedene Maßnahmen ergreifen, um eine lange Lagerlebensdauer sicherzustellen. Der erste Schritt besteht darin, die Radiallast auf 6–12 % der dynamischen Tragzahl eines Lagers zu begrenzen. Obwohl ein Lager einer viel höheren Belastung standhält, verkürzt sich seine Lebensdauer. Der nächste Schritt besteht darin, das richtige Material auszuwählen. Aufgrund der Erfahrung von SMB Bearings als Spezialist für dünnwandige, korrosionsbeständige und Miniaturlager kann auch die Wahl des richtigen Lagertyps den entscheidenden Unterschied machen. Während alle Radialkugellager über eine gewisse Axiallastkapazität verfügen, ist es oft besser, Hochleistungslager mit tiefen Laufbahnen zu verwenden, wenn höhere Axiallasten vorhanden sind, da diese Axiallasten von bis zu 50 % der statischen Radiallastzahl standhalten können. Obwohl Dünnringlager – bei denen der Unterschied zwischen dem Innen- und Außendurchmesser des Lagers gering ist – hinsichtlich Kompaktheit und Gewichtsersparnis großartig sind, können sie aufgrund von nur axialen Belastungen zwischen 10 und 30 % der statischen radialen Tragzahl des Lagers standhalten die flacheren Laufbahnen. Zusätzliche Radiallasten oder Momentenlasten reduzieren die Schubbelastbarkeit noch weiter. Übermäßige Axiallasten auf einem Dünnschichtlager können dazu führen, dass die Kugeln gefährlich nahe an der Oberseite der Laufbahn landen. Durch die Auswahl des richtigen Lagertyps und die Berücksichtigung wichtiger Faktoren im Kampf um die Kontrolle von Radial- und Axiallasten können Ingenieure sicherstellen, dass sie weiterhin Innovationen vorantreiben und gleichzeitig ein Höchstmaß an Genauigkeit, Laufruhe und Lagerlebensdauer liefern.