Ueber Kugellager. Von Dr. P. Martell. MARTELL, Ueber Kugellager. Bevor wir auf die technische Bedeutung und Fabrikation des Kugellagers eingehen, wollen wir einige historische Daten vorausschicken. Das moderne Kugellager hat einige althistorische Vorläufer, wenn auch die heutige vielseitige Verwendbarkeit und die neuzeitliche technische Gestaltung des Kugellagers verhältnismäßig jüngeren Ursprungs ist. Bereits im Jahre 1794 wurde beim Bau der Old Trinyty Church zu Lancaster in Pennsylvanien ein Rollenlager zum Tragen einer 70 kg schweren Wetterfahne benutzt. Bei Freilegung dieses Kugellagers zwecks Reparatur im Jahre 1909 zeigte es sich, daß die aus Bronze bestehenden, 30 mm großen Kugeln sich bis auf 19 mm abgenutzt hatten. Entsprach auch dieses alte amerikanische Kugellager nicht unseren heutigen technischen Auffassungen, so hat es doch anderseits weit über 100 Jahre seinen Dienst gut versehen. Auch in Deutschland sind die Versuche mit Kugellagern ziemlich alt; so ließ im Jahre 1845 die Sayner - Hütte in Sayn-Neuwied a. Rh. ihre Hebekräne mit Kugellagern ausrüsten; zwei Jahre später stellte die bayrische Staatsbahn Versuche mit einem Rollenlager des Barons v. Rudorffer an. Ein im Jahre 1853 von einem Amerikaner zum Patent angemeldetes eigenartiges Kugellager, dessen Außenring aus Gummi bestand, blieb praktisch bedeutungslos. Krupp benutzte schon 1871 bei seinen Hebezeugen und einigen Maschinen Kugellager; im Jahre 1885 wurden durch Krupp Kugellager zur Lagerung drehbarer Lafetten von Schiffsgeschützen verwendet. Im Jahre 1878 erteilte das deutsche Patentamt einem Georg Weckamp aus Budapest ein Patent auf Kugellager für Rollwagen, eines der ersten deutschen Patente dieser Art. Bei allen diesen Kugellagern handelte es sich jedoch um solche, die für Sonderzwecke von Fall zu Fall hergestellt wurden. Es war nicht das heutige, auf Massenherstellung berechnete Kugellager, das der vielseitigsten Verwendung dient. Der dem Kugellager zum Grunde liegende technische Gedanke strebt nach einer Verminderung der Reibungsverluste, um so dem älteren Gleitlager überlegen zu werden. Bei der Gleitlagerung sind die Berührungsflächen zwischen den sich bewegenden Teilen verhältnismäßig groß; hier waren von Anfang an dem technischen Fortschritt, der auf eine Verminderung der Reibungsflächen abzielte, gewisse, nicht zu überschreitende Grenzen gezogen. In dem Ringschmierlager hat das Gleitlager zurzeit seine technisch vollkommenste Form gefunden. Die Bestrebungen nach einer Verminderung der Reibungsflächen sollten dann in der modernen Ausbildung des Kugellagers einen epochenmachenden Fortschritt erzielen, denn jetzt war die kraftzehrende Flächenberührung in eine Punktberührung umgewandelt. Bahnbrechend wurde das moderne Kugellager erst in dem Augenblick, als es gelang, durch Massenherstellung den Preis der Kugeln soweit herabzusetzen, daß mit dem alten Gleitlager ein Wettbewerb möglich war. Den größten Aufschwung nahm die Kugellagerherstellung mit dem Aufkommen des Fahrrades, dessen technische Grundlage es nahezu bildet. Ursprünglich war das Fahrradkugellager ein sogenanntes Konuslager, das aus dem auf der Achse befestigten Konus und dem Teiler bestand, zwischen denen die Kugeln liefen. Wenn auch das Konuslager durchaus imstande war, sowohl Achsial- wie Radialdrucke aufzunehmen, so ergab sich im Laufe der Zeit doch, daß das Konuslager größeren Beanspruchungen nicht gewachsen war. Ueberaus wertvoll für die weitere Entwicklung des Kugellagers waren die auf diesem Gebiet durchgeführten Arbeiten der Zentralstelle für wissenschaftlich technische Untersuchungen zu Neubabelsberg bei Berlin, die von dem Leiter der Anstalt Prof. Stribeck im Jahre 1909 durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen handelte es sich darum, die für den Maschinenbau bestgeeigneten Bauformen von Kugellagerungen zu ermitteln und theoretisch zu begründen. Die Versuche betrafen in der Hauptsache Feststellungen über die Tragfähigkeit der Kugellager bei Verwendung verschiedenen Materials; es galt, die günstigste Form der Laufringe für die Kugeln und andere Lagerteile bei verschiedenen Belastungen und Umdrehungszahlen ausfindig zu machen. Bei diessen Versuchen ergab sich, daß das Laufringlager die günstigsten Bauformen des Kugellagers darstellt. Es zeigte sich dem Konuslager überlegen, denn das Laufringlager war sowohl großem Lagerdrucke als auch hohen Umdrehungszahlen gewachsen. Während das Kugellager sich von Anfang an für kleine Belastungen sehr schnell bewährte, traten bei schwer belastetem Lager vielfach Mißerfolge ein, die das Kugellager in einen unverdient schlechten Ruf brachten. Aehnliche Erfahrungen wurden anfangs mit den Rollenlagern gemacht. Da naturgemäß Leistung und Lebensdauer des Kugellagers von der Größe der Belastung abhängt, sah man hierin den Schwerpunkt der Fabrikation. In Katalogangaben ist daher oft die Neigung zu beobachten, zu hohe Belastungsangaben zu nennen. Die Bruchfestigkeit der Kugeln spielt daher eine große Rolle. Die Stribeckschen Versuche haben ergeben, daß bei den gebräuchlichen Kugeldurchmessern bis zu 1 ½ engl. die Bruchbelastung zu 3500 bis 7000 D2 gesetzt werden kann, wenn D der Durchmesser in cm ist. Bei gebrochenen Kugeln ist das Aussehen der Bruchfläche von Bedeutung, denn sie gibt darüber Aufschluß, ob die Härtung der Kugel sich gleichmäßig durch das ganze Innere erstreckte. Kugeln mit nur dünner, harter Kruste und weichem Innern sind in der Regel den zulässigen Beanspruchungen nicht gewachsen. Ansich gibt nun die Bruchfestigkeit der Gußstahlkugeln für die Güte keinen Ausschlag, denn die Zerstörung der Kugeln in den Lagern erfolgt nur selten durch Bruch, sondern meist durch Ausspringen kleiner Stücke. Wichtiger ist daher die Ermittlung der Belastung, bei welcher der erste Sprung auf der Kugel eintritt. Drückt man zwei Kugeln gegeneinander, dann wird fast immer der erste Sprung ein die Druckfläche umgebender Kreissprung sein. Nicht selten zeigt sich dieser Kreissprung schon bei Belastungen, die noch in den Grenzen der Zulässigkeit liegen. Längsrisse treten in der Regel viel später auf. Bemerkenswert ist, daß die Sprünge oft mit bloßem Auge gar nicht erkennbar sind, mikroskopisch bestehen manchmal Schwierigkeiten. Gewißheit erlangt man erst durch das bekannte Verfahren, die Kugeln mit verdünnter Salzsäure zu ätzen, wodurch auch die feinsten Sprünge sofort in die Erscheinung treten. Prof. Stribeck fordert für Kugeln bis 1 ¼'' engl. Durchmesser als Sprungbelastung 550 bis 700 D3 kg (D in cm). Die hergestellten Größen der Gußstahlkugeln bewegen sich in der Regel zwischen 0,8 bis 203 mm (8'' engl.) Durchmesser. Bei den Ring- oder Traglagern kommt ein innerer und ein äußerer Laufring in Betracht, zwischen welchen in eingeschliffenen Rillen die Kugeln laufen. Die Kugeln füllt man durch eine im Außenring befindliche Oeffnung ein, die durch eine Schraube verschließbar ist. Diese veraltete Bauart konnte nicht befriedigen, so wenig wie die zur Einfüllung der Kugeln vorgesehene seitliche Aussparung, die stets eine für die Haltbarkeit der Ringe gefährliche Schwächung bedeutete, Es bezeichnete daher einen Fortschritt, als Conrad im Jahre 1902 den inneren Ring exzentrisch gegen den äußeren vorschob, um so die Kugeln einzubringen. Man brachte den inneren Ring dann wieder in die zentrische Lage zurück und verteilte die Kugeln gleichmäßig auf den Umfang. Ein Käfig hält die Kugeln in ihrer Lage fest zu einander. Die Einführung des Käfigs war schon vorher erfolgt, um das von den Kugeln verursachte Geräusch zu vermindern. Es haben sich verschiedene Bauformen des Käfigs herausgebildet; es sind Käfige aus Eisen- oder Metallblech, sowie auch aus gegossenen Metallegierungen anzutreffen; der Käfig oder Kugelkorb hat die Aufgabe, das Auseinanderschleifen der Kugeln zu verhindern. Wo eine starke Belastung in Frage kommt, werden die Lager mit zwei Kugelreihen ausgeführt. Neben diesen hauptsächlich auf achsialen Druck beanspruchten Kugellagern sind noch die Stützkugellager zu erwähnen, die aus einer oberen und unteren Spurplatte bestehen, die durch die Kugeln voneinander getrennt werden. Auch beim Stützkugellager erhalten die Kugeln durch einen Käfig Führung, der in seiner Bauart von der des Traglagers abweicht. Traglager und Stützkugellager sind die Grundformen des neuzeitlichen Kugellagers; daneben erscheinen in Sonderfällen Lagerungen, die eine Verbindung der beiden genannten Bauformen darstellen. So gibt es doppelte Traglager, doppelte Stützkugellager, vereinigte Stütz- und Traglager usw. Die Kugellagerherstellung ist technisch nicht ohne Schwierigkeiten, da bei billigen Preisen trotz Massenartikel die größte Genauigkeit in den Abmessungen der! Kugeln gefordert wird. Es handelt sich hier um höchste Präzisionsarbeit, da bei der Kugelherstellung lediglich Abweichungen von nur einhalb bis zweitausendstel Millimeter von der geforderten Größe als zulässig betrachtet werden. Demgemäß ist in der Kugelherstellung das Prüf- und Maßwesen zur höchsten Vollkommenheit gediehen. Ueberwiegend werden die Kugeln aus Chromnickelstahl hergestellt, nur selten werden andere Stahllegierungen herangezogen. Die Fabrikation vollzieht sich in der Form, daß das rohe Stahlstück zunächst in die ungefähre Kugelform gepreßt wird und zwar sowohl im warmen wie im kalten Zustande, die so vorgepreßte rohe Kugelform wird dann auf Vorschleifmaschinen von den größten Ungenauigkeiten befreit. Durch eine etwas exzentrisch zum Schleiftisch angeordnete Schleifscheibe werden die Kugeln unter andauerndem Drehen gleichmäßig geschliffen, die vorgeschliffenen Kugeln werden nun in gasbeheizte Gläschen gebracht, wo sie unter langsamem Hindurchrollen einer gleichmäßigen Erwärmung ausgesetzt werden, um hiernach in das Härtebad zu fallen. Nunmehr schließt sich das wichtige Fertigschleifen der gehärteten Kugeln an, das durch eine Schleifmaschine von besonderer Art bewirkt wird. Es handelt sich um zwei wagerechte, im entgegengesetzten Sinne drehende Scheiben, deren senkrechte Achsen ein wenig exzentrisch gelagert sind und die sich während des Ganges leicht verschieben. Durch diese Bauart wird ein Unrundlaufen der Kugeln vermieden. Das Schleifmaterial wird gepulvert und mit Oel gemischt benutzt. Von den Schleifmaschinen nehmen die Kugeln ihren Weg in Poliertrommeln, die aus Gußeisen hergestellt, sich um schräg zur Trommelrichtung gestellte Achsen drehen. Unter langsamer Drehung der Trommeln schleifen sich die Kugeln in dem mit Oel gemischten Schmirgelstaub gegenseitig ab, so daß auch die letzten Ungleichheiten verschwinden. Diese Polierarbeit erfordert einen Zeitraum von 2 Tagen. Das Fertigpolieren geht in gleich gebauten Trommeln vor sich, in denen sich eine Mischung von Wiener Kalk und Oel befindet. Das Fertigpolieren verlangt ebenfalls zwei Tage. Der eigentliche Hochglanz beruht auf einem besonderen Verfahren. Hierfür sind Holztrommeln vorgesehen, die als Poliermittel Leder enthalten. Die Hochglanzpolitur nimmt einen Tag in Anspruch. Für Kugeln mit größerem Durchmesser sind abweichende Vorrichtungen notwendig. Große Bedeutung in der Kugelfabrikation kommt der Untersuchung der Kugeln auf Fehler zu. In der Regel wird diese Arbeit von zwei Arbeiterinnen ausgeführt, dergestalt, daß durch ein Stück Pergamentpapier das auf eine mit Kugeln belegte Glasplatte fallende Licht abgeblendet wird, bei welchem Verfahren die feinsten Unregelmäßigkeiten zutage treten. Es schließt sich eine Dampfprobe an, durch welche die feinsten, dem bloßen Auge sonst nicht sichtbaren Haarrisse deutlich in die Erscheinung treten. Bei der Dampfprobe liegen die Kugeln gleichfalls in einer größeren Zahl auf einer Glasplatte und werden hier mit einer feinen Düse mit Dampf bestrahlt. Die als völlig einwandfrei befundenen Kugeln erfahren dann in Sortiermaschinen von höchster Präzision die letzte Prüfung hinsichtlich Größe und Rundung. Die Verpackung geschieht nach genauer Sortierung in Pappkasten. Eine richtige Härtung der Kugeln ist natürlich von großer Bedeutung; bei großen Kugeln gestaltet sich die Härtung schwierig, da diese manchmal nicht bis in den innersten Kern vordringt, der dann weich bleibt. Dies schließt für die Kugel eine gewisse Gefahr ein, da bei großer Pressung diese bis zu dem Kern vordringt. Als Vorzüge des Kugellagers gegenüber dem Gleitlager sind folgende zu nennen: Fortfall des Einlaufens bei schwerer Belastung und großen Geschwindigkeiten, das bei Gleitlagern notwendig ist, denen manchmal hieraus Schwierigkeiten erwachsen. Ein Vorzug ist auch die Kürze der Kugellager. Gleitlager müssen bei großen Geschwindigkeiten und schwerer Belastung oft unverhältnismäßig lang gebaut werden, wodurch wegen der schwierigen Wärmeabführung die Gefahr des Anfressens besteht. Kugellager sind leichter von Staub und Oelschmutz frei zu halten als die Laufflächen der Gleitlager. Einreihige Kugellager gewähren der Welle mäßige Pendelbewegungen, so daß also geringere Verbiegungen der Welle und kleine Aufstellungsfehler das Kugellager nicht ungünstig beeinflussen. Der Anlaufwiderstand des Kugellagers ist von Anfang an fast konstant. Da die Lagerreibung sehr gering ist, eignet sich das Kugellager für hohe Umdrehungen. Ein Vorteil ist auch der geringe Oelbedarf. Zur Kugellagerschmierung wird entweder ein konsistentes Fett, Vaseline oder ein säurefreies Oel genommen. Im allgemeinen benötigen Kugellager erheblich weniger Schmierung als Gleitlager, dennoch darf auch beim Kugellager die Schmierung nicht fehlen; da sich sonst sowohl Kugeln wie Ringe gegenseitig angreifen. Bei Transmissions-Kugellagern, die zweckmäßig mit konsistentem Fett geschmiert werden, empfiehlt es sich, die Gehäuse mit dem Fett zu füllen. Das Nachfüllen des Schmiermaterials hat monatlich einmal zu erfolgen. Es ist darauf zu achten, daß bei jeder Transmissionswelle ein Kugellager und zwar das am wenigsten radial belastete im Gehäuse gegen achsiale Verschiebung fixiert sein muß. Wenn angängig, ist es am richtigsten, dieses Lager etwa in der Mitte des Wellenstranges anzuordnen. Vor dem Einbringen in das Gehäuse muß die Spannhülsenmutter des Lagers festgezogen und durch Anziehen der Sicherungsschraube fixiert werden. Das zur Aufnahme dieses Lagers bestimmte Gehäuse zeigt eine abweichende Bauart; der Außenring des Lagers wird in diesem Fall ohne seitliches Spiel eingepaßt. Die anderen Lager werden durch Festziehen der Spannhülsenmutter, sowie mittels Sicherungsschrauben auf der Welle befestigt. Hierbei ist zu prüfen, ob der Außenring des Lagers nicht einseitig gegen eine Gehäusewand anliegt. Ein derartiges Anliegen würde sich in dem Augenblick als schädlich erweisen, wo durch Temperaturschwankungen Längeänderungen der Welle auftreten. Hieraus folgt, daß bei jedem Wellenstrang nur der Außenring eines Lagers beiderseitig fixiert werden darf; alle anderen Lager müssen seitlich frei sein, um den Drehungen der Welle folgen zu können. Kommen stärkere Transmissionswellen unter Verwendung von Stahllagern in Betracht, so können in der Wellenrichtung geteilte Gehäuse verwendet werden. In diesem Fall werden die Kugellager und etwaige andere Teile, wie Kupplungen und Riemenscheiben, bevor sie in die Gehäuse eingelegt werden, auf die Welle aufgebracht. Die Kraftersparnis einer Kugellager-Transmission gegenüber Gleitlager-Transmission ist je nach den Betriebsverhältnissen mit 25 bis 50 Prozent in Ansatz zu bringen. Für Wagenachsen hat sich das Kugellager bis heute merkwürdigerweise wenig eingeführt, obwohl dieses auch hier große Vorteile bietet. In die Elektrotechnik ist das Kugellager verhältnismäßig spät eingedrungen, übt aber jetzt eine weitgehende Herrschaft dort aus. Anfangs zeigte sich bei den mit Kugellagern ausgerüsteten Elektromotoren der Uebelstand, daß die Kugellager an der Riemenscheibenseite oft zu Bruch gingen. Es waren in diesen Fällen die Lager nicht stark genug gewählt worden, so daß besonders bei neuen Riemen durch Idas übliche stramme Aufpassen Bruch eintrat. Eine gute Faustregel ist, bei Berechnung des Lagerdruckes nicht den dreifachen, sondern den fünffachen Riemenzug für etwa 7 kg cm Riemenbreite zugrunde zu legen. Aehnlich kann man bei Zahnradvorgelegen verfahren. Hier wählt man zweckmäßig bei roh gegossenen Zähnen Kugellager für dreifachen Zahndruck. In der Hauptsache findet das Kugellager in der Elektrotechnik bei den schnell umlaufenden Teilen, wie Anker, Verwendung. Bei den Magnetzündapparaten spielt das Einschulterlager eine große Rolle, das im Werkstattgebrauch kurz als Magnetlager allgemein bekannt ist. Bei dem Einschulterlager ist auch der Außenring fest in das Gehäuse einzupassen. Man achte darauf, daß beim Auf- und Abziehen der Kugellager keine Hammerschläge durch die Kugeln gehen, die sonst leicht Sprünge erhalten. Erwähnt sei, daß bei den Rollen an den Kontaktstangen der Straßenbahnwagen ebenfalls Kugellager Verwendung finden. Gegenüber dem Gleitlager bedeutet das Kugellager einen erheblichen technischen Fortschritt; auch jetzt noch können die Anwendungsgebiete des Kugellagers keineswegs als erschöpft gelten, so daß die Technik hier noch manche Aufgabe zu lösen hat.