Zweiseitig wirkende Lager – Aufbau und Anwendung
Zweiseitig wirkende Lager können axiale Kräfte in beiden Richtungen aufnehmen. Sie führen eine Welle entlang ihrer Längsachse und verhindern axiale Verschiebungen sowohl in positiver als auch in negativer Achsrichtung.
Die fachlich genauere Bezeichnung lautet zweiseitig wirkendes Axiallager. In technischen Unterlagen werden diese Lager auch als doppelt wirkende Axiallager oder Double-Direction-Thrust-Bearings bezeichnet.
Zweiseitig wirkende Lager kommen zum Einsatz, wenn die Richtung einer Axialkraft während des Betriebs wechseln kann. Typische Ursachen sind wechselnde Vorschubbewegungen, Drehrichtungswechsel, umkehrende Prozesskräfte oder eine beidseitige axiale Führung der Welle.
Was bedeutet zweiseitig wirkend?
„Zweiseitig wirkend“ beschreibt die beiden axialen Belastungsrichtungen, die das Lager aufnehmen kann.
Eine Axialkraft wirkt parallel zur Rotations- oder Längsachse eines Bauteils. In einem Koordinatensystem kann sie beispielsweise in positiver oder negativer X-Richtung auftreten.
Ein zweiseitig wirkendes Lager stützt beide Richtungen ab:
- Axialkraft in positiver Achsrichtung,
- Axialkraft in negativer Achsrichtung.
Dadurch kann die Welle beidseitig axial geführt werden. Ein zusätzliches Gegenlager für die entgegengesetzte Axialrichtung ist bei einer richtig ausgelegten zweiseitigen Lagerung grundsätzlich nicht erforderlich.
Aufbau eines zweiseitig wirkenden Axialkugellagers
Ein zweiseitig wirkendes Axialkugellager besteht üblicherweise aus:
- einer mittleren Wellenscheibe,
- zwei Gehäusescheiben,
- zwei Kugelkränzen mit Käfig.
Die mittlere Wellenscheibe wird auf der Welle befestigt und besitzt auf beiden Seiten eine Laufbahn. Jeweils ein Kugelkranz befindet sich zwischen der Wellenscheibe und einer der beiden Gehäusescheiben.
Die Kugelkränze sind entgegengesetzt angeordnet. Der eine Kugelkranz überträgt die Axialkraft in der ersten Richtung, der zweite die Kraft in der Gegenrichtung.
Zweiseitig wirkende Axialkugellager sind häufig nicht selbsthaltend. Wellenscheibe, Gehäusescheiben und Kugelkränze können getrennt montiert werden. Die korrekte Anordnung aller Bestandteile ist deshalb besonders wichtig.
Kraftübertragung in beiden Richtungen
Wirkt die Axialkraft in eine Richtung, wird nur eine Seite des Lagers belastet. Der entsprechende Kugelkranz überträgt die Kraft von der Wellenscheibe auf die zugehörige Gehäusescheibe.
Wechselt die Belastungsrichtung, übernimmt der gegenüberliegende Kugelkranz die Kraftübertragung.
Die Kraftübertragung erfolgt somit abhängig von der Richtung über:
- die mittlere Wellenscheibe,
- den belasteten Kugelkranz,
- die entsprechende Gehäusescheibe,
- die Anschlussfläche des Maschinengehäuses.
Beide Gehäusescheiben benötigen stabile und möglichst rechtwinklig zur Wellenachse ausgeführte Anlageflächen.
Unterschied zu einseitig wirkenden Lagern
Einseitig wirkende Lager können Axialkräfte nur in einer Richtung aufnehmen. Für die entgegengesetzte Richtung ist eine zusätzliche Lagerung erforderlich.
Zweiseitig wirkende Lager vereinen beide Belastungsrichtungen in einer Lagerbaugruppe.
| Merkmal | Einseitig wirkendes Lager | Zweiseitig wirkendes Lager |
|---|---|---|
| Axiale Belastungsrichtung | eine Richtung | beide Richtungen |
| Wellenscheiben | eine | eine mittlere Wellenscheibe |
| Gehäusescheiben | eine | zwei |
| Kugelkränze | einer | zwei |
| Axiale Führung | einseitig | beidseitig |
| Gegenlager erforderlich | bei Richtungswechsel ja | normalerweise nicht |
Alternativ können zwei einseitig wirkende Lager entgegengesetzt angeordnet werden. Diese Konstruktion ist jedoch nicht automatisch mit einem zweiseitig wirkenden Axiallager gleichzusetzen. Einbauraum, Vorspannung, Passungen und Anschlussflächen müssen konstruktiv berücksichtigt werden.
