Einseitig wirkende Lager

Einseitig wirkende Lager – Aufbau und Anwendung

Einseitig wirkende Lager nehmen axiale Kräfte in einer festgelegten Richtung auf. Der Begriff wird hauptsächlich für Axiallager verwendet, die eine Welle auf einer Seite abstützen und Belastungen entlang der Wellenachse übertragen.

Die fachlich genaue Bezeichnung lautet deshalb einseitig wirkendes Axiallager. In technischen Unterlagen werden diese Lager auch als einfach wirkende Axiallager oder Single-Direction-Thrust-Bearings bezeichnet.

Wirkt die Axialkraft in die entgegengesetzte Richtung, kann ein einzelnes einseitig wirkendes Lager diese Belastung nicht aufnehmen. Für wechselnde Belastungsrichtungen wird ein zweites, entgegengesetzt angeordnetes Lager oder ein zweiseitig wirkendes Axiallager benötigt.

Was bedeutet einseitig wirkend?

„Einseitig wirkend“ beschreibt nicht die räumliche Lage des Lagers, sondern die zulässige Richtung der Kraftübertragung.

Die axiale Belastung wirkt parallel zur Dreh- oder Längsachse der Welle. Das Lager stützt diese Kraft in einer Richtung zwischen Welle und Gehäuse ab.

Ein einseitig wirkendes Lager kann beispielsweise eine Kraft aufnehmen, die eine Welle nach rechts verschiebt. Wirkt dieselbe Kraft anschließend nach links, ist für diese Richtung eine zusätzliche Lagerung erforderlich.

Die Belastungsrichtung wird häufig durch einen Pfeil entlang der Wellenachse dargestellt. In Berechnungen trägt die Axialkraft üblicherweise das Formelzeichen (F_a).

Aufbau eines einseitig wirkenden Axialkugellagers

Ein einseitig wirkendes Axialkugellager besteht grundsätzlich aus:

• einer Wellenscheibe,
• einer Gehäusescheibe,
• einem Kugelkranz mit Käfig.

Die Wellenscheibe wird der rotierenden Welle zugeordnet. Sie besitzt eine zur Welle passende Bohrung und dreht sich normalerweise gemeinsam mit ihr.

Die Gehäusescheibe wird an der feststehenden Gehäusefläche abgestützt. Zwischen den beiden Scheiben befindet sich der Kugelkranz. Die Kugeln rollen in den Laufbahnen der Lagerscheiben und übertragen dabei die Axialkraft.

Viele einseitig wirkende Axialkugellager sind nicht selbsthaltend. Wellenscheibe, Gehäusescheibe und Kugelkranz können getrennt voneinander montiert und demontiert werden. Diese zerlegbare Bauform erleichtert den Einbau, erfordert aber eine korrekte Zuordnung der einzelnen Bestandteile.

Belastungsrichtung

Ein einseitig wirkendes Axiallager kann eine Welle nur in einer axialen Richtung führen. Die Kraft wird von der Wellenscheibe über die Wälzkörper auf die Gehäusescheibe und anschließend in das Maschinengehäuse übertragen.

Damit diese Kraftübertragung funktioniert, müssen beide Lagerseiten durch geeignete, ausreichend steife Anschlussflächen abgestützt werden.

Eine Belastung in der Gegenrichtung kann dazu führen, dass:

• die Lagerbestandteile voneinander abheben,
• die Welle ihre axiale Führung verliert,
• zusätzliches Axialspiel entsteht,
• der Kugelkranz nicht mehr korrekt geführt wird,
• Laufbahnen oder Käfig beschädigt werden.

Bei wechselnder Belastungsrichtung muss deshalb eine Gegenlagerung vorgesehen werden.

Unterschied zu zweiseitig wirkenden Lagern

Einseitig wirkende Lager nehmen axiale Kräfte in einer Richtung auf. Zweiseitig wirkende Axiallager können dagegen Axialkräfte in beiden Richtungen übertragen.

Ein zweiseitig wirkendes Axialkugellager besitzt üblicherweise:

• eine mittlere Wellenscheibe,
• zwei Gehäusescheiben,
• zwei Kugelkränze mit Käfig.

Die beiden Kugelkränze wirken in entgegengesetzten Richtungen. Dadurch kann die Welle beidseitig axial geführt werden.

Welche Ausführung verwendet wird, hängt von der Anwendung ab:

• konstante Axialkraft in einer Richtung: einseitig wirkendes Lager,
• wechselnde Axialkräfte: zweiseitig wirkendes Lager,
• beidseitige Führung mit getrennten Lagerstellen: zwei einseitige Lager,
• kombinierte radiale und axiale Kräfte: geeignete Kombinationslagerung.

Einseitig wirkende Axialkugellager

Axialkugellager eignen sich für vergleichsweise hohe axiale Belastungen bei niedriger Reibung. Sie sind jedoch grundsätzlich nicht zur Aufnahme nennenswerter radialer Kräfte vorgesehen.

Typische Baureihen einseitig wirkender Axialkugellager sind:

• 51100,
• 51200,
• 51300,

Die Baureihen unterscheiden sich unter anderem durch Abmessungen, Bauhöhe und Tragfähigkeit. Die konkrete Auswahl muss anhand der auftretenden Belastung, Drehzahl, Lebensdauer und Einbausituation erfolgen.

Schaeffler beschreibt einseitig wirkende Axialrillenkugellager als Lager, die hohe axiale Kräfte in einer Richtung aufnehmen und eine Welle einseitig axial abstützen können.

Weitere einseitig wirkende Axiallager

Neben Axialkugellagern existieren weitere Lagerbauarten für einseitige axiale Belastungen.

Axial-Zylinderrollenlager

Axial-Zylinderrollenlager besitzen zylindrische Wälzkörper. Aufgrund des Linienkontakts zwischen Rollen und Laufbahnen können sie höhere axiale Kräfte als vergleichbar große Axialkugellager aufnehmen.

Sie besitzen eine hohe axiale Steifigkeit, sind aber meist für geringere Drehzahlen als Kugellager ausgelegt.

Axial-Nadellager

Axial-Nadellager verwenden lange, dünne Wälzkörper. Sie ermöglichen eine geringe axiale Bauhöhe und eignen sich daher für Konstruktionen mit begrenztem Bauraum.

Die angrenzenden Bauteile können abhängig von der Ausführung als Laufbahnen dienen. Dafür müssen sie ausreichend hart, eben und genau bearbeitet sein.

Axial-Kegelrollenlager

Axial-Kegelrollenlager eignen sich für sehr hohe axiale Belastungen und besitzen eine hohe Steifigkeit. Einseitige Ausführungen nehmen Axialkräfte in einer Richtung auf.

Schaeffler nennt unter anderem hoch belastete Stellmechanismen und Walzwerksanwendungen als typische Einsatzbereiche dieser Lagerbauart.

Einreihige Schrägkugellager

Ein einreihiges Schrägkugellager kann neben radialen Kräften auch axiale Kräfte in einer Richtung aufnehmen. Für die Gegenrichtung wird normalerweise ein zweites Lager benötigt.

Schrägkugellager werden häufig paarweise in einer O-, X- oder Tandem-Anordnung eingesetzt. Dadurch lassen sich Belastungsrichtung, Steifigkeit und Vorspannung gezielt an die Anwendung anpassen.

Typische Anwendungen

Einseitig wirkende Lager kommen überall dort zum Einsatz, wo eine definierte Axialkraft überwiegend in einer Richtung auftritt.

Typische Anwendungen sind:

• senkrechte oder waagerechte Spindeln,
• Gewindetriebe,
• Stellmechanismen,
• Spannvorrichtungen,
• Drehtische,
• Pumpen,
• Getriebe,
• Werkzeugmaschinen,
• Pressen,
• Ventile,
• Drehdurchführungen,
• Kupplungen,
• Modellbau- und Sondermaschinen.

Bei einer vertikalen Welle kann beispielsweise das Eigengewicht der Welle oder eines angebauten Bauteils eine dauerhaft gerichtete Axialkraft erzeugen.

Einseitig wirkende Lager in CNC-Maschinen

In CNC-Maschinen treten axiale Kräfte unter anderem an Vorschubspindeln, Hauptspindeln und Werkzeugaufnahmen auf.

Ein Kugelgewindetrieb wandelt das Drehmoment des Servomotors in eine lineare Vorschubkraft um. Diese Axialkraft muss von der Festlagerung der Spindel aufgenommen und in das Maschinengehäuse übertragen werden.

Bei wechselnden Verfahrrichtungen ändert sich auch die Richtung der Axialkraft. Ein einzelnes einseitig wirkendes Axiallager reicht für eine solche Lagerstelle normalerweise nicht aus. Stattdessen kommen häufig vorgespannte Schrägkugellagerpaare oder spezielle Lager für Kugelgewindetriebe zum Einsatz.

Bei Anwendungen mit einer dauerhaften Hauptbelastungsrichtung kann eine einseitig wirkende Lagerung dagegen eine einfache und wirtschaftliche Lösung sein.

Können einseitig wirkende Lager Radialkräfte aufnehmen?

Reine Axiallager sind nicht für die radiale Führung einer Welle bestimmt. Eine radiale Belastung wirkt senkrecht zur Wellenachse und kann zu einer ungeeigneten Belastung der Laufbahnen und Wälzkörper führen.

Wenn in einer Konstruktion gleichzeitig axiale und radiale Kräfte auftreten, gibt es zwei grundlegende Möglichkeiten:

1. Die radialen und axialen Kräfte werden durch getrennte Lager aufgenommen.
2. Es wird ein Lager verwendet, das kombinierte Belastungen aufnehmen kann.

Für kombinierte Belastungen kommen beispielsweise Schrägkugellager, Kegelrollenlager oder kombinierte Axial-Radial-Lager infrage.

Hinweise zur richtigen Montage

Vor der Montage müssen Lager, Welle, Gehäuse und Anschlussflächen sauber und frei von Beschädigungen sein. Bereits kleine Späne oder Verunreinigungen können eine ungleichmäßige Auflage verursachen.

Besonders zu beachten sind:

• korrekte Zuordnung von Wellen- und Gehäusescheibe,
• ebene und rechtwinklige Anschlussflächen,
• ausreichende Steifigkeit der Abstützung,
• geeignete Passungen,
• fluchtende Montage,
• passende Schmierung,
• Vermeidung von Verkippung,
• Einhaltung der vorgesehenen Belastungsrichtung.

Die Wellenscheibe und die Gehäusescheibe dürfen nicht vertauscht werden. Eine falsche Montage kann zu ungeeigneten Passungsverhältnissen, erhöhter Reibung und vorzeitigem Verschleiß führen.

Montagekräfte dürfen nicht über Kugeln, Rollen oder Käfig übertragen werden. Schläge mit einem Hammer auf die Lagerbestandteile sind zu vermeiden.

Schmierung und Wartung

Die geeignete Schmierung hängt von Lagerbauart, Drehzahl, Belastung, Temperatur und Einbaulage ab.

Mögliche Schmierungsarten sind:

• Fettschmierung,
• Ölschmierung,
• Versorgung über ein zentrales Schmiersystem.

Zu wenig Schmierstoff kann Reibung, Temperatur und Verschleiß erhöhen. Eine übermäßige Schmierstoffmenge kann ebenfalls zu zusätzlicher Erwärmung führen.

Während des Betriebs sollte die Lagerstelle regelmäßig auf folgende Anzeichen kontrolliert werden:

• ungewöhnliche Geräusche,
• erhöhte Temperatur,
• Schwingungen,
• Axialspiel,
• Schmierstoffverlust,
• Verschmutzung,
• sichtbare Beschädigungen.

Auswahl eines geeigneten Lagers

Für die Auswahl eines einseitig wirkenden Lagers müssen mindestens folgende Betriebsdaten bekannt sein:

• Größe der Axialkraft,
• Belastungsrichtung,
• statische oder dynamische Belastung,
• Drehzahl,
• gewünschte Lebensdauer,
• vorhandener Bauraum,
• Wellendurchmesser,
• Schmierungsart,
• Betriebstemperatur,
• Umgebungsbedingungen,
• zusätzliche radiale Kräfte,
• auftretende Stöße und Schwingungen.

Die Tragzahlen eines Lagers dürfen nicht mit der im Betrieb uneingeschränkt zulässigen Belastung gleichgesetzt werden. Bei der Auslegung müssen zusätzlich Drehzahl, Schmierung, Lastkollektiv, Sicherheit und Anschlusskonstruktion berücksichtigt werden.

Zusammenfassung

Einseitig wirkende Lager nehmen axiale Kräfte in einer festgelegten Richtung auf. Typische Vertreter sind einseitig wirkende Axialkugellager, Axial-Zylinderrollenlager, Axial-Nadellager und Axial-Kegelrollenlager.

Ein einzelnes einseitig wirkendes Lager kann keine wechselnden axialen Belastungsrichtungen sicher führen. Dafür ist ein zweites, entgegengesetzt angeordnetes Lager oder eine zweiseitig wirkende Lagerbauform erforderlich.

Reine Axiallager sind außerdem nicht für die Aufnahme radialer Kräfte bestimmt. Belastungsrichtung, Lagerbauart, Montage, Schmierung und Anschlusskonstruktion müssen deshalb gemeinsam betrachtet werden.