Titel: Gleitlager oder Kugellager.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1909, Band 324 (S. 10–13)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj324/ar324004

Gleitlager oder Kugellager.

Von August Bauschlicher, Civilingenieur, Frankfurt a.M.

Der Fortschritt auf dem Gebiete des Maschinenbaues erstreckt sich naturgemäß nicht allein auf die Neukonstruktion von Maschinensystemen, sondern im gleichen Maße auch auf die Verbesserung der Maschinenelemente. Auf dem Gebiete der Lagerungen entwickelte sich im Laufe der Jahre das Gleitlager zu höherer Vollkommenheit, indem neue bessere Legierungen für das Lagermetall gefunden und die Schmiervorrichtungen verbessert wurden.

Der moderne Maschinenbau kennzeichnet sich durch die gesteigerten Tourenzahlen aller Maschinenwellen, wodurch die Anforderungen an die Betriebssicherheit der Lager stetig wuchsen. Für stark belastete Wellen werden nun auch heute hochwertige Materialien wie z.B. Gußstahlwellen auf Bronzelager oder Weißmetallager gewählt. Im Automobilbau und bei allen Schnelläufern (Explosionsmotoren) mußte sogar noch jede Laufstelle gehärtet werden, oder man nahm Nickelstahle und Chromnickelstahle von erheblicher Naturhärte und ließ diese auf Bronze oder Weißmetalllager laufen. Außer den Baustoffen mußten auch noch die Schmiervorrichtungen verbessert werden.

Textabbildung Bd. 324, S. 10

Wir unterscheiden heute Oelvorrichtungen, bei denen die Oelmengen der Lagerstelle mittels Oelpumpe zwangläufig zugeführt werden und Oelvorrichtungen, bei denen aus einem Oelkammerraum ein bestimmtes Oelquantum durch ein Paternosterwerk (Schmierring) immer wieder an die Laufstellen befördert wird. Die Oelvorrichtungen sind allerdings nicht bei jeder Maschine gleich. Die Schmierung eines Gasmotors unterscheidet sich gänzlich von der einer Dampfmaschine, soweit wir die Zylinderschmierung im Auge haben. Immerhin kann man allgemein sagen, daß heute bei allen hochbeanspruchten Gleitlagern eine automatisch wirkende Oelzuführung als normal betrachtet wird.

Bei dem Ringschmierlager nach Fig. 1 ist nun die Oelzuführung durch einen lose auf der Welle mitlaufenden Schmierring ermöglicht In dem Kammerraum befindet sich ein bestimmter Oelvorrat. Der Schmierring taucht in die Oelmenge ein, benetzt sich mit Oel und schmiert in bekannter Weise die Welle. Die Verteilung der Oelmengen nach beiden Wellenseiten wird durch die entsprechende Ausbildung von Schmiernuten bewirkt.

Die Ringschmierung hat sich im ganzen gut bewährt. Bei raschlaufenden Wellen, z.B. bei Holzbearbeitungsmaschinen, kommt es aber vor, daß die Schmierringe hüpfen und die Schmiermittel in unregelmäßigen Mengen auf die Welle gelangen. In diesem Falle muß man die Ringe sehr leicht halten, damit sie einigermaßen zufriedenstellend wirken. Auf den guten Lauf eines Gleitlagers wirken aber noch verschiedene Umstände:

Ein rein konstruktives Moment ist die Berücksichtigung von Wellendurchbiegungen bei starken Erschütterungen der Maschine und Verlagerungen, die bei Lager für Wellenleitungen eintreten können. Im letzteren Falle muß das einstellbare Lager geschaffen werden.

Allein mit diesen Mitteln ist man am Ende der Verbesserungsmöglichkeiten angelangt, da die Hauptursache aller Lagerstörungen, das ist die Gleitreibung, immer noch besteht.

Ein wesentlich theoretischer Fortschritt in der Lagerung von Wellen wird erreicht, wenn die Gleitreibung in rollende Reibung verwandelt wird, da letztere allein die spezifische Reibungsarbeit herabzusetzen vermag; auch ändert sich das Wesen der Lagerung völlig. Hier sei ein Vergleich zwischen den physikalischen Vorgängen im Gleitlager und denen im Kugellager angestellt:

Bei jeder Umlaufarbeit, welche eine Welle in ihren Lagerschalen verrichten muß, erfolgt zwischen dem festen und dem umlaufenden Stahl eine Gleitreibung. Es wird eine nutzlose Arbeit geleistet, die sog. Lagerreibung. Diese Arbeit setzt sich in Wärme um. Erreicht die Lagerreibung einen hohen Betrag, so entwickelt sich eine solch große Wärme, die im schlimmsten Fall zum Fressen bezw. zum Festsetzen eines Lagers führt. Man sucht daher die Lagerreibung so gering wie möglich zu gestalten und erreicht dies bei Gleitlager:

  • 1) durch Schaffung glatter und möglichst großer Reibflächen (Verminderung des spezifischen Flächendruckes),
  • 2) durch Vermeidung all zu hoher Umdrehungszahlen,
  • 3) durch gute Schmiervorrichtungen.

Die Glieder einer Maschine sind bekanntlich wechselnd belastet. Keine Welle steht daher unveränderlich gegen ihr Lager. Sie zittert und biegt sich. Es muß daher stets ein gewisses Spiel im Gleitlager vorhanden sein, das zum Aufenthalt der Schmiermittel dient und ferner dazu, daß sich die Wellen etwas durchbiegen können, ohne an den Kanten zu fressen. Das ballige Ausschaben eines langen Gleitlagers ist eine bekannte und notwendige Nacharbeit bei langen Gleitlagerflächen. Die Schmiermittel füllen nun die mikroskopischen Unebenheiten der scheinbar glatten Flächen aus und bilden ein gewisses Flüssigkeitsbett, dessen Dicke unaufhörlich wechselt und an der Druckstelle am dünnsten sein wird.

Im gewissen Sinne übernehmen die feinzerteilten Oelmengen die Wirkung der Kugeln, da man annehmen kann, daß sich unendlich feine Oelkügelchen zwischen der Welle und der Lagerschale abwälzen. Sind die Lagerdrücke außerordentlich hoch, so ist die Schmiermittelschicht sehr dünn, d.h. die Erwärmung der Maschinenteile steigt, weil mehr eine metallische Berührung zwischen Welle und Lagerschale eintritt. Es verdampfen |11| nun die Schmiermittel und die Metallteilchen beginnen sich abzulösen, d.h. der Lagerverschleiß wird größer. Häufen sich nun diese abgelößten Metallteilchen an einer Stelle, so erzeugen sie dort eine vermehrte Reibung. Der vermehrte innere Druck wird dann ein Zusammenpressen dieser Metallteilchen hervorrufen; das geht so weit, daß die Welle geritzt wird und die ursprünglich glatte Wellenoberfläche in eine rauhe übergeht. Die aufgerauhte Reibfläche vermehrt nun die Zusammenpressungswirkungen auf die abgelösten Metallteilchen. Die zusammengepreßten Metallteilchen werden vor sich hergeschoben und reißen das Lagenschalenmetall auf. Es bilden sich allmählich anwachsende Metallknoten, die sich wie ein Keil zwischen Welle und Lagerschale legen. Dieser Vorgang kennzeichnet die Ursachen des Fressens oder des Festsetzens eines Gleitlagers.

Das Kugellager wirkt nun gänzlich anders. Zunächst rollen die Kugeln zwischen Welle und Lager-schale ab, Fig. 2. Die Lagerreibung erklärt sich nun aus der elastischen Eindrückung der Kugel in ihr Laufbett, ferner noch durch die Kugelreibung unter sich.

Die übliche Annahme der Punktberührung bei einer rollenden Kugel ist nur ein theoretischer Begriff, wenn wir uns die Teile massenlos vorstellen. In Wirklichkeit haben wir bei der gedrückten Kugel eine Flächenberührung. Die Fläche wird bei einer hohlen Laufrille ellipsoidenartig sein. Das Kugellager ist ein elastisches Lager, während das Gleitlager als starres Lager gelten muß, da beim Gleitlager von einer praktisch merkbaren Eindrückung der Welle in ihr Laufbett nicht gesprochen werden kann. Bei der Kugel muß infolge des Fehlens einer eigentlichen Gleitreibung die Menge der abgelösten Metallteilchen (Verschleißkörperchen) kleiner sein. Es ist auch in der Tat so, weil noch hinzutritt, daß bei Kugellagern meist gehärtete Glieder zusammenarbeiten, wodurch etwaige Verschleißmengen noch weiter vermindert werden.

Textabbildung Bd. 324, S. 11

Die Kugeln besitzen nun während des Laufens in ihrer Laufrille eine merkwürdige Eigenschaft. Etwaige große Metallteilchen werden selbsttätig aus dem Wege geräumt. Die Kugeln wirken als Bahnräumer. Größere Fremdkörper können überhaupt nicht in die Laufstelle gelangen, nur ganz kleine Metallteilchen, die kleiner als das Spiel im Kugellager sind, werden sich örtlich an der Kugellaufstelle festsetzen.

Ferner sind zwischen den Kugeln Lücken vorhanden, die den Zutritt der Schmiermittel gestatten. Die Laufflächen der Kugellager liegen fortwährend frei. Dies ist einerseits ein großer Vorzug, wenigstens vom Standpunkt der Schmierbarkeit aus. Anderseits kann nicht geleugnet werden, daß der Staubzutritt zu den Lücken und Laufstellen des Kugellagers begünstigt wird.

Soweit die inneren Lagervorgänge beim Kugellager und die allgemeinen Vorzüge.

Eine weitere schätzbare Eigenschaft hat das Kugellager, daß es gegen geringe Verlagerungen unempfindlich ist (es sellert). Eine überlastete, sich durchbiegende Welle verursacht in dem Kugellager nicht das gefürchtete Ecken, sondern auf das Lager entfallen nur größere Einzelbelastungen für die Kugeln. Die Druckauflage eines Kugellagers ist stets statisch bestimmt. Die Drücke greifen immer in der Kugelmitte an. Damit wären die inneren Vorzüge des Kugellagers gekennzeichnet.

Es leiten sich hiervon auch die Schlagworte ab:

  • 1. leichter Lauf (Reibungskoeffizient 0,0015),
  • 2. geringer Oelbedarf (etwa 1/10–1/15 von dem des Gleitlagers),
  • 3. leichte Ingangsetzung (der Reibungskoeffizient der Ruhe unterscheidet sich nicht wesentlich von dem der Bewegung),
  • 4. Hohe Betriebssicherheit (6000–10000 Touren i.d. Min.).
Textabbildung Bd. 324, S. 11

Zu diesen Schlagworten soll folgendes bemerkt werden:

Die angeführten Vorzüge treffen bei zeitgemässen Kugellagerungen wirklich zu. Das Kugellager hat eine etwa 8jährige systematische Entwicklung hinter sich, die unstreitig durch die Versuche von Prof. Stribeck und den Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken Berlin im Jahre 1900 eingeleitet wurde. Diese Versuche haben dem früheren etwas wilden Zustande der Kugellagerkonstruktionen ein Ende bereitet und dem modernen Kugellager ist unterdessen Gelegenheit gegeben worden, seinen Befähigungsnachweis zu erbringen. Dieser Befähigungsnachweis ist ihm auch im Automobilbau, im Elektromotorenbau, im Bau von schnellaufenden Maschinen, Holzbearbeitungsmaschinen, Zentrifugen, Turbinen usw. gelungen.

Textabbildung Bd. 324, S. 11

Neuerdings wird das Kugellager zu einem ernstlichen Nebenbuhler des Gleitlagers. Damit soll natürlich nicht gesagt werden, daß das Kugellager allgemein an Stelle des Gleitlagers treten könne. Durchaus nicht. Wo von Maschinen eine starre Bettung und dabei noch ein sicheres Rundlaufen verlangt wird, wird das Gleitlager unentbehrlich sein. Unsere Maschinenelemente werden nur um ein brauchbares Mitglied bereichert.

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Es soll nun eine kleine Uebersicht über gängige normale Kugellager gegeben werden:

  • 1. das veraltete nicht normalisierte Kugellager nach Fig. 3,
  • 2. das heutige Ringlager nach Fig. 4 nach den Normalien der Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken, Berlin,
  • 3. das moderne normalisierte Spurlager nach Fig. 5 u. 6 nach Normalien der Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken, Berlin,
  • 4. die zusammengesetzten Lager nach Fig. 7.
Textabbildung Bd. 324, S. 12

Das Kegellager für die Lagerung eines Ventilators nach Fig. 3 besteht darin, daß die Berührungspunkte der Kugeln an dem Kegel und Teller auf einer schrägen Ebene liegen. Die Kegellager sind nachstellbar, weil ohne Ausnahme ein gewindetragender Stellkegel angewendet wird. Das Kegellager hat aber verschiedene grundsätzliche Fehler, die in der Hauptsache darin bestehen, daß ein zu rascher Verschleiß der Laufstellen eintritt, ferner, daß bei Unterlassung einer rechtzeitigen Nachstellung eine starke Verlagerung der Welle eintritt. Für genau laufende Wellen wirkt letzterer Umstand außerordentlich störend.

Für den Maschinenbau kommt heute nur das Ringlager in Betracht. Bei diesen laufen die gehärteten Kugeln meist in Hohlrillen eines inneren und äußeren gehärteten Laufringes.

Die Einzelkonstruktion des Ringlagers kennzeichnet sich durch:

  • 1. einen inneren Laufring,
  • 2. einen äußeren Laufring,
  • 3. die eigentlichen Tragkugeln,
  • 4. einen Kugelkäfig für die Kugeln.

Die Ringlager haben radiale Drücke aufzunehmen. Für die Durchmesser und Breite bestehen festgelegte Größen. Der Durchmesser, die Bohrung und die Flanken eines Laufringes sind gehärtet und geschliffen, natürlich auch die Hohlrillen für die Tragkugeln. Die zulässigen Maßabweichungen für die Bohrung des inneren Laufringes betragen 0,003 – 0,01 und für den Außendurchmesser D = 0,015 – 0,03. Die Innenringe werden meist auf die Welle gepreßt und mittels einer Mutter befestigt. Dabei ist es verboten, auf die äußeren Laufringe zu schlagen, weil dadurch das Kugellager leicht beschädigt werden kann. Die Außenringe gehen leicht saugend in die Bohrung der zugehörigen Gehäuse.

Textabbildung Bd. 324, S. 12

Von den Traglagern einer Welle ist nur eines seitlich festzulegen, die anderen sind seitlich frei zu lassen, um Verklemmungen infolge Arbeitsungenauigkeiten oder Längenänderungen der Welle zu verhindern. Der Außenring des festgestellten Lagers kann vollkommen festliegen, oder der bequemen Bearbeitung wegen 2/10 mm (bei Elektromotoren 5/10 mm) beiderseitige Luft in Richtung der Achse erhalten.

Für die Befestigung der Ringlager sind meist runde Muttern üblich, die an irgend einer Stelle Schlitze zum Anziehen erhalten. Eine Drahtsicherung schützt die Mutter gegen Losdrehen.

Die Laufrillen der Laufringe sind ebenfalls geschliffen und zwar mittels sog. Radiusschleifmaschinen, denen der Radius mechanisch erzeugt wird.

Die Konstruktionsformen der Kugellager sind sehr mannigfaltig, weshalb die genauere Beschreibung aller gängigen Spielarten hier nicht gegeben werden kann1). Wesentlich ist die zulässige Belastung, die für alle Kugellager festgelegt ist und die neben den normalisierten Abmessungen derselben den nächst interessierenden Wert für die Anwendung des Kugellagers bildet. Für starke Stöße wählt man als zulässige Belastung das 1,6–3fache der rechnerisch festgestellten Belastung. Bei steigender Tourenzahl vermindern sich außerdem noch die zulässigen Belastungen.

Die dritte Grundtype von Kugellagern bestehen in den sog. Spurlagern, die achsiale Drücke aufzunehmen haben und die ebenfalls normalisiert sind, sowohl in bezug auf Bohrung als auch im Kugelsitz.

Eine gemeinsame Eigenschaft haben alle moderne Kugellager, daß sie meist in Hohlrillen laufen. Die früher profilierten Laufrillen (Dreiecksprofilierung) sind fast gänzlich verschwunden. Wenigstens bauen die neueren Kugellagerfabriken solche Lager nicht mehr.

Textabbildung Bd. 324, S. 12

Auf besonderen Wunsch wird man natürlich auch das Dreiecksprofil geliefert erhalten. Es empfiehlt sich dies aber nicht, weil die Uebereinstimmung zweier Laufrillen bei einer dreieckigen Profilierung stets eine ganz genaue Fabrikation bedingt. Treten achsiale und radiale Drücke gleichzeitig auf, so werden Ring- und Spurlager zusammen verwendet. Eine solche Zusammenstellung geht aus der Fig. 8 hervor.

Bei dieser Konstruktion treten wechselseitige achsiale Drücke auf, weshalb ein sog. Doppeldrucklager an das Ringlager anschließt. Die Spurplatten b u. c stehen fest. Die Auflageplatte a ist kugelig. Die drehenden Spurplatten e u. d sind mit der drehenden Welle verbunden. Die Einspannung der umlaufenden Spurplatten e u. d erfolgt durch die Mutter f unter Zwischenschaltung einer Distanzröhre g. Diese Kugellagerungen sind für die Hinterradachsen der Motorwagen üblich, bei denen der Kegelradantrieb einen doppelten achsialen Druck ausübt.

Wie man sieht, ergeben sich schon hier verwickelte Bauformen, weshalb man gerne von der Anwendung |13| der Doppeldrucklager absieht, wenn nicht gerade rechnerisch zu ermittelnde, bedeutende Drücke in das Lager gelangen. Diese Uebersicht über die wesentlichen Bauformen und über die Konstruktion des Kugellagers zeigt, daß sich ausgereifte Grundformen entwickelt haben.

Zu erwähnen wären noch die mehrreihigen Lager. Neuerdings erzielt man die Mehrreihigkeit der Lager dadurch, daß man mehrere normale Lager aneinanderreiht. Bei Spurlager sticht man mehrere konzentrische Rillen auf denselben Spurplatten ein. Die genaue Druckverteilung auf alle Rillen erfordert aber äußerst genaue Fabrikation.

(Schluß folgt.)

|12|

Uebersicht über die heutigen Kugellagerkonstruktionen siehe Z.d.V.d.I., Heft 30 u. 31 1908.

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