Zweiseitig wirkende Axialkugellager
Zweiseitig wirkende Axialkugellager eignen sich zur Aufnahme axialer Kräfte in beiden Richtungen. Sie ermöglichen eine reibungsarme Kraftübertragung und eine definierte axiale Führung der Welle.
Typische Baureihen sind unter anderem:
- 52200,
- 52300,
Die unterschiedlichen Baureihen unterscheiden sich in ihren Abmessungen, Tragzahlen und konstruktiven Eigenschaften.
Die Lagerauswahl darf nicht allein anhand des Wellendurchmessers erfolgen. Zusätzlich müssen Belastung, Drehzahl, Lebensdauer, Einbauraum, Schmierung und Anschlusskonstruktion berücksichtigt werden.
Können zweiseitig wirkende Axiallager Radialkräfte aufnehmen?
Reine zweiseitig wirkende Axiallager sind nicht zur Aufnahme nennenswerter radialer Kräfte bestimmt. Eine Radialkraft wirkt senkrecht zur Wellenachse und muss durch eine separate Radiallagerung aufgenommen werden.
Eine typische Lageranordnung kann daher aus folgenden Komponenten bestehen:
- einem Radiallager zur radialen Führung,
- einem zweiseitig wirkenden Axiallager zur axialen Führung.
Alternativ können Lager verwendet werden, die kombinierte radiale und axiale Belastungen aufnehmen. Dazu gehören beispielsweise:
- Schrägkugellager,
- Kegelrollenlager,
- Pendelrollenlager,
- kombinierte Axial-Radial-Lager,
- spezielle Lager für Kugelgewindetriebe.
Die geeignete Lösung hängt von Belastung, Drehzahl, Präzision, Steifigkeit und vorhandenem Bauraum ab.
Zweiseitig wirkende Schrägkugellager
Neben reinen Axialkugellagern existieren Lagerbauarten, die radiale und axiale Kräfte in beiden Richtungen aufnehmen können.
Ein zweireihiges Schrägkugellager besitzt zwei gegeneinander angeordnete Kugelreihen. Es kann radiale Belastungen sowie axiale Kräfte in beiden Richtungen aufnehmen.
Auch zwei einreihige Schrägkugellager können paarweise angeordnet werden. Häufige Anordnungen sind:
- O-Anordnung,
- X-Anordnung,
- Tandem-Anordnung.
Eine O- oder X-Anordnung kann Axialkräfte in beiden Richtungen aufnehmen. Die O-Anordnung besitzt üblicherweise eine größere Stützweite und eine höhere Momentsteifigkeit. Die X-Anordnung reagiert weniger empfindlich auf bestimmte Fluchtungsabweichungen, besitzt aber eine kleinere Stützweite.
Die Tandem-Anordnung erhöht dagegen die axiale Tragfähigkeit hauptsächlich in einer gemeinsamen Belastungsrichtung und ist deshalb allein nicht zweiseitig wirkend.
Typische Anwendungen
Zweiseitig wirkende Lager werden überall dort eingesetzt, wo axiale Kräfte wechselnd oder aus beiden Richtungen auftreten.
Typische Anwendungen sind:
- Werkzeugmaschinen,
- Gewindespindeln,
- Kugelgewindetriebe,
- Drehtische,
- Getriebe,
- Pumpen,
- Ventiltriebe,
- Positioniereinrichtungen,
- Vorschubachsen,
- Prüfmaschinen,
- Spannvorrichtungen,
- Förderanlagen,
- Montageautomaten,
- Sondermaschinen.
Bei der konkreten Auslegung muss geprüft werden, ob zusätzlich radiale Kräfte oder Kippmomente auftreten.
Zweiseitig wirkende Lager in CNC-Maschinen
CNC-Achsen bewegen sich üblicherweise in beide Richtungen. Beim Beschleunigen, Abbremsen und während der Bearbeitung können daher wechselnde axiale Kräfte entstehen.
An Kugelgewindetrieben wird die Drehbewegung des Servomotors in eine lineare Bewegung umgewandelt. Die dadurch entstehenden Vorschubkräfte wirken axial entlang der Spindel.
Für eine präzise Positionierung muss die Spindel in beiden Richtungen axial geführt werden. Bereits geringes Axialspiel kann sich auf folgende Eigenschaften auswirken:
- Positioniergenauigkeit,
- Wiederholgenauigkeit,
- Oberflächenqualität,
- Regelverhalten,
- Steifigkeit der Maschinenachse.
In hochpräzisen CNC-Achsen werden deshalb häufig vorgespannte Schrägkugellagerpaare oder spezielle Axial-Schrägkugellager für Kugelgewindetriebe eingesetzt. Diese können Axialkräfte in beiden Richtungen aufnehmen und ermöglichen eine hohe axiale Steifigkeit.
Hinweise zur Montage
Vor der Montage müssen alle Lagerbestandteile und Anschlussflächen sauber, trocken und frei von Beschädigungen sein.
Besonders wichtig sind:
- korrekte Reihenfolge der Lagerbestandteile,
- richtige Zuordnung der Wellenscheibe,
- richtige Einbaulage beider Gehäusescheiben,
- ebene Anlageflächen,
- Rechtwinkligkeit zur Wellenachse,
- fluchtende Montage,
- geeignete Passungen,
- ausreichende Gehäusesteifigkeit,
- passende Schmierung.
Werden die Gehäusescheiben nicht ausreichend abgestützt, kann das Lager seine Axialkräfte nicht korrekt in das Gehäuse übertragen.
Die Montagekräfte dürfen nicht über Kugeln, Rollen oder Käfig geleitet werden. Harte Schläge auf die Lagerbestandteile können Laufbahnen und Wälzkörper beschädigen.
Axialspiel und Vorspannung
Das Axialspiel beschreibt die mögliche axiale Verschiebung der Welle innerhalb der Lagerung.
Zu großes Axialspiel kann verursachen:
- Positionierfehler,
- Stoßbelastungen bei Richtungswechseln,
- Geräusche,
- Schwingungen,
- unruhigen Maschinenlauf.
Eine definierte Vorspannung kann das Spiel reduzieren und die axiale Steifigkeit erhöhen. Eine zu hohe Vorspannung führt jedoch zu zusätzlicher Reibung, Erwärmung und einer möglichen Verringerung der Lagerlebensdauer.
Ob und in welcher Höhe eine Vorspannung zulässig ist, hängt von der Lagerbauart und den Herstellervorgaben ab. Einfache zweiseitig wirkende Axialkugellager dürfen nicht ohne entsprechende technische Grundlage beliebig vorgespannt werden.
Schmierung und Wartung
Die Schmierung reduziert Reibung und Verschleiß zwischen Wälzkörpern, Laufbahnen und Käfig.
Je nach Anwendung kommen infrage:
- Fettschmierung,
- Ölschmierung,
- Zentralschmierung,
- Umlaufölschmierung.
Die Schmierstoffauswahl hängt von Drehzahl, Belastung, Temperatur, Einbaulage und Umgebungsbedingungen ab.
Während des Betriebs sollte die Lagerstelle regelmäßig kontrolliert werden. Warnzeichen sind:
- ungewöhnliche Laufgeräusche,
- erhöhte Temperatur,
- Schwingungen,
- zunehmendes Axialspiel,
- Schmierstoffaustritt,
- Verunreinigungen,
- sichtbare Laufbahnschäden.
Auswahl eines geeigneten Lagers
Für eine fachgerechte Auswahl werden mindestens folgende Informationen benötigt:
- Axialkraft in beiden Richtungen,
- radiale Zusatzbelastung,
- statische und dynamische Lasten,
- Drehzahl,
- gewünschte Lebensdauer,
- Wellendurchmesser,
- Einbauraum,
- zulässiges Axialspiel,
- erforderliche Steifigkeit,
- Schmierungsart,
- Betriebstemperatur,
- Umgebungsbedingungen,
- Stöße und Schwingungen.
Die Belastungen in beiden Richtungen müssen getrennt betrachtet werden. Es darf nicht automatisch davon ausgegangen werden, dass beide Lagerseiten gleich stark belastbar sind, sofern Konstruktion oder Herstellerangaben Unterschiede vorsehen.
Zusammenfassung
Zweiseitig wirkende Lager nehmen axiale Kräfte in beiden Richtungen auf und führen eine Welle beidseitig entlang ihrer Achse.
Ein zweiseitig wirkendes Axialkugellager besteht typischerweise aus einer mittleren Wellenscheibe, zwei Gehäusescheiben und zwei Kugelkränzen. Abhängig von der Belastungsrichtung ist jeweils eine Lagerseite aktiv.
Reine Axiallager können keine nennenswerten radialen Kräfte aufnehmen. Treten kombinierte Belastungen auf, sind zusätzliche Radiallager oder geeignete Kombinationslager erforderlich.
Für eine zuverlässige Funktion müssen Belastungsrichtung, Tragfähigkeit, Drehzahl, Axialspiel, Schmierung, Montage und Anschlusskonstruktion gemeinsam betrachtet werden.