Kugel- und Rollenlager, ihre Konstruktion und Anwendung. Von Regierungsbaumeister Dierfeld. Kugel- und Rollenlager, ihre Konstruktion und Anwendung. In den letzten Jahren haben Kugellager eine stetig wachsende Anwendung gefunden. Während man früher Kugellager nur im Fahrrad- und Automobilbau verwandte, sind sie jetzt mit Erfolg auch in vielen Zweigen des allgemeinen Maschinenbaues eingeführt worden. Der geringe Reibungswiderstand der Kugellager, ihre Betriebssicherheit und geringer Platzbedarf geben bei Neukonstruktionen dem Ingenieur die Möglichkeit, wirtschaftlicher arbeitende Maschinen zu bauen, die gleichzeitig weniger Wartung erfordern. Aber auch bei einer bestehenden Anlage liegt es in der Hand des Betriebsleiters, die laufenden Betriebsunkosten durch allgemeine Anordnung von Kugellagern herabzusetzen, da dieselben von vielen Firmen passend zum Austausch gegen Gleitlager und Einbau, in vorhandene Transmissionslagerböcke geliefert werden. Für viele Zwecke, wo z.B. sehr große Lagerdrücke auftreten, wird sich die Anwendung von Kugellagern nicht empfehlen, hier greift man zweckmäßig zu Rollenlagern, die infolge ihrer größeren Auflagerung mehr Sicherheit bieten als Kugellager, dabei kleiner im Durchmesser sind und auch dem Gleitlager gegenüber bedeutend Kraft ersparen. In Deutschland und Frankreich steht man noch Rollenlagern abwartend gegenüber, verwendet sie ziemlich selten und dann nur zu Feldbahnwagen, landwirtschaftlichen Maschinen, neuerdings auch zu Transmissionen, während in England und Amerika Rollenlager sehr viel und mit Erfolg angewandt werden, zum Teil auch (siehe Timkenlager) die Kugellager schon verdrängen. Die nachstehenden Ausführungen sollen einen Ueberblick geben über neuere Versuchs- und Betriebsergebnisse mit Kugel- und Rollenlagern, ihre heutige Bauart sowie ihre Anwendung im gesamten Maschinenbau, wobei naturgemäß auch ausländische Konstruktionen in weitem Maße zu berücksichtigen waren. Nachdem Professor Stribeck im Verein mit den Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken (abgekürzt D. W. F.) während der Jahre 1898–1901 durch Versuche festgestellt, welche Form der Kugelbahn, welches Material sowie welche Abmessungen für verschiedene Belastungen und Tourenzahlen die günstigsten sind, schufen die D. W. F. auch eine systematische Normalisierung der Kugellager, so daß alle Grundlagen für eine rationelle Fabrikation gegeben waren. Die erwähnten Versuche ergaben, daß das sogen. Laufringlager mit gerillter Laufbahn das leistungsfähigste ist, während das bis dahin viel angewandte Konuslager einen schlechteren Wirkungsgrad hatte; sie erstreckten sich aber nur auf Lager mit voller Kugelzahl, so daß von neueren Lagern mit Kugelkäfig noch bessere Resultate zu erwarten sind. Fig. 1 zeigt ein solches Laufringlager nach Ausführung der Firma Fichtel & Sachs. Es besteht aus einem äußeren und einem inneren Laufring r, den Kugeln und dem Käfig. Die Rillen für die Kugeln in den Laufringen sind nach Halbmessern gekrümmt, die größer als der Kugelhalbmesser und durch Versuche bestimmt sind. Gewöhnlich ist der Radius der Rille des Innenringes etwas kleiner als der der Außenrille, weil, wenn man beide Ringe von der Seite betrachtet, der Außenring sich konkav zur Kugel, der Innenring sich konvex krümmt, der Außenring in der Seitenansicht also die Kugel mehr umschließt. Der Käfig führt die Kugeln in der neutralen Zone, wo die Umfangsgeschwindigkeit am geringsten ist, und hält sie in gehöriger Entfernung voneinander; er verhindert auch, daß bei hohen Tourenzahlen die Kugeln zwischen beiden Laufringen vibrieren, wobei sie ein sehr starkes Geräusch verursachen. Textabbildung Bd. 326, S. 209 Fig. 1.Laufringlager von Fichtel & Sachs. Ch. Gégauff kommt bei seinen Versuchen mit Lagern ohne KäfigGénie civil. 20. Mai 05. zu folgendem Schlusse: „Bei sehr großen Geschwindigkeiten übt die Zentrifugalkraft eine merkliche verstärkte Reibung aus, indem sie die Kugeln sehr energisch gegen die äußere Laufrille drückt. Es kommt dann selbst dahin, daß die Kugeln nicht mehr um ihre Achse rotieren können, sondern einfach herumgleiten, wovon rapide Abnutzung und eine Reibung ähnlich wie bei Gleitlagern herrührt.“ Der Lauf des Lagers mit Käfig ist bei hohen Tourenzahlen also geräuschloser, dann aber wird auch der Reibungswiderstand vermindert. Textabbildung Bd. 326, S. 209 Fig. 2. Endlich kann es vorkommen, daß die Welle sich durchbiegt und der innere Laufring sich schief stellt, dann laufen die Kugeln ineinander, zerkratzen sich gegenseitig unter starker Erwärmung, bremsen sich auch wohl fest und fressen tiefe Rillen ineinander (Fig. 2), wie durch Versuche der Maschinenfabrik Rheinland festgestellt wurde. Alle diese Uebelstände werden bei Anwendung eines Käfigs vermieden, wogegen bei hohen Belastungen, geringen Tourenzahlen auch das vollkugelige Lager ohne Schaden angewandt werden kann, wenn Durchbiegungen der Welle nicht zu befürchten sind. Bisher nahm man an, daß Lager nach Fig. 1 nur für radiale Belastung geeignet wären, nennenswerte Achsialdrücke ohne Schaden aber nicht aufnehmen könnten. Neuere VersucheAmerican Machinist 09 I, S. 92–93 E. der Auto-Machinery Co. Coventry, haben jedoch ergeben, daß diese Radiallager auch ziemlich starke Achsialdrücke auszuhalten vermögen, wie aus Tab. 1 hervorgeht: (Auswahl aus einer Reihe von Versuchen.) Tabelle 1. Versuchsgegenstand: Normales Radiallager mit Käfig, 50 × 100 × 20 mm, mit 18 Kugeln von 7/16'', listenmäßig für Last von 630 kg bei 1000 Umdr./Min. Versuch 1: Reine Achsialbelastung. Umdrehungen der Welle 1200 i.d.Min. Maximaler Achsialdruck   745 kg Maximale Temperatur     62° C Dauer des Versuches   9½ Stunden. Versuch 2: Kombinierte Radial- und Achsiallast. Umdrehungen der Welle 1200 i.d.Min. Maximale Radiallast   840 kg Maximale Achsiallast   610 kg Temperatur     59° C Dauer des Versuches      7 Stunden. Versuch 3: Kombinierte Last (Dauerversuch). Umdrehungen der Welle 1200 i.d.Min. Radiallast (listenmäßig)   630 kg Achsiallast   270 kg Maximale Temperatur    54° C Dauer des Versuches    89 Stunden. Nach den Versuchen waren die Laufringe völlig intakt, am Ende des dritten Versuchs verursachte das Lager etwas Geräusch und einzelne Kugeln zeigten einige Flecken. Immerhin wurde die Firma durch diese Ergebnisse veranlaßt, bei ihren Radiallagern die Aufnahme eines Seitendruckes in Höhe von ⅓ des listenmäßigen Radialdruckes zu gewährleisten, was in manchen Fällen erwünscht sein kann. Daß durch diese Achsialbelastung die Reibung des Radiallagers vergrößert wird, ist einleuchtend; in welchem Maße die Reibung mit zunehmender Belastung wächst, ist aus den Tab. 2–5 von Heß zu ersehen. Heß stellte nämlich durch umfangreiche VersucheAmerican Machinist 09 I, S. 344–48. an Kugellagern der D. W. F. mittels besonderer Prüfmaschinen und Einrichtungen fest, wie sich der Reibungskoeffizient mit steigender Belastung ändert. Tabelle 2. Normales Radiallager unter veränderlicher Radialbelastung. Lager von 40 × 90 × 23 mit 8 Kugeln im Käfig. Umdrehungen = 325 i. d. Min. Listenmäßige Last = 650 kg. Radialbelastungin kg Reibungskoeffizientin v. H.   180 0,1633   270 0,1517   360 0,1325   450 0,1302   540 0,1240   630 0,1200   720 0,1195   810 0,1272   900 0,1416 1080 0,1686 1260 0,1830 Bemerkenswert ist, daß die Reibung bei der geringen Last anfangs höher ist als bei der listenmäßigen Last, wo sie ungefähr den niedrigsten Wert erlangt, um dann bis zum Schlusse wieder zu steigen. Trotzdem die Last am Schlusse fast bis aufs Doppelte der listenmäßigen Last gesteigert wurde, war im ganzen doch nur eine geringe Veränderung des Reibungskoeffizienten zu bemerken. Auch die Oeltemperatur wurde gemessen und keine erhebliche Erwärmung festgestellt. Tabelle 3. Dasselbe Lager unter konst. Radial- und veränderl. Achsialbelastung Umdrehungen = 325 i. d. Min. Konstante Radiallast = 180 kg. Oeltemperatur wenig geändert. Achsialbelastungin kg Reibungskoeffizientin v. H.   90 0,402 180 0,541 270 0,687 360 0,837 450 1,050 540 1,191 630 1,406 Die Reibung steigt ständig, aber nicht in demselben Verhältnis wie die Last. Tabelle 4. Dasselbe Lager unter veränderlicher Achsiallast. Umdrehungen = 325 i. d. Min. Oeltemperatur wenig geändert. Achsialbelastungin kg Reibungskoeffizientin v. H.   90 0,803 180 0,479 270 0,436 360 0,434 450 0,437 540 0,431 610 0,433 Der Reibkoeffizient ist anfangs hoch, fällt aber mit steigender Belastung. Tabelle 5. Normales Drucklager unter veränderlicher Achsialbelastung. Drucklager mit 45 mm Bohrung und 17 Kugeln im Käfig, berechnet für 2070 700 540 405 350 300 kg bei 10 150 300 500 1000 1500 Umdr./Min. Umdrehungen = 495 i. d. Min. Oeltemperatur wenig geändert. Achsialbelastungin kg Reibungskoeffizientin v. H. 180 0,1070 225 0,0945 270 0,0790 315 0,0705 360 0,0690 405 0,0684 450 0,0673 495 0,0700 540 0,0710 585 0,0817 630 0,0791 Der vierte Versuch (Tab. 5) wurde mit einem D. W. F.-Drucklager nach Fig. 3 vorgenommen. Die Druckplatten sind ebenfalls gerillt; der Käfig besteht aus zwei vernieteten Messingplatten. Die Reibung ist hier sehr niedrig, fällt mit steigender Last und wächst dann wieder. Textabbildung Bd. 326, S. 211 Fig. 3.Drucklager der D. W. F. Textabbildung Bd. 326, S. 211 Fig. 4.Lagerdruck in kg. Textabbildung Bd. 326, S. 211 Fig. 5.Leichtes Ringlager von Fichtel & Sachs. Aus diesen Versuchen kann man entnehmen, daß bei Radial- und Drucklagern die Höhe der Belastung verhältnismäßig wenig Einfluß auf den Reibungswiderstand des Lagers hat, viel eher sprechen dabei dickes Oel im Lager, eingedrungener Staub usw. mit, wie Heß ebenfalls durch Versuche feststellte. Ein Lager mit denselben Dimensionen in den Tab. 2–4 wurde unter verschiedenen Verhältnissen steigenden Belastungen unterworfen und dabei der Reibkoeffizient gemessen. Die Ergebnisse sind in Kurvenform in Fig. 4 aufgetragen. Kurve A bedeutet normal geöltes Lager, B Lager trocken und rein, C Lager trocken, etwas rostig, und D Lager gut geschmiert, aber etwas Sand darin. Man bemerkt die geringe Reibung von B, welche erst bei höheren Belastungen größer ist als das normal geölte Lager A. Ohne Oel läuft das Lager also leichter, erwärmt sich aber wahrscheinlich bei größeren Lasten schnell, worauf die Reibung steigt. Das trockene, etwas rostige Lager C hat anfangs ziemlich hohe Reibung, läuft sich dann aber schnell ein, bis Erwärmung die Reibungskurve wieder ansteigen läßt. Welch verderblichen Einfluß eingedrungener Sand und Staub trotz der Schmierung haben, zeigt Kurve D; es ist deshalb dringend erforderlich, die Kugellager stets gut einzukapseln und möglichst dünnflüssiges Oel zu verwenden. Bei den heutigen Kugellagern kann man unterscheiden 1. Ringlager, die vorwiegend Radialdrücke aufnehmen sollen, 2. Konuslager zur Aufnahme von Radial- und Achsialdrücken, und 3. Drucklager zur Aufnahme von reinen Achsialdrücken. Textabbildung Bd. 326, S. 211 Fig. 6.Wabenring von Fichtel & Sachs. Textabbildung Bd. 326, S. 211 Fig. 7.Kugelkorb von Fichtel & Sachs. Ringlager werden in vielerlei Formen gebaut mit einer Reihe Kugeln, mit zwei Reihen Kugeln und Ringlager für glatte Wellen mit Spannhülsen. Alle Ringlager werden je nach Belastung mit größeren oder kleineren Kugeln versehen. Die einreihigen Ringlager sind in der Bauart der Laufringe vollständig gleich, sie unterscheiden sich nur durch die Konstruktion des Käfigs, durch die Art der Einfüllung der Kugeln und die damit zusammenhängende Anzahl der Kugeln. Textabbildung Bd. 326, S. 211 Fig. 8.Kugelkäfig der D. W. F. Ein guter Käfig muß ein geringes Gewicht haben, um die Kugeln nicht sehr zu belasten; er muß die Kugeln sicher führen, womöglich in der neutralen Zone, wo Umfangsgeschwindigkeit und Reibung am geringsten sind, endlich muß der Käfig solide gebaut und alle sich lösenden Teile dabei sorgfältig vermieden sein. Zum Einbringen der Kugeln werden Aussparungen im inneren oder äußeren Laufring oder in beiden vorgesehen, dann kann man die volle Kugelzahl einfüllen; werden die Einfüllöffnungen fortgelassen, so kann man nur etwas mehr Kugeln, als den halben Ringraum füllen, einbringen. Da von der Anzahl der Kugeln die zulässige Belastung abhängt, ist dies von Nachteil; dafür wird geltend gemacht die Haltbarkeit der ungeschwächten Laufringe und die nicht unterbrochene Laufbahn der Kugeln. In Fig. 5 sehen wir ein Ringlager für hohe Belastungen der Firma Fichtel & Sachs in Schweinfurt. Der äußere Laufring hat eine Aussparung zum Einfüllen der Kugeln; der Käfig (Fig. 6) ist zweiteilig und wird durch in Nuten eingelegte umgebogene Blechklammern zusammengehalten; er besteht aus Aluminiumlegierung oder Weißmetall, um die Reibung zwischen Kugeln und Käfig zu vermindern, führt die Kugeln sicher in der neutralen Zone und gestattet, bis 96 v. H. des Ringraumes mit Kugeln anfüllen zu können. Wenn nicht viel Wert auf größtmögliche Kugelzahl gelegt wird, wendet die Firma den aus Messingblech gepreßten, zusammengenieteten Käfig nach Fig. 7 an, der die Kugeln auch gut umschließt und den Vorzug großer Leichtigkeit hat. Die D. W. F. führt ihre Lager mit ungeschwächten Laufringen aus;Neben dieser normalen Ausführung werden auf besonderen Wunsch auch Laufringsysteme mit Einfüllstelle (d.h. Aussparung im Laufringe) ohne besonderen Preisaufschlag hergestellt, so daß mehr Kugeln eingebracht werden können und die Tragfähigkeit erhöht wird. (Anm. d. Verf.) die Einführung der Kugeln erfolgt in der Weise, daß der innere Laufring gegen den äußeren exzentrisch verstellt und in den so entstandenen sichelförmigen Raum der größere Teil der Kugeln eingebracht wird. Um noch mehr Kugeln einzubringen, wird Druck und eine elastische Deformation der Laufringe zu Hilfe genommen. Der Käfig der D. W. F. besteht (siehe Fig. 8) aus einem Grundring aus Messingblech, in dessen Falze U-förmige Taschen zur Aufnahme der Kugeln eingepreßt werden; jede Kugel wird in eine Tasche gebracht und dann werden die beiden Schenkel der Kappe umgebogen, wie Fig. 8 zeigt, welche nur einen teilweise gefüllten Käfig darstellt. So werden die Kugeln sicher in der neutralen Zone geführt, in der Laufrichtung haben die Kugeln Spiel, so daß kein Oel von ihnen abgestreift werden kann; im ganzen ein sehr leichter und stabiler Käfig. Wo ein Lager schnell auseinandernehmbar sein muß, z.B. bei den Magnetapparaten der Automobile, empfiehlt sich die Anwendung des sogen. Magnetlagers der D. W. F. (Fig. 9). Die Laufbahn des Außenrings ist hier zwecks leichter achsialer Verschiebung des Innenrings nach einer Seite hin offen und konisch ausgebildet, so daß beide Ringe schnell und leicht getrennt werden können. Textabbildung Bd. 326, S. 212 Fig. 9.Magnetlager der D. W. F. (Fortsetzung folgt.)