Brauchen Rillenkugellager eine Vorspannung? Vollständiger Leitfaden

Rillenkugellager benötigen in den meisten Standardanwendungen keine Vorspannung. Sie sind für den Betrieb mit kontrolliertem Innenspiel ausgelegt und die Vorspannung ist ein bedingtes Maß für bestimmte Situationen wie Hochgeschwindigkeitsbetrieb, sehr leichte Lasten, strenge Geräuschgrenzwerte oder hohe Steifigkeitsanforderungen. In diesem Artikel wird erläutert, was die Vorspannung tatsächlich bewirkt, wenn Rillenkugellager sie wirklich benötigen, und wie man sie anwendet, ohne die Lagerlebensdauer zu verkürzen.

Was ist Vorspannung in Kugellagern?

Unter Vorspannung versteht man eine anhaltende Axialkraft, die beim Einbau auf ein Lager ausgeübt wird, sodass die Wälzkörper in ständigem Kontakt mit den Laufbahnen bleiben. Die Kraft beseitigt das freie Axialspiel, das in einem Lager im neutralen, unbelasteten Zustand vorhanden ist. In der Praxis wird durch die Vorspannung das Lagerspiel in einen kontrollierten Druckzustand umgewandelt.

Lagerluft und Vorspannung sind verschiedene Dinge. Das Innenspiel ist das werkseitig in das Lager eingebaute Spiel, klassifiziert in C0, C2, C3 oder ähnliche Klassen. Vorspannung ist ein Lastzustand, der zum Zeitpunkt der Montage erstellt wird. Wenn die ausgeübte axiale Vorspannung groß genug ist, um das interne Spiel aufzubrauchen, wird der Betriebszustand praktisch zu einem negativen Spiel.

Der Hauptzweck der Vorspannung besteht darin, zu verhindern, dass Wälzkörper ins Schleudern geraten oder kurzzeitig den Kontakt mit den Laufbahnen verlieren. Bei kontinuierlichem Kontakt ist die Bewegung gleichmäßiger, die Aufprallkräfte verschwinden und die Lagerbaugruppe wird messbar steifer.

Brauchen Rillenkugellager normalerweise eine Vorspannung?

Nein. Unter normalen radialen Belastungen und moderaten Drehzahlen sind Rillenkugellager so konzipiert und gefertigt, dass sie ohne Vorspannung laufen. Das in Standardlagern eingebaute Innenspiel gleicht Wärmeausdehnung und normale Lastablenkung aus. Aus diesem Grund funktionieren die meisten im Einsatz befindlichen Rillenkugellager genau so, wie sie aus der Verpackung kommen.

Rillenkugellager verwenden die Conrad-Montagemethode, bei der die Kugeln durch einen Spalt zwischen Innen- und Außenring eingeführt und dann durch den Käfig gleichmäßig beabstandet werden. Diese Konstruktion eignet sich naturgemäß eher für den Lauf mit definiertem Spiel als für den erzwungenen Axialkontakt. Durch das Anlegen einer Vorspannung wird das Lager aus seinem vorgesehenen spielbasierten Betriebszustand gedrückt, der nur dann gerechtfertigt ist, wenn die Anwendung dies erfordert.

Standardbaureihen wie 6000, 6200, 6300, 6800 und 6900 werden ohne Vorspannung in Motoren, Pumpen, Haushaltsgeräten und allgemeinen Kraftübertragungsgeräten eingebaut. Viele Motorenhersteller montieren Standardlager direkt auf die Welle und in das Gehäuse, ohne jegliche Vorspannungsanordnung. Dies ist die Standarderwartung in der gesamten Branche und gilt für Rillenkugellager für Motoren genau wie bei Allzwecklagern.

Für Anwendungen, die keine besonderen Anforderungen an Steifigkeit oder Geräuschverhalten stellen, reicht in der Regel ein abgedichtetes Standardlager aus. A abgedichtetes Rillenkugellager der Serie 6000 B. mit Gummidichtungen, bewahrt den Zustand des inneren Spiels während der Installation und des Betriebs und läuft im typischen Motor- und Pumpenbetrieb ohne Vorspannung.

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Wann benötigen Rillenkugellager eine Vorspannung?

Die Vorspannung wird relevant, wenn die Betriebsbedingungen ein Rillenkugellager aus dem Bereich herausdrücken, für den sein Standardspiel ausgelegt ist. Die folgenden Situationen kommen in der Praxis am häufigsten vor.

Hochgeschwindigkeitsbetrieb

Wenn sich der dn-Wert (Bohrungsdurchmesser in Millimetern multipliziert mit der Wellendrehzahl in U/min) dem Hochgeschwindigkeitsbereich nähert, können Zentrifugalkräfte die Wälzkörper von der Außenlaufbahn abheben und zum Schleudern führen. Die axiale Vorspannung hält die Kugeln in ständigem Kontakt mit beiden Laufbahnen und verhindert so ein Schleudern und die dadurch entstehende Hitze. Für den Betrieb von Hochgeschwindigkeitsmotoren Hochgeschwindigkeitslager in Motorqualität werden mit einer strengeren geometrischen Kontrolle gebaut, aber die Installationsmethode muss dennoch zur Geschwindigkeit passen. In diesem Bereich ist eine leichte axiale Vorspannung eine übliche und akzeptierte technische Praxis.

Leichte Radiallast bei hoher Geschwindigkeit

Wenn die Radiallast sehr gering ist, typischerweise unter etwa 1 bis 2 Prozent der dynamischen Tragzahl des Lagers, rollen die Wälzkörper möglicherweise nicht zuverlässig und gleiten stattdessen innerhalb der Laufbahnen. Dieses Schleudern führt zu Verschleiß und erhöhter Temperatur. Eine leichte Vorspannung erzeugt eine stabile Kontaktkraft zwischen Kugeln und Laufbahnen. Deshalb Miniatur-Rillenkugellager Die in kleinen Instrumenten und leichten Motoren eingesetzten Motoren werden häufig mit Federn vorgespannt, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit laufen.

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Wechsel- oder Stoßbelastungen

Wenn sich die Richtung oder Größe der Last häufig ändert, führt das Lagerspiel zu einem kurzen Kontaktverlust, gefolgt von einem Stoß, wenn die Last zurückkehrt. Durch die Vorspannung wird dieses Spiel beseitigt, sodass die Wälzkörper auch bei Lastumkehr in Kontakt bleiben, wodurch Aufprallgeräusche und mechanische Ermüdung reduziert werden.

Strenge Lärm- oder Vibrationsgrenzwerte

Die Vorspannung absorbiert das interne Spiel und schränkt unkontrollierte Kugelbewegungen ein, wodurch die Geräuschentwicklung des Lagers verringert wird. Bei Anwendungen mit engen Geräusch- oder Vibrationsgrenzen läuft ein leicht vorgespanntes Lager leiser als das gleiche Lager im lockeren Betrieb. Für einen konstant leisen Betrieb, geräuscharme Rillenlager Fügen Sie zusätzlich zu der Vorspannung, die die Anwendung erfordert, eine zusätzliche Ebene der Fertigungstoleranzkontrolle hinzu.

Hohe Steifigkeit bzw. Positioniergenauigkeit

Durch die Vorspannung wird die elastische Durchbiegungszone des Lagers komprimiert, sodass sich die Wellenposition bei wechselnden Belastungen weniger verschiebt. Werkzeugmaschinenspindeln, Positionierungstische und Messgeräte nutzen diesen Effekt, um eine stabile Wellenposition aufrechtzuerhalten.

Wenn Sie immer noch unsicher sind, gehen Sie diese Checkliste durch:

• Ist die Betriebsgeschwindigkeit gemessen am dn-Wert hoch? Wenn ja, planen Sie eine axiale Vorspannung ein.
• Liegt die Radiallast unter etwa 1 bis 2 Prozent der dynamischen Tragzahl? Wenn ja, wird eine leichte Vorspannung empfohlen.
• Ändert die Last häufig die Richtung oder weist sie Stöße auf? Wenn ja, stabilisiert die Vorspannung das Lager.
• Sind die Lärm- oder Vibrationsgrenzwerte streng? Wenn ja, kombinieren Sie die Vorspannung mit einer geräuscharmen Lagersorte.
• Ist die Belastung gleichmäßig, mäßig und überwiegend radial? Wenn ja, installieren Sie es ohne Vorladung.

So wenden Sie eine axiale Vorspannung auf Rillenkugellager an

Sobald Sie bestätigt haben, dass eine Vorspannung erforderlich ist, stellt sich als Nächstes die Frage, wie diese angewendet wird. Drei Methoden werden häufig verwendet.

Federvorspannung

Die fehlerverzeihendste Methode ist die Federvorspannung. Eine Belleville-Scheibe oder eine Schraubenfeder übt eine kontrollierte Axialkraft auf den Außenring oder den Innenring aus. Da eine Feder auch dann eine relativ konstante Kraft beibehält, wenn sich durch die Wärmeausdehnung der Abstand zwischen den Lagersitzen ändert, ist die Federvorspannung die sicherste Wahl für Rillenkugellager. Es ist auch die Standardlösung für Einzellagerkonfigurationen, bei denen ein Lager die Last trägt und die Feder die Wälzkörper einfach in Kontakt hält.

Doppellageranordnung

Bei der zweiten Methode werden zwei Rillenkugellager verwendet, die gegenüberliegend oder Rücken an Rücken montiert sind. Die Vorspannung wird durch den Breitenunterschied zwischen dem Innenring-Abstandshalter und dem Außenring-Abstandshalter eingestellt. Die bearbeiteten Distanzstücke bestimmen, wie viel Axialkraft die beiden Lager aufeinander ausüben. Diese Konfiguration führt zu einem steiferen System, erfordert jedoch eine genaue Bearbeitung der Abstandshalter und eine sorgfältige Montage.

Einstellung der Kontermutter oder der Endabdeckung

Die dritte Methode ist die starre axiale Positionierung mit einer Kontermutter oder einem Enddeckel. Das Lager wird axial verspannt, bis das Lagerspiel ausgeglichen ist. Diese Methode ist einfach, aber am wenigsten verzeihend, da die Klemmkraft schwer zu messen ist und die thermische Ausdehnung eine korrekte Vorspannung schnell in eine übermäßige umwandeln kann.

Als grober Anhaltspunkt gilt: Die axiale Vorspannung eines Rillenkugellagers liegt im Allgemeinen im Bereich von etwa 0,5 bis 2 Prozent der axialen dynamischen Tragzahl des Lagers. Der genaue Wert hängt von der Lagergröße, der Betriebsgeschwindigkeit und der für die Anwendung erforderlichen Steifigkeit ab. Betrachten Sie diesen Wert daher als Ausgangspunkt und nicht als endgültige Spezifikation. Der Lagerhersteller sollte die empfohlene Vorspannung für Ihre spezifische Aufgabe bestätigen.

Risiken einer übermäßigen Vorspannung – und wie man sie vermeidet

Das Aufbringen einer zu hohen Vorspannung ist ein häufigeres Feldproblem als das Aufbringen einer zu geringen Vorspannung. Wenn die Vorspannkraft zu hoch ist, steigt die Reibung zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen stark an und das erste sichtbare Anzeichen ist ein Anstieg der Betriebstemperatur. Eine Gehäusetemperatur, die dauerhaft mehr als etwa 30 °C über der Umgebungstemperatur liegt, ist ein Warnsignal dafür, dass die Vorspannung, die Spielklasse oder die Schmierung überprüft werden müssen.

Erhöhte Temperaturen führen zum zweiten Problem: beschleunigter Schmierstoffabbau. Wenn das Fett oder Öl seine Filmfestigkeit verliert, kommt es zu einem Metall-zu-Metall-Kontakt und der Verschleiß beschleunigt sich schnell. Gleichzeitig ist die effektive Lagerbelastung höher als die äußere Belastung, da sich die Vorspannung zum inneren Spannungszustand addiert, was die berechnete Ermüdungslebensdauer verkürzt.

Ungewöhnliches Rauschen ist ein weiteres nützliches Signal. Ein richtig vorgespanntes Lager läuft leiser als ein loses, aber eine übermäßige Vorspannung erzeugt ein höheres Jammern oder ein raues Geräusch, wenn die Wälzkörper die Laufbahnen verformen. Wenn das Geräusch nach dem Anlegen der Vorspannung zunimmt, verringern Sie zunächst die Vorspannkraft, bevor Sie andere Parameter ändern. Weitere Informationen zu den Faktoren, die lauten Lagern zugrunde liegen, finden Sie unter Kontrolle von Geräuschen und Vibrationen in Rillenkugellagern .

Es besteht auch ein Risiko auf Designebene, das es zu beachten gilt. Rillenkugellager sind nicht die ideale Wahl, wenn eine Anwendung eine häufige, präzise bidirektionale axiale Positionierung erfordert. Schrägkugellager sind speziell dafür ausgelegt, eine axiale Vorspannung aufzunehmen und eine bessere axiale Steifigkeit zu bieten. Wenn Positionierungsgenauigkeit die entscheidende Anforderung ist, überdenken Sie den Lagertyp, bevor Sie sich entscheiden, die Vorspannung eines Rillenkugellagers zu erhöhen.

So geben Sie die Vorspannungsanforderungen bei der Bestellung von Lagern an

Standard-Rillenkugellager werden ohne Vorspannung geliefert; Die Vorspannung entsteht beim Zusammenbau. Der Bestellvorgang muss weiterhin den Vorspannungsplan widerspiegeln, da die Lagerluftklasse einen direkten Einfluss darauf hat, wie viel Vorspannung im Betrieb aufgebracht werden kann.

Wählen Sie die Lagerluftklasse zusammen mit dem Vorspannungsziel. C3-Spiel ist bei Hochtemperatur- oder Hochgeschwindigkeitsbetrieb üblich, da es Spielraum für Wärmeausdehnung lässt und die axiale Vorspannung einem verringerten effektiven Spiel entgegenwirkt. Für Präzisionsanwendungen, bei denen ein minimales Innenspiel akzeptabel ist, kann C2 oder eine engere Spielklasse spezifiziert werden. Geben Sie die Luftklasse und die Vorspannkraft deutlich an, wenn Sie dem Lieferanten Ihre Anforderungen mitteilen.

Wenn die Anwendung aufeinander abgestimmte Lagerpaare mit gleichmäßiger Vorspannung benötigt, geben Sie dies in der Bestellung an. Lager, die für eine vorgespannte Paarkonfiguration vorgesehen sind, müssen mit passenden Abmessungen ausgewählt oder hergestellt werden; Es ist nicht garantiert, dass ein handelsübliches Standardpaar das gleiche Vorspannungsverhalten erzeugt.

Kundenspezifische Konfigurationen verdienen besondere Aufmerksamkeit. Nicht standardmäßige Konstruktionen wie verlängerte Innenringe, spezielle Dichtungen oder geänderte Käfigmaterialien können mit der Vorspannmethode interagieren. Durch die Absprache der Vorspannkraft und der Spielklasse bereits in der Konstruktionsphase mit dem Hersteller wird verhindert, dass das gelieferte Teil die vorgesehene Vorspannung nicht erreichen kann. Für kundenspezifische Anforderungen, kundenspezifische, nicht standardmäßige Lagerlösungen kann an die Vorspannungs- und Spielspezifikationen der Anwendung angepasst werden.

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Fazit: Vorladen ist eine bedingte Anforderung, kein Standard

Ob Rillenkugellager eine Vorspannung benötigen, hängt ganz von den Betriebsbedingungen ab. Standard-Radiallast bei mäßiger Drehzahl läuft ohne Vorspannung einwandfrei; Die Lagerluft ist Teil der Lagerkonstruktion. Hohe Geschwindigkeit, sehr geringe Last, variable Lastrichtung, strenge Geräuschgrenzwerte und hohe Steifigkeitsanforderungen rechtfertigen das Hinzufügen einer axialen Vorspannung. Wenn eine Vorspannung angewendet wird, ist ein federbasiertes System die sicherste Methode, und die Vorspannkraft sollte konservativ gehalten werden, da eine übermäßige Vorspannung zu Hitze, Lärm und einer verkürzten Lagerlebensdauer führt.

Überprüfen Sie Ihre Anwendung anhand der in Tabelle 1 aufgeführten Bedingungen. Wenn eine dieser Bedingungen zutrifft, planen Sie bei der Bestellung der Lager die Vorspannung zusammen mit der Spielklasse ein. Wenn keine davon zutrifft, bauen Sie das Lager genau so ein, wie es für den Betrieb vorgesehen ist – ohne Vorspannung.