Lager: Gleit- und Wälzlager

Stellt euch eine Werkzeugmaschinen-Spindel vor: Sie dreht mit mehreren tausend Umdrehungen, trägt das Werkzeug, nimmt Schnittkräfte auf und darf dabei keinen Hundertstel-Millimeter wackeln. Genau dafür sind Lager da.

Ein Lager hat drei klassische Aufgaben: Es lässt eine Bewegung zu (meist Drehung, manchmal auch Verschiebung), es überträgt Kräfte zwischen Welle und Gehäuse, und es hält die gelagerten Teile in der gewollten Lage.

Dabei treten zwei grundlegende Belastungsrichtungen auf. Die radiale Belastung wirkt senkrecht zur Wellenachse — zum Beispiel das Eigengewicht eines Rotors oder der Zug eines Keilriemens. Die axiale Belastung wirkt längs der Wellenachse — etwa der Schub einer Schraubenwelle oder die Längskraft an einem schräg verzahnten Zahnrad. Sehr oft treffen beide gleichzeitig auf — das nennt man kombinierte Belastung.

Der entscheidende Unterschied zwischen den beiden großen Lagerfamilien ist die Art der Reibung. Beim Gleitlager gleiten zwei Flächen aufeinander. Beim Wälzlager rollen Kugeln oder Rollen zwischen zwei Ringen. Rollreibung ist um den Faktor 10 bis 100 kleiner als Gleitreibung — und aus diesem einen physikalischen Unterschied folgt fast alles, was die beiden Lagerwelten voneinander trennt.

Ein Gleitlager ist im Grunde die einfachste denkbare Lagerung: Ein Zapfen dreht in einer Buchse. Damit das nicht innerhalb von Minuten festsitzt, braucht es einen Schmierstoff zwischen den Flächen — und idealerweise so viel davon, dass die Welle gar nicht mehr direkt aufliegt, sondern auf einem dünnen Schmierfilm schwimmt.

Je nach Betriebszustand spricht man von drei Reibungszuständen. Festkörperreibung liegt vor, wenn die Flächen trocken aufeinandergleiten — der Verschleiß ist maximal, der Zustand kommt nur kurzzeitig im Notlauf oder direkt beim Anlaufen vor. Bei der Mischreibung trennt der Schmierstoff die Flächen nur teilweise, einzelne Rauheitsspitzen berühren sich noch. Erst die Flüssigkeitsreibung trennt die Flächen vollständig — dann gleitet eine Schmierstoffschicht in der Schmierstoffschicht, und mechanischer Verschleiß findet praktisch nicht mehr statt.

Wie kommt es zu diesem tragenden Schmierfilm? Bei der hydrodynamischen Schmierung baut sich der Druck im Schmierstoff von selbst auf, sobald sich die Welle dreht. Sie zieht durch ihre Rotation Öl in den engsten Spalt — diesen sich verengenden Spalt nennt man Schmierkeil. Im Schmierkeil entsteht ein Druck, der die Welle anhebt und trägt. Im Stillstand fehlt dieser Effekt; beim Anlauf gibt es deshalb immer eine kurze Phase Mischreibung. Bei der hydrostatischen Schmierung drückt eine externe Pumpe das Öl mit hohem Druck in den Spalt — die Welle schwimmt schon vor dem Anlauf. Aufwendig, aber unschlagbar bei sehr großen Maschinen mit langen Anlaufzeiten.

Drei klassische Bauarten begegnen einem in der Praxis. Buchsenlager sind einfache Hülsen aus Lagermetall (oft Bronze oder Verbundwerkstoff), die in die Gehäusebohrung gepresst werden. Geteilte Gleitlager bestehen aus zwei Lagerschalen (oben und unten) und lassen sich tauschen, ohne die Welle auszubauen — typisch bei großen Maschinen wie Schiffsdieseln. Wartungsfreie Gleitlager arbeiten entweder mit selbstschmierender Sinterbronze, in deren Porenräumen Öl gespeichert ist, oder mit einer PTFE-Gleitschicht auf Stahlrücken. Einbauen, fertig, kein Nachschmieren.

Ein typisches Problem bei steifen Gleitbuchsen ist die Kantenpressung: Wenn die Welle nicht ganz fluchtet — etwa weil das Lagergehäuse minimal verkippt sits — drückt sie nicht mehr flächig in die Buchse, sondern liegt nur noch mit einer Kante an. Die Flächenpressung explodiert lokal, das Lagermetall versagt vorzeitig. Gegenmaßnahmen sind selbsteinstellende Lager (mit ballig geschliffener Außenkontur, die sich im Gehäuse leicht ausrichten kann), elastische Lageraufhängungen oder ballige Zapfen.

Die wichtigste Auslegungsgröße ist die Flächenpressung, also die Lagerkraft bezogen auf die projizierte Lagerfläche:

Der zulässige Wert hängt vom Lagerwerkstoff und vom Betriebszustand ab (typische Größenordnungen liegen zwischen wenigen N/mm² bei Sinterlagern und über 50 N/mm² bei hochbelasteten Verbundlagern unter Mischreibung).

Schmierung ist beim Gleitlager keine optionale Zugabe, sondern Teil der Konstruktion. Welcher Schmierstoff, welche Versorgung, welche Wartungsintervalle — das alles ist Thema des eigenen Beitrags zur Schmierung und zu den Schmierstoffen.

Wenn die Welle nicht mehr in der Buchse gleitet, sondern auf Kugeln oder Rollen rollt, sinkt die Reibung dramatisch. Das ist das ganze Prinzip des Wälzlagers — und es erklärt, warum diese Bauart heute den Standard in fast jedem Maschinenbau-Bereich darstellt.

Ein Wälzlager besteht aus vier funktionalen Bestandteilen. Der Innenring sitzt auf der Welle, der Außenring im Gehäuse. Zwischen den beiden Ringen laufen die Wälzkörper — Kugeln, Zylinderrollen, Kegelrollen, Tonnenrollen oder Nadeln, je nach Bauform. Damit die Wälzkörper nicht aneinanderlaufen, hält ein Käfig sie auf gleichem Abstand.

Als Werkstoff für Ringe und Wälzkörper kommt klassisch der Wälzlagerstahl 100Cr6 zum Einsatz — ein Chromstahl, der durchgehärtet wird und damit die hohen Hertz’schen Pressungen aufnimmt, die zwischen Wälzkörper und Ringlaufbahn auftreten. Größere Lager werden einsatzgehärtet oder oberflächengehärtet. Käfige bestehen je nach Lager aus Blech, Messing oder Kunststoff.

Im Vergleich zum Gleitlager hat das Wälzlager mehrere praktische Vorteile. Das Anlaufmoment ist niedrig — das macht es zur ersten Wahl in jedem Antrieb, der oft anläuft oder bei Kälte starten muss. Die Reibungsverluste sind kleiner, der Schmierstoffbedarf gering, oft reicht eine Lebensdauerschmierung. Und durch die Normung sind Wälzlager weltweit lieferbar — ein 6206-Lager passt in München wie in Singapur.

Es gibt aber auch Nachteile. Wälzlager sind empfindlich gegen Stöße im Stillstand (eindrückende Wälzkörper hinterlassen Riffel in der Laufbahn — das nennt man False Brinelling). Sie sind hörbar lauter als ein gutes Gleitlager. Und je nach Bauform brauchen sie mehr radialen Bauraum.

Je nachdem, welche Belastung und welches Verhalten gefragt sind, gibt es eine ganze Familie von Wälzlager-Bauformen. Die wichtigsten im Überblick:

Zwei Lagerformen verdienen besondere Aufmerksamkeit. Das Schrägkugellager überträgt schon vom Aufbau her sowohl Radial- als auch Axialkraft, allerdings nur in eine Richtung — es muss daher meistens paarweise eingebaut werden. Das Pendellager (Kugel oder Rolle) hat einen sphärisch geschliffenen Außenring und kann Winkelfehler von einigen Grad ausgleichen. Es ist die richtige Wahl überall dort, wo Welle und Gehäuse nicht perfekt fluchten.

Zur Lagerabdichtung gibt es zwei gängige Varianten. „2RS“ oder „RS“ steht für eine berührende Dichtlippe aus Elastomer — gut dichtend, aber mit etwas Reibung. „ZZ“ oder „2Z“ bezeichnet eine berührungslose Blech-Deckscheibe — reibungsarm, dafür weniger dicht. Welche Dichtung in welcher Anwendung sinnvoll ist und welche Bauformen es darüber hinaus gibt, vertieft der eigene Beitrag zu Dichtungen.

Auf jedem Wälzlager steht eine Kurzbezeichnung, die seine Bauart und seine wichtigsten Daten kompakt zusammenfasst. Wer dieses System einmal verstanden hat, kann auf einen Blick aus dem Lagerring herauslesen, was er vor sich hat — und welche Tragzahlen er im Datenblatt erwarten darf.

Schauen wir uns die typische Bezeichnung 6206-2RS an:

• Die erste Ziffer „6″ gibt die Lagerreihe an: Rillenkugellager.
• Die zweite Ziffer „2″ steht für die Maßreihe — also die Verhältnisse von Außendurchmesser und Breite. „2″ ist die leichte Reihe.
• Die letzten zwei Ziffern „06″ sind die Bohrungskennzahl. Daraus ergibt sich der Bohrungsdurchmesser: 06 × 5 = 30 mm.
• Das Suffix „2RS“ hatten wir gerade: beidseitig berührend gedichtet.

Eine kleine Übersicht der gängigsten Lagerreihen:

Bei der Bohrungskennzahl gibt es ab 04 die einfache Regel „mal fünf“. Darunter gelten Sonderfälle, die man sich einmal anschauen sollte:

Häufige Suffixe (es gibt herstellerspezifisch noch viele weitere):

• 2RS / RS: berührende Dichtung
• 2Z / ZZ: berührungslose Deckscheibe
• C3: erweiterte radiale Lagerluft (gut bei thermischer Dehnung)
• N: Ringnut im Außenring (für Sicherungsring)

Verbindung zur Auslegung: Sobald das Kurzzeichen feststeht, findet man im Datenblatt die dynamische Tragzahl C und die statische Tragzahl C₀ — genau diese Werte braucht das nächste Kapitel zur Lebensdauerberechnung.

„Wie lange hält das Lager?“ ist die zentrale Frage bei jeder Auslegung. Eine exakte Vorhersage ist nicht möglich — Lebensdauer hängt von Belastung, Drehzahl, Schmierung, Sauberkeit, Temperatur und vielen weiteren Faktoren ab. Aber es gibt ein normiertes Berechnungsverfahren, das nach ÖNORM EN ISO 281 weltweit verwendet wird.

Die zentrale Größe ist die nominelle L10-Lebensdauer: Sie gibt jene Lebensdauer an, die mindestens 90 % der Lager eines Loses erreichen. Anders gesagt: Nach Ablauf der L10-Lebensdauer sind statistisch maximal 10 % der Lager ausgefallen. Das ist die Größe, mit der man rechnet — der einzelne Versagensfall lässt sich nicht vorhersagen.

Aus dem Datenblatt entnimmt man die dynamische Tragzahl C. Sie ist nicht etwa die zulässige Last, sondern eine rechnerische Größe: jene Belastung, bei der das Lager rechnerisch genau 1 Million Umdrehungen erreicht. Sie dient als Bezugspunkt für die Lebensdauerformel.

Was an realer Belastung auf das Lager wirkt, ist meistens kombiniert — radial und axial gleichzeitig. Damit die Lebensdauerformel funktioniert, muss man diese kombinierte Last in eine äquivalente dynamische Belastung P umrechnen. Die Grundformel lautet:

Die Faktoren X und Y stehen im Lagerdatenblatt und hängen vom Lagertyp und vom Verhältnis der Axial- zur Radialkraft ab. Bei reiner Radialbelastung gilt X = 1 und Y = 0, womit P einfach gleich Fr wird. Bei reinen Axiallagern unter reiner Axiallast wird X = 0 und Y = 1, also P = Fa. Bei kombinierter Belastung muss man die Werte aus den Tabellen ablesen — sie sind herstellerseitig dokumentiert.

Hat man P, geht es weiter mit der nominellen Lebensdauer in Millionen Umdrehungen:

In der Praxis interessiert oft nicht die Umdrehungszahl, sondern die Betriebsstunden. Über die Drehzahl wird umgerechnet:

Eine Welle braucht in den allermeisten Fällen zwei Lagerstellen, damit sie nicht kippt. Wenn beide Lager identisch und beide axial fest sind, gibt es allerdings ein Problem: Sobald sich die Welle erwärmt und dehnt — und das tut sie unweigerlich — verspannt sich das System. Innen- und Außenring werden gegeneinander gedrückt, die Lager laufen mit Vorspannung, im schlimmsten Fall geht eines kaputt. Deshalb baut man Lagerungen so, dass die thermische Ausdehnung Platz hat.

Die Standardlösung im Maschinenbau ist die Fest-Los-Lagerung. Ein Lager wird zum Festlager: Innen- und Außenring sind axial fest. Es nimmt sowohl Radial- als auch Axialkräfte auf und bestimmt die Lage der Welle im Gehäuse. Das andere Lager ist das Loslager: Es trägt nur Radialkräfte; in axialer Richtung kann sich der Außenring im Gehäusesitz frei verschieben (oder das Loslager ist ein Zylinderrollenlager, in dem sich der Innenring innerhalb der Rollenanordnung axial verschieben kann).

Bei der angestellten Lagerung arbeiten zwei Lager — meistens Schrägkugel- oder Kegelrollenlager — paarweise und werden gegeneinander angestellt. Jedes Lager nimmt die Axialkraft in eine Richtung auf. Die Anstellung lässt sich spielfrei oder sogar mit definierter Vorspannung einstellen. Bei der X-Anordnung zeigen die Druckkegel der beiden Lager in der Mitte zueinander („Rücken an Rücken“), bei der O-Anordnung zeigen sie nach außen („Bauch an Bauch“). Die O-Anordnung ist kippsteifer, die X-Anordnung kompakter — beide Anordnungen sieht man häufig bei Werkzeugmaschinenspindeln und KFZ-Radlagern.

Die schwimmende Lagerung verzichtet auf eine genaue Axialfestlegung. Beide Lager dürfen sich im Sitz ein Stück axial verschieben — die Welle stellt sich axial selbst ein. Das vereinfacht die Konstruktion, ist aber nur dort sinnvoll, wo die axiale Position der Welle keine Rolle spielt — etwa bei Lüfter- oder Pumpenwellen mit geringen Axialkräften.

Beide Lagerarten haben ihre Berechtigung. Wer die Wahl hat, wägt nicht zwischen „besser“ und „schlechter“ ab, sondern fragt sich, was die Anwendung wirklich braucht.

Gleitlager spielen ihre Stärken aus, wenn ein hydrodynamischer Schmierfilm sicher steht — bei sehr hohen Drehzahlen, geringen Drehzahlschwankungen und niedriger Leerlaufzeit. Sie sind unschlagbar, wenn Stöße und Vibrationen gedämpft werden sollen (Hauptlager großer Kolbenmaschinen, große Turbinen). Sie sind auch dann erste Wahl, wenn der Bauraum extrem flach sein muss oder wenn keine empfindlichen Wälzkörper im Spiel sein dürfen (zum Beispiel in Sinterbuchsen für Lebensmittelpumpen oder als wartungsfreie Buchsen in einfachen Gelenken).

Wälzlager sind die Standardlösung im allgemeinen Maschinenbau, in Antriebssträngen und überall dort, wo häufige Start-Stopp-Zyklen, niedrige Anlaufreibung, Wartungsarmut und schnelle Ersatzteilversorgung zählen. Eine Großzahl der Elektromotoren, Getriebe, Lüfter, Pumpen und Förderantriebe in Österreich und überall sonst arbeitet mit Wälzlagern.

Die richtige Schmierung — sei es Öl im Druckumlauf für ein Gleitlager oder Lebensdauerfett für ein gekapseltes Wälzlager — ist bei beiden Lagerarten das, was über die tatsächlich erreichte Lebensdauer entscheidet. Welche Schmierstoffe wann eingesetzt werden, ist Thema des eigenen Beitrags zur Schmierung und zu den Schmierstoffen.