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Rollenlager

[502] Rollenlager enthalten in der Laufbahn des Wellenzapfens Kugeln oder Walzen oder Kegel oder tonnenförmige Körper von gehärtetem Stahl. Man unterscheidet danach Kugellager und Rollenlager (im engeren Sinne), s. Bd. 5, S. 741 ff.

Den Zweck, den Widerstand zu vermindern, erreichen die verschiedenen Bauarten um so besser, je vollkommener sie die gleitende Reibung, sowohl zwischen den einzelnen Rollen als auch an den begehenden Anlageflächen vermeiden. Geräuschloser Gang, auch frei von Erzitterungen, ist nur zu erreichen, wenn die Rollen genau rund, ganz gleich und spielfrei eingepaßt sind.

In dem Walzenlager Fig. 1 rollen acht Stahlwalzen zwischen dem Zapfen und der eingesetzten stählernen Schale, so daß ihre Mittelpunkte mit der Hälfte der Umfangsgeschwindigkeit des Zapfens umlaufen. Damit sie sich nicht schräg über den Zapfen schränken, werden sie in einem sogenannten Käfig parallel geführt. Das Lager gehört zu einem von der Kölnischen Maschinenbau-A.-G. in Cöln-Bayental gebauten Stahlgießwagen [6]. Die Moffet-Rollenlager von der Vertriebs-Gesellschaft in Cöln führen die Walzen durch Kugelringe an beiden Enden auf durchgehenden Bolzen. – Das Wellenlager Fig. 2 von Hyatt benutzt 16 lange elastische Walzen aus schraubenförmig gewundenem Flachstahl; der Käfig bildet eine halbzylindrische Schale mit großen Aussparungen für je vier Rollen [4].[502]

Lehrreich ist das Krangehänge Fig. 3 nach D.R.P. Nr. 166567, wobei die Last leicht drehbar auf einem Kranze von Kegeln ruht, deren geometrische Spitze in der Drehachse liegt; unter der Wirkung der radial nach außen wirkenden Druckkomponente und eventuell der Fliehkraft stützen sie sich nach außen gegen einen Ring, der durch einen äußeren Kugelkranz zentrisch geführt wird. Neben der Rollung der Kegelflächen besteht hier deutlich erkennbar die bohrende Spurzapfenreibung an den gewölbten Stützflächen, die von dem lose mitgehenden Ringe in günstigster Weise aufgenommen wird. Denkt man sich die Kegel durch Kugeln ersetzt, so bleibt die Wirkungsweise dieselbe. Wären die Druckflächen eben, so würden die Kugeln unter vollem Druck daran würgen, als ob statt der Kegel zylindrische Walzen eingelegt wären. Solche Walzen müssen in schmale Scheiben unterteilt werden [10]. Wäre gar der Außenring fest mit der einen oder andern Lagerplatte verbunden, so müßte er unter dem Stützdruck gleiten, wobei das Lager bald verdorben würde. Man erkennt hieraus die besonderen Schwierigkeiten für den Bau von Kugelspurlagern.

In dem allgemeinen Schema (Fig. 4) rollt die Kugel, ohne zu schleifen, sowohl bei der Anlage in drei Punkten als in vier Punkten, wenn die Anlagestellen in Kegelflächen liegen, die ihre Spitze in der Drehachse gemeinsam haben. Wenn die Kegelflanken die Kugel nicht tangieren, sondern durchschneiden, so findet an den Druckstellen eine bohrende Bewegung statt, weil sich die Kugeln unter dem Anlagedruck abplatten. Man vermeidet daher auch solche Anordnung, wenigstens bei stärkerer Belastung. Die würgende Reibung bedingt gute Schmierung, während die Rollung allein nur eine vor Rosten schützende Festigkeit erfordert, solange nicht Staub oder Schmand im Lager eine Ausspülung nötig macht.

Das von Hufenreuter in Sangerhausen gebaute Lager (Fig. 5) ist für mäßige Belastung geeignet. Die Kugeln rollen, ohne Seitenschub aufzunehmen, an der Stahlhülse der Welle in einer nachstellbaren, sorgsam einzuteilenden Lagerrinne und bewegen sich langsamer als mit der halben Umfangsgeschwindigkeit der Hülfe. – In den Fahrradlagern (Fig. 6 und 7) sowie bei Automobilen [8] liegen die Kugeln zwischen Hohlkehlen von etwas größerer Krümmung, möglichst mit gemeinsamer Spitze der Berührungskegelflächen. Wegen der symmetrischen Ausgestaltung der beiden zu einem Zapfen gehörigen Lager werden Axialkräfte von dem einen oder andern aufgefangen. – Das vorn durch einen Deckel abgeschlossene Stirnzapfenlager (Fig. 8) läßt die Welle hinter einer Oelfangrinne austreten, noch abgedichtet durch steifes Fett oder einen geschmierten Filzring als Staubschutz [13]. Der Laufring wird auf dem Zapfen durch eine Mutter mit der in Fig. 27 wiederkehrenden Sicherung gehalten; der äußere Leitring soll[503] im Gehäuse mit so viel Spannung sitzen, daß er bei einseitigem Schub etwas nachgibt. – Dieser Absicht entspricht noch besser das geteilte Stehlager (Fig. 9) von den Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken, während hier der innere Laufring mittels geschlitzter Kegelhülse auf die durchgehende Welle aufgesetzt ist. Nur an einem Lager der Welle wird der äußere Ring gegen Verschiebung gesichert.

Die Hohlkehle als Laufrille schmiegt sich der Kugel besser an als eine flache, zylindrische Bahn, besonders bei den konvexen Berührungsflächen am inneren Laufringe, so daß wegen der breiteren Anlagefläche eine doppelt so hohe Belastung zulässig ist; auch läuft sich nicht ein scharfer Grat neben der Kugelspur an, der bei gelegentlicher Verschiebung gefährlich auf die Kugeln wirkt. Der Radius der Hohlkehle (Fig. 10) beträgt: ρ = 1,5 r oder ρ = r + 1 mm. Wirkt ein axialer Schub S von der Welle auf das Lager, so wird der durch die Kugeln gehende Normaldruck N = S/sin γ nach geringer Verschiebung die Kugeln seitwärts, schräg zur Mittelebene im Winkel Y anpressen, so daß cos γ = (ρ – r – s)/(ρ – r) wird, wobei s der einseitige Spielraum einschließlich Eindrückung zur Geltung kommt. Schätzt man s = r/800 und ρ = 1,5 r, so wird cos γ = 0,9975; γ = 4_1/4⁰ und N = 15 S. Bei Verteilung auf z Kugeln kommt auf jede N/z, während vom Lagerdruck Q auf die unterste 5 Q/z entfällt, so daß bei S = ¹/₃ Q noch keine wesentliche Ueberanstrengung des Lagers eintreten würde, doch sind bei dauernder Schubwirkung oder Seitenstößen, wie sie bei Wagen auftreten, besondere Drucklager (Fig. 26 und 27) notwendig [1]. – Die Maschinenfabrik Rheinland in Düsseldorf benutzt für geringe Belastung hohle, aus Stahlblech gepreßte Laufringe [11].

Besondere Schwierigkeiten bietet das Einbringen der Kugeln zwischen die Rillenringe. Die Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken bauten früher das Lager Fig. 9, bei dem sich die Kugeln fast auf die Hälfte des Umfanges zusammenschieben lassen, so daß man den inneren Ring exzentrisch einschieben kann; zwischen die Kugeln geschobene Drahtfedern, mit geölter Watte befleckt und an den Enden mit Blechscheibchen belegt, halten die Kugeln in gleichem Abstand. Die Firma baut jetzt die Lager einfacher und mit etwas größerer Anzahl tragender Kugeln, deren letzte nach D.R.P. Nr. 184024/5 zwischen die Ringe eingepreßt wird, wobei diese federnd nachgeben müssen (eventuell unter Erwärmung des Außenringes und Abkühlung des Innenringes); ein Käfig aus Bronze hält mit einseitig vorstehenden und nach dem Einsetzen umgebogenen Lappen jede Kugel umfaßt. – Die in Fig. 11 eingelegten Springfederringe (D.R.P. Nr. 148486) können die Hohlkehle nicht ersetzen, sondern nur das Herausfallen der Kugeln beim Ausbau des Lagers verhüten oder nach [5] den Käfig mit den Kugeln zu gleichem Zweck zusammenhalten. – Er wurde früher als der seitwärts von der Kugelspur vorgesetzte Preßring Fig. 13 (D.R.P. Nr. 157380) von der Kugelfabrik vorm. Fr. Fischer A.-G. in Schweinfurt benutzt als Schlußsicherung auf dem mit 0,1 mm hohem Bordrande über die Kugeln gepreßten Ringe. – Die Einfüllöffnung (Fig. 14) gestattet, den Ring voll mit Kugeln zu besetzen, unterbricht aber trotz des eingeschliffenen Paßstückes die Spurbahn und veranlaßt oft das Springen der Ringe beim Härten, so daß sie nicht mehr ausgeführt wird. – Man läßt auch den Bordrand eines Ringes einseitig ganz weg (Fig. 15). – Setzt man zwei solche Kugelringe symmetrisch zusammen, so erreicht man die Wirkung des Rillenlagers; davon macht die Norma Co. in Cannstatt Gebrauch [12]. – Nach D.R.P. Nr. 179537 (Fig. 16) werden zweiseitig abgeflachte Kugeln eingeschoben und zwischen ebenen Ringen, die durch einzelne Bolzen verbunden sind, in aufrechter Lage erhalten.

Käfige halten die Kugeln zusammen, führen sie miteinander auf der Bahn und verhindern ihre gegenseitige Reibung und Klemmung; sie sind bei schwereren Lagern und hoher Geschwindigkeit nötig. Die früher einmal vorgeschlagene Einschaltung kleinerer Zwischenkugeln, die sich entgegengesetzt drehen sollen, verursacht besonders starkes Schleifen am Außenring und Klemmungen, die man wieder dadurch vermeiden wollte, daß man die Zwischenkugeln in der Mitte der Sehne zwischen den Tragkugeln führte. Noch weniger sind geführte Zwischenrollen geeignet. – Ein gutes Beispiel bildet der aus Bronzeblech gedrückte Ring von Gebr. Bosch in Cannstatt (Fig. 15), der mit kleinen Ausbuckelungen die Kugeln an den Polen faßt, wo ihre Oberfläche die geringste Bewegung hat, und sie durch Löcher im Quersteg nach innen frei durchragen läßt. Wenn nur das Gewicht des Käfigs, nicht auch die federnde Anpressung seitlich reibend an den Kugeln wirkte, wäre die Reibungsarbeit μ G r ω unabhängig vom Polabstand α, weil der Druck G/sin α sich umgekehrt wie der Radius der reibenden Anlage r sin α ändert. – In den meisten Fällen benutzt man Bronzeringe mit um die Kugeln gebogenen Lappen, außerdem auch die in Fig. 17–21 für Drucklagerringe angegebenen[504] Fassungen: ein massiver Ring (Fig. 17) hält die Kugeln durch den vorspringenden Rand eines neben den Bohrungen eingeschlagenen Körners von beiden Seiten eingeschlossen; in Fig. 18 springt links der Rand des Loches innerhalb einer ringsum geschlagenen Rille vor, während rechts das Loch nicht ganz durchbