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Kugellager vs. Rollenlager, welches?
Lager sind kritische Komponenten in fast allen Maschinen. Sie sorgen für einen reibungslosen Betrieb, indem sie die Reibung zwischen beweglichen Teilen verringern. Es gibt viele Lagertypen (der Legende nach gibt es 470,000 Typen), die jeweils für unterschiedliche Belastungsbedingungen ausgelegt sind. Dieser Artikel konzentriert sich auf die beiden Haupttypen: Kugellager und Rollenlager. Basierend auf langjähriger Erfahrung in der Herstellung von Lagern erklärt Aubearing ihre unterschiedlichen Konstruktionen, vergleicht sie und gibt konstruktive Ratschläge zur Auswahl zwischen ihnen.
Beide Kugellager und Rollenlager werden in einer Vielzahl von Maschinen mit rotierenden Teilen eingesetzt. Ihre Eigenschaften tragen oft wesentlich zum technologischen und wirtschaftlichen Fortschritt in verschiedenen Bereichen der Technik bei. Die Standardisierung von Lagern ermöglicht es, eine Ausführung direkt aus der Lagertabelle im Lagerkatalog des Herstellers auszuwählen. Lagerhersteller wie SKF, NTN, Timken, FAG, Schaeffler, Aulagerusw. sind natürliche Quellen für Auswahlinformationen. Meistens kann ein Designer Lagerprodukte für seinen Entwurf direkt aus dem Katalog auswählen. Die Wahl eines beliebten und weit verbreiteten Entwurfs trägt zur optimalen Benutzerfreundlichkeit bei und bietet die wirtschaftlichste Lösung.
Industrielle Kugellager werden in einer Vielzahl von Maschinen und Fertigungsanlagen verwendet, um eine gleichmäßige, effiziente Drehbewegung zu erzielen. Das Lager selbst besteht aus einem Außenring, einem Innenring, einem Satz Stahlkugeln und einem Käfig, der die Kugeln gleichmäßig verteilt. Sowohl der Außen- als auch der Innenring bestehen normalerweise aus extrem haltbaren Materialien wie Stahl oder Keramik und sind so konstruiert, dass sie hohen Geschwindigkeiten und schweren Lasten standhalten. Stahlkugeln im Lager sorgen für reibungsarme Kontaktpunkte zwischen dem Innen- und dem Außenring, wodurch Bewegungen mit minimalem Widerstand möglich sind und der Energieverlust durch Reibung verringert wird. Der Lagerkäfig dient dazu, die richtige Positionierung der Kugeln beizubehalten, ihre Berührung miteinander zu verhindern und eine gleichmäßige Lastverteilung zu gewährleisten. Rollbewegungen unterliegen axialen und radialen Belastungen. Kugellager werden häufig in Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Elektromotoren und Getrieben verwendet. Weitere Informationen finden Sie in unserem Übersichtsartikel zu Kugellagern.
Kugellagertyp
Es gibt zwei grundlegende Arten von Kugellagern: einreihige und zweireihige. Am beliebtesten sind einreihige Rillenkugellager, die aus einer Reihe von Kugeln bestehen, die in einer einzigen Rillenbahn laufen. Zweireihige Kugellager bestehen aus zwei Kugelreihen in zwei Sätzen von Rillenlaufbahnen. Sowohl einreihige als auch zweireihige Kugellager bestehen aus Innenringen, Außenringen, Kugeln und Käfigen. Beide Lagerarten können hohe radiale und axiale Belastungen bewältigen. Rillenkugellager sind sowohl für Anwendungen mit niedriger als auch mit hoher Geschwindigkeit erhältlich, je nach Toleranzklasse, Schmierung, Lagerluft und Art der gewählten Dichtung oder Schutzvorrichtung. Die folgende Liste beschreibt die verschiedenen Kugellagerarten, jede mit einzigartigen Eigenschaften und spezifischen Einsatzmöglichkeiten. Diese Lager sind für zahlreiche Anwendungen von entscheidender Bedeutung, darunter Präzisionsinstrumente, Mikromotoren, Getriebe und Radnaben.
Rillenkugellager: Rillenkugellager sind der gebräuchlichste Typ. Sie können radialen und axialen Belastungen standhalten.
Schrägkugellager: Schrägkugellager haben ein überdurchschnittliches axiales Innenspiel. Sie können axiale Belastungen in einer Richtung und mäßige radiale Belastungen aufnehmen.
Pendelkugellager: Selbstausrichtende Kugellager können Ausrichtungsfehler ausgleichen. Sie können radialen Belastungen standhalten, können aber minimalen axialen Belastungen standhalten.
Axialkugellager: Axial-Rillenkugellager sind für hohe Axiallasten und vernachlässigbare Radiallasten ausgelegt.
Miniaturkugellager: Miniaturkugellager eignen sich für Präzisionsinstrumentenanwendungen mit begrenztem Platz, wie z. B. Mikromotoren.
Zweireihige Kugellager: Doppelreihige Kugellager haben zwei Kugelreihen und können höheren Belastungen standhalten.
Vorteile von Kugellagern
Niedriger Reibungskoeffizient: Der Hauptvorteil einer großen Kontaktfläche besteht darin, dass das Kugellager aufgrund der Bewegung der inneren und äußeren Laufbahnen viel weniger Reibung erfährt. Dies bedeutet, dass die Drehung des Teils sehr reibungslos verläuft. Ebenso müssen wir uns nur einen Fidget Spinner ansehen, um zu verstehen, wie gut Kugellager mit Drehbewegungen umgehen können. Daher sind Kugellager die Lösung der Wahl in Anwendungen, bei denen Geschwindigkeit und einfache Bedienung im Vordergrund stehen.
Hält Radial- und Axialbelastungen stand: Ein weiteres einzigartiges Merkmal von Kugellagern ist, dass sie sich um mehrere Achsen drehen können. Das bedeutet, dass sie nicht nur auf radiale Belastungen, sondern auch auf Axialbelastungen reagieren. Wie sich ein Kugellager dreht, hängt vom Winkel der Axialbelastung ab. Die Vielseitigkeit von Kugellagern macht sie zu einer ausgezeichneten Wahl für Geräte, die nicht an strenge Standards gewöhnt sind, wie z. B. Spielzeug oder andere Gegenstände im Haushalt.
Kompaktes Design: Sie benötigen weniger Platz und können in kleineren Betrieben eingesetzt werden.
Vielseitigkeit: Geeignet für radiale und axiale (Schub-)Lasten.
Geringer Wartungsaufwand: Sie haben eine lange Lebensdauer bei Anwendungen mit geringer Axiallast und erfordern weniger Wartung.
Nachteile von Kugellagern
Unfähigkeit, schweres Gewicht zu tragen: Obwohl Kugellager eine kleinere Kontaktfläche mit der Last haben und daher viel weniger Belastung ausgesetzt sind, bedeutet dies auch, dass die Last konzentriert wird. In extremen Fällen kann dies dazu führen, dass sich die Kugellager verformen, was zu einem vollständigen Ausfall führt. Daher werden Kugellager normalerweise nur bei Anwendungen mit geringerer Last verwendet. Für Geräte in Industriequalität werden Rollenlager bevorzugt. Ein Kugellagertyp, ein sogenanntes vollrolliges Kugellager, füllt den Raum zwischen den inneren und äußeren Laufbahnen mit so vielen Kugeln wie möglich. Dieser Lagertyp kann höhere Lasten bewältigen, indem er die Last auf die Kugeln verteilt. Vollrollige Kugellager sind jedoch aufgrund des häufigen Kontakts zwischen benachbarten Kugeln auch verschleißanfällig.
Langlebigkeit: Kann sich bei übermäßiger Belastung verformen, was zu einer Verkürzung der Lagerlebensdauer führt.
Sensitivität: anfällig für Fehlausrichtung und Stoßbelastungen.
Rollenlager haben zylindrische oder konische Wälzkörper. Dieser Lagertyp ist aufgrund der größeren Kontaktfläche zwischen Rollen und Laufbahnen für die Aufnahme hoher radialer Lasten ausgelegt.
Rollenlagertyp
Die folgende Liste beschreibt die verschiedenen Wälzlagertypen mit unterschiedlichen Eigenschaften und spezifischen Anwendungen. Diese Lager spielen in verschiedenen Szenarien eine wichtige Rolle, beispielsweise bei Fahrzeugrädern, schweren Maschinen und Anwendungen, die eine hohe Tragfähigkeit erfordern. Lesen Sie unseren Übersichtsartikel zu Wälzlagern, um mehr zu erfahren.
Zylinderrollenlager: Zylinderrollenlager haben Zylinderrollen, die über ihre Länge gleichmäßig bemessen sind. Diese Lager sind für die Aufnahme schwerer radialer Lasten geeignet und können bei hohen Drehzahlen betrieben werden. Zylinderrollenlager werden zwischen Borden am Innen- oder Außenring geführt. Auch wenn die freien Ringe entfernt sind, werden sie mit den Führungsringen durch den Käfig zusammengehalten. Beim gebräuchlichsten Zylinderrollenlagertyp hat der freie Ring keinen Bord, so dass die Lagerringe innerhalb gewisser Grenzen axial gegeneinander verschoben werden können. Wenn sich das Lager dreht, erfolgt diese Verschiebung ohne Widerstand, vorausgesetzt, die Verschiebungsgeschwindigkeit ist relativ langsam (z. B. Verschiebung aufgrund der Wärmeausdehnung der Welle). Die geringe Reibung von Zylinderrollenlagern macht sie für relativ hohe Drehzahlen geeignet, und sie werden oft in Verbindung mit Hochgeschwindigkeits-Schrägkugellagern in Hochgeschwindigkeits-Maschinenspindeln verwendet.
Kegelrollenlager: Kegelrollenlager verfügen über konische Rollen und Laufbahnen, was sie ideal für Fahrzeugnaben und andere Anwendungen mit hoher Belastung macht. Kegelrollenlager sind die am häufigsten verwendeten Rollenlager. Sie können großen axialen und radialen Kräften standhalten. Kegelrollenlager bestehen aus einem Außenring und einem Innenring, während Kugellager aus einem Außenring und einem Innenring bestehen. Kegelrollen können in Patronen montiert werden, aber in ihrer einfachsten Form sind sie zwei separate Komponenten, während Kugellager trennbar sein können, was normalerweise eine in sich geschlossene Einheit darstellt.
Kegelrollenlager verwenden gerade Kegelrollen, deren Stirnflächen den Führungsflansch des Innenrings berühren. Der Rollenkegel und die Rollenbahn des Innenrings haben einen gemeinsamen Scheitelpunkt auf der Lagerachse. Der Außenring ist mit einer leicht gekrümmten Mantellinie der Rollenbahn versehen, um eine Kantenbelastung der Rollen zu vermeiden. Obwohl der Abstand zwischen den Rollen und dem Außenring verringert ist, ist die Belastung des Außenrings geringer als die des Innenrings. Der Führungsflansch des Innenrings hat eine sphärische Oberfläche, gegen die die Kugelenden der Rollen drücken. Wie bei Pendellagern werden die Rollen durch den Druck auf den Flansch effektiv geführt. Einige Hersteller wie Timken, FAG, NTN und SKF machen die Stirnflächen der Rollen flach und die Führungsflächen des Flansches kegelförmig. Die Rollenenden berühren den Rollenflansch dann nur an zwei Punkten.
Da Kegelrollenlager trennbar sind, werden sie normalerweise gegenüberliegend montiert, sodass sich ein Lager an das andere anpassen kann. Nach der Anpassung bleibt immer ein bestimmter, sehr kleiner Spalt im Lager. Temperaturänderungen in der Welle beeinflussen diese Anpassung und damit das Lagerspiel. Daher werden einreihige Kegelrollenlager normalerweise nur verwendet, wenn der Abstand kurz ist. Kegelrollenlager haben eine hohe radiale Tragfähigkeit sowie eine axiale Tragfähigkeit in einer Richtung. Die Schubfähigkeit hängt vom Winkel der Rollen ab. Als Maß für diesen Winkel (Kontaktwinkel) beträgt er normalerweise 12 bis 16 Grad. Einige Hochleistungs-Kegelrollenlager haben Kontaktwinkel von 28 bis 30 Grad.
In vielen Anwendungen werden Kegelrollenlager in Rücken-an-Rücken-Paaren verwendet, um axiale Kräfte in beide Richtungen gleichmäßig aufzunehmen. Kegelrollenlager werden häufig in Radlagern von Kraftfahrzeugen verwendet, um radiale und axiale Lasten aufzunehmen. Kegelrollenlager werden häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt. In vielen verschiedenen Branchen, darunter Landwirtschafts-, Bau- und Bergbaumaschinen, Achssysteme, Getriebe, Motoren und Untersetzungsgetriebe, Antriebswellen, Eisenbahn-Achslager, Differentiale, Windturbinen und alle Arten von Anhängern.
Pendelrollenlager: Pendelrollenlager verfügen über eine automatische Selbstausrichtungsfunktion und können hohen radialen und axialen Belastungen standhalten. Sie sind ideal für Anwendungen mit Fehlausrichtung oder Wellendurchbiegung.
Nadellager: Nadellager haben dünne, lange Rollen und eignen sich für Anwendungen, bei denen der radiale Platz begrenzt ist, aber eine hohe Tragfähigkeit erforderlich ist.
Axiallager: Axialrollenlager können großen axialen Belastungen standhalten und werden häufig in schweren Maschinen wie Bohranlagen und Extrudern verwendet.
Vorteile von Wälzlagern
Große Lasten tragen: Die große Kontaktfläche von Wälzlagern ermöglicht es ihnen, größeren Belastungen standzuhalten, ohne sich zu verformen oder zu versagen. Dies macht Wälzlager zu einer ausgezeichneten Wahl für Industrieanlagen, die schwere Lasten tragen müssen, oder für andere Anwendungen, bei denen es wenig Spielraum für Ausfälle gibt.
Variantendesigns: Im Gegensatz zu Kugellagern kann die Geometrie der Rollen je nach Betriebsart variieren. Standard-Zylinderrollen sind für rein radiale Belastungen ausgelegt und bieten eine höhere Tragfähigkeit auf Kosten der Fähigkeit, Axiallasten aufzunehmen.
Nadellager sind eine leichte Variante der Zylinderrollen mit einem viel kleineren Durchmesser. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen der radiale Raum klein ist. Nadelrollen bieten ebenfalls eine große Kontaktfläche, erzeugen jedoch aufgrund ihrer hohen Rotationsgeschwindigkeit viel Reibung und Vibration. Daher können sie nur in Geräten eingesetzt werden, die mit niedriger Geschwindigkeit arbeiten und großen Vibrationen standhalten können.
Kegelrollenlager sind an einem Ende konisch und nicht durchgehend ein gerader Zylinder. Dadurch können die Rollenlager begrenzte Axiallasten aushalten. Das Verhältnis von Radiallast zu Axiallast, das eine Kegelrolle aushalten kann, wird durch den Winkel der Rolle bestimmt. Bis zu 30 Grad sind akzeptabel, aber die meisten Kegelrollen haben Winkel zwischen 10 und 16 Grad.
Langlebigkeit: Robust und langlebig, hält es schwereren Belastungen ohne Verformung stand.
Weniger sensitiv: widerstandsfähiger gegen Stoßbelastungen und Fluchtungsfehler als Kugellager.
Nachteile von Wälzlagern
Eingeschränkte Fähigkeit, Axiallasten zu bewältigen: Obwohl die Möglichkeit besteht, konische Versionen zu verwenden, bleibt die Tatsache bestehen, dass Rollenlager nicht in erster Linie für Axiallasten ausgelegt sind. Daher ist die von Rollenlagern zugelassene Bewegung eingeschränkt. Dies reduziert die Vielseitigkeit von Rollenlagern, was erklärt, warum sie in häuslichen Umgebungen weniger sichtbar sind.
anfällig für Fehlausrichtung: Lager aller Art, egal ob Kugel- oder Rollenlager, weisen ein geringes Spiel zwischen den Lagerelementen und den Laufbahnen auf. Dieses interne Spiel ermöglicht den Lagerelementen eine reibungslose Bewegung entlang der Laufbahn. Dies macht es jedoch auch möglich, dass die Lagerelemente von ihrer ursprünglichen Position abweichen. Kugellager sind tolerant gegenüber Winkelfehlstellungen. Dies gilt insbesondere für Rollenlager. Während Kugellager Fehlstellungen bis zu 0.004 Zoll aushalten, können Zylinderrollenlager bereits bei Fehlstellungen über 0.001 Zoll Schwierigkeiten beim Drehen haben. Dies bedeutet, dass Rollenlager mit größerer Präzision konstruiert werden müssen, was ihre Herstellung schwierig und teuer macht.
Produktgröße: Normalerweise größer und erfordern mechanischen Platz.
Wartung: Aufgrund der erhöhten Reibung kann insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen eine häufige Wartung erforderlich sein.
Der Unterschied zwischen Kugellagern und Rollenlagern
Sowohl Kugellager als auch Rollenlager sind darauf ausgelegt, die Rotationsreibung zu verringern und gleichzeitig radiale und axiale Belastungen zu tragen. Der grundlegende Unterschied zwischen Rollenlagern und Kugellagern liegt in ihrer Grundkonstruktion. Der Hauptunterschied zwischen Rollenlagern und Kugellagern besteht darin, dass das Wälzelement eine Rolle oder eine Kugel ist. Beim Vergleich von Kugellagern und Rollenlagern spielen mehrere Faktoren eine Rolle.
Aufgrund ihres geringeren Reibungskoeffizienten sind Kugellager im Allgemeinen für Anwendungen geeignet, die einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordern.
Rollenlager haben eine große Kontaktfläche und sind ideal für Anwendungen mit hoher radialer Belastung.
Aufgrund der geringeren Kontaktfläche ist die Tragfähigkeit von Kugellagern geringer als die von Rollenlagern.
Kugellager verformen sich unter Belastung weniger und sind daher für Präzisionsanwendungen geeignet.
Auswahlkriterium
Die Auswahl des richtigen Lagers für eine bestimmte Anwendung ist entscheidend für optimale Leistung und Lebensdauer. Die Auswahlkriterien basieren hauptsächlich auf den folgenden zwei Kriterien:
Ladungsart und Kapazität: Lager müssen bestimmten Belastungen standhalten können, egal ob radial, axial oder einer Kombination aus Belastungen. Rollenlager werden typischerweise für hohe radiale Belastungen verwendet, während Kugellager für geringere Belastungen verwendet werden.
Geschwindigkeitsanforderung: Die Laufgeschwindigkeit der Anwendung spielt eine wichtige Rolle. Kugellager sind aufgrund ihres geringen Reibungswiderstands die erste Wahl für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Kugellager sind im Allgemeinen besser für Anwendungen geeignet, die eine Hochgeschwindigkeitsrotation erfordern. Sie haben beim Anlaufen und im Betrieb einen niedrigeren Reibungskoeffizienten, was bedeutet, dass sie höhere Geschwindigkeiten mit weniger Widerstand erreichen können.
Rollenlager hingegen sind besser für Anwendungen geeignet, die höhere Tragfähigkeiten erfordern. Dies liegt daran, dass Linienkontakt (im Gegensatz zu Punktkontakt bei Kugellagern) eine breite Verteilung der Last auf das Lager ermöglicht. In Bezug auf die Effizienz haben Kugellager tendenziell einen leichten Vorteil bei der Minimierung der Reibung bei hohen Geschwindigkeiten. Aufgrund ihrer Konstruktion können Rollenlager jedoch größere Lasten effizient bewältigen.
Fazit
Lager werden seit Jahrzehnten verwendet und sind zweifellos eine der wichtigsten technischen Komponenten in industriellen, gewerblichen und häuslichen Umgebungen. Sie sorgen für eine gleichmäßige und konstante Drehbewegung und verhindern Verschleiß durch Reibung. Kugellager und verschiedene Arten von Rollenlagern sind alles, was man braucht, um eine lösbare Verbindung zwischen Komponenten herzustellen, die sich entlang einer beliebigen Achse drehen müssen.