Lagervorspannung - SKF

1 LLBild 1 Bild 2 Lagerpaare in O-AnordnungBild 3 Lagerpaare in X-AnordnungIn vielen Anwendungsf llen muss ein nega-tives Betriebsspiel, d. h. eine Vorspannung angestrebt werden, um die Steiigkeit der Lagerung oder die Laufgenauigkeit zu erh -hen, z. B. bei Arbeitsspindeln f r Werkzeug-maschinen, Ritzellagerungen f r Kfz-Achs-antriebe oder bei kleinen Elektromotoren. Die Vorspannung kann durch Federn oder durch Anstellen, mit Hilfe einer Wellen-mutter, aufgebracht werden. Die Vorspan-nung mit Federn kann auch f r leicht belas-tete Lagerungen vorgesehen werden, um damit eine Mindestbelastung der Lager Vorspannung kann durch den Vor-spannweg oder die Vorspannkraft ausge-dr ckt werden, wobei jedoch die Vorspann-kraft die prim re Bestimmungsgr e bew hrten Konstruktionen liegen Erfahrungswerte ber die optimale Vor-spannkraft vor, die dann auf vergleichbare Konstruktionen bertragen werden.

2 Bei Neukonstruktionen empiehlt es sich, die geeignete Vorspannkraft rechnerisch zu ermitteln und durch Versuche zu berpr -fen. Da im Allgemeinen aber nicht alle Ein-lussgr en des wirklichen Betriebs exakt erfassbar sind, k nnen in der Praxis Korrek-turen notwendig sein. Die Zuverl ssigkeit der errechneten Ergebnisse h ngt vor allem davon ab, wie weit die getroffenen Annah-men ber die Temperaturverh ltnisse im Betrieb und das elastische Verhalten der Gegenst cke vor allem der Geh use mit den tats chlichen Verh ltnissen der VorspannungJe nach Lagerart wird zwischen radialer und axialer Vorspannung unterschieden. Zylin-derrollenlager beispielsweise k nnen auf-grund ihrer Konstruktion nur radial, Axial-Kugellager und Axial-Zylinderrollenlager Lagervorspannung Lagersatz in O-AnordnungLagersatz in X-AnordnungLL1 dagegen nur axial vorgespannt werden.

3 Ein-reihige Schr gkugellager und Kegelrollenlager (Bild 1) werden axial vorgespannt, da sie im Allgemeinen stets zusammen mit einem zweiten Lager gleicher Art in O-Anordnung (Ber hrungslinien laufen auseinander) oder in X-Anordnung (die Ber hrungslinien laufen zusammen) angestellt werden. Rillenkugel-lager werden normalerweise ebenfalls axial vorgespannt. Voraussetzung ist allerdings, dass die Lager eine gr ere radiale Lagerluft (C3 oder C4) aufweisen, damit sich ein Ber hrungswinkel gr er null einstellt. Sowohl bei Schr gkugellagern als auch bei Kegelrollenlagern ist der Abstand L zwi-schen den Druckmittelpunkten bei O-Anord-nung gr er (Bild 2), bei X-Anordnung dagegen kleiner (Bild 3). Lager in O-Anord-nung k nnen daher selbst bei einem kleinen Lagermittenabstand relativ gro e Kippmo-mente aufnehmen. Au erdem sind die aus der Momentenbelastung resultierenden Radialkr fte und die dadurch hervorgerufe-nen elastischen Verformungen in den Lagern in O-Anordnung kleiner als bei die Welle im Betrieb w rmer als das Geh use, so steigt im Allgemeinen die w h-rend des Einbaus bei Umgebungstemperatur eingestellte Lagervorspannung an.

4 In Abh ngigkeit vom Lagerabstand und der Lageranordnung (O-Anordnung oder X-Anordnung) kann die Vorspannung ansteigen oder abnehmen. Grunds tzlich gilt, dass W rmedehnungen des Innenrings in radialer Richtung die Vorspannung in der Lagerung erh hen. Diese Tendenz wird durch die axiale W rmedehnung bei der X-Anordnung noch verst rkt und bei der O-Anordnung dagegen abgeschw Abh ngigkeit vom Lagerabstand und unter Voraussetzung gleicher W rmedeh-nungszahlen f r Lager und Gegenst cke k nnen sich bei O-Anordnung die radialen und axialen W rmedehnungen ausgleichen, sodass sich die Vorspannung auch bei Tem-peraturerh hungen nicht der VorspannungDie haupts chlichen Auswirkungen der Lagervorspannung sind: eine h here Steiigkeit ein ger usch rmerer Lauf eine genauere F hrung der Welle der Ausgleich von Verschlei und Setzvor-g ngen im Betrieb eine lange GebrauchsdauerHohe SteiigkeitDie Lagersteiigkeit (in kN/mm) wird deiniert als das Verh ltnis zwischen der auf das Lager wirkenden Kraft und den elastischen Verformungen im Lager.

5 Bei einem vorge-spannten Lager sind die belastungsbeding-ten elastischen Verformungen innerhalb eines bestimmten Belastungsbereichs geringer als bei einem nicht vorgespannten uscharmer LaufJe geringer das Betriebsspiel eines Lagers ist, umso besser werden die W lzk rper in der unbelasteten Zone gef hrt und umso ger usch rmer l uft das Wellenf hrungDie Lagerung einer Welle in vorgespannten Lagern ergibt eine genauere Wellenf hrung, weil Ausweichbewegungen der Wellenachse unter Belastung aufgrund der Vorspannung erschwert sind. Dies sichert bei Diffe-rentiallagerungen einen gleichbleibend genauen Zahneingriff und damit auch nied-rigere dynamische Zusatzkr fte. Als Folge davon ergeben sich ein ger uscharmer Lauf und eine lange Lebensdauer der von Verschlei und Setzvorg ngenVerschlei und Setzvorg nge in der Lage-rung w hrend des Betriebs erzeugen Spiel, das durch die Vorspannung ausgeglichen GebrauchsdauerDas Einhalten der richtigen Vorspannkraft beim Einbau verbessert in vorgespannten Lagerungen aufgrund einer besseren Last-verteilung im Lager die Betriebssicherheit und ergibt damit auch eine l ngere Gebrauchsdauer.

6 Zu hohe Vorspannkr fte berlasten die Lager, was eine h here Rei-bung und eine k rzere Gebrauchsdauer zu Folge Vorspannung in angestellten Lagerungen mit einreihigen Schr gkugellagern oder Kegelrollenlagern Bei der Ermittlung der Vorspannung geht man von der Vorspannkraft im Betrieb aus, die erforderlich ist, damit Steiigkeit, Lebens-dauer und Betriebssicherheit optimal aufein-ander abgestimmt sind. Anschlie end wird die Vorspannkraft bestimmt, mit der die Lager beim Einbau angestellt werden m ssen. Die Lager sollen beim Einbau die gleiche Tempe-ratur wie die Umgebung aufweisen und kei-nen zus tzlichen Belastungen ausgesetzt zweckm ige Vorspannung im betriebswarmen Zustand richtet sich nach den Lagerbelastungen. Ein einreihiges Schr gkugellager oder ein Kegelrollenlager kann gleichzeitig radiale und axiale Belas-tungen aufnehmen.

7 Unter radialer Belas-tung wird im Lager eine in axialer Richtung wirkende Kraft hervorgerufen, die von einem zweiten, spiegelbildlich angeordneten Lager aufgenommen werden muss. Bei rein radia-ler Verschiebung der Lagerringe zueinander ist der halbe Lagerumfang oder entspre-chend die H lfte der W lzk rper belastet. Die im Lager hervorgerufene Axialkraft betr gt in diesem Fall: bei einreihigen Schr gkugellagern Fa = R Fr bei einreihigen Kegelrollenlagern Fa = 0,5 Fr / YHierin sind:Fa = die Axialkomponente der Lagerbe-lastung (Bild 4) Fr = die Radialkomponente der Lagerbe-lastung (Bild 4)R = eine Variable, abh ngig vom Ber hrungswinkel 20 (Nachsetzzeichen AB) R = 0,50 25 (Nachsetzzeichen AC) R = 0,57 30 (Nachsetzzeichen A R = 0,66 40 (Nachsetzzeichen B) R = 0,88Y = der Axialfaktor des einreihigen Kegel-rollenlagers ( Produkttabelle)Bei einem mit Fr belasteten Einzellager muss demnach eine u ere Axialkraft Fa der gleichen Gr e wie die interne Axialbela-stung vorhanden sein, damit entsprechend der f r Tragzahlangaben g ltigen Vorausset-zung der halbe Lagerumfang belastet ist.)

8 Ist die u ere Axialkraft kleiner, so verringert sich die Anzahl der tragenden W lzk rper und damit die Tragf higkeit des Lagers. Bei einer angestellten Lagerung, die aus zwei einreihigen Schr gkugellagern oder Kegel-rollenlagern in O- oder X-Anordnung besteht, nehmen die beiden Lager wechsel-seitig die entstehenden Axialkr fte auf. Wenn beide Lager gleich sind, die Radialbelastung in der Mitte zwischen den Lagern angreift, gleichm ig verteilt ist und die Lagerung spielfrei angestellt ist, stellt sich von selbst die Lastverteilung ein, bei der der halbe Lagerumfang belastet anderen Belastungsf llen, vor allem bei Auftreten einer u eren Axialbelastung, kann es erforderlich sein, die Lagerung vor-zuspannen, damit das durch die belastungs-bedingten elastischen Verformungen her-vorgerufenen Spiel im axial entlasteten Lager ausgeglichen wird und sich dort auch eine g nstige Lastverteilung Vorspannen wird auch die Steiig-keit der Lagerung erh ht.

9 Bei allen Betrach-tungen ber die Steiigkeit ist zu beachten, dass nicht allein die Federung der Lager eine Rolle spielt, sondern dass auch die Elastizit t der Gegenst cke, die Passung der Lager-ringe und die elastischen Verformungen aller anderen im Kraftluss liegenden Teile einschlie lich der Anlagel chen einen betr chtlichen Anteil an der Gesamtfederung haben. Die axiale und radiale Federung eines Lagers h ngt von seiner inneren Konstruk-tion ab, d. h. von den Ber hrungsverh ltnis-sen (Punkt- oder Linienber hrung), der Anzahl und dem Durchmesser der W lzk r-per sowie dem Ber hrungswinkel. Je gr er FaFaFrBild 43 der Ber hrungswinkel, umso gr er ist die Lagersteiigkeit in axialer man in erster N herung eine line-are Abh ngigkeit der Federung von der Belastung an, d. h. ein konstante Federrate, dann zeigt sich bei einem Vergleich, dass bei gleicher u erer Axialkraft Ka die axiale Ver-schiebung in einer Lagerung mit Vorspan-nung kleiner ist als f r eine Lageranordnung ohne Vorspannung (Diagramm 1).

10 Eine Rit-zellagerung (Bilder 6 und 7, Seite 6) z. B. besteht im Allgemeinen aus zwei verschie-den gro en Kegelrollenlagern A und B mit den Federkonstanten cA und cB. Weiter ist die Lagerung mit der Kraft F0. vorgespannt. Wirkt nun die u ere Axialkraft Ka auf das Lager A, so wird das Lager B entlastet, wobei die zus tzliche Belastung des Lagers A und die axiale Verschiebung a kleiner sind als bei einer Lagerung ohne Vorspannung. Das Lager B wird jedoch von der axialen Vor-spannkraft entlastet, und die axiale Ver-schiebung wird bei weiterer Belastung, wie bei einer nicht vorgespannten Lagerung, nur noch von der Federkonstanten des Lagers cA bestimmt, wenn die u ere Axialkraft fol-genden Wert bersteigt: q cA wKa = F0 1 + J < cB zUm eine v llige Entlastung des Lagers B zu vermeiden, wenn Lager A mit Ka belastet wird, ist demnach folgende Vorspannkraft erforderlich: q cB wF0 = Ka J J K <cA + cB zDie Kr fte und elastischen Verschiebun-gen in einer vorgespannten Lagerung lassen sich ebenso wie die Auswirkungen einer nderung der Vorspannkraft am einfachsten an einem Vorspannkraft-Vorspannweg-Schaubild veranschaulichen (Diagramm 1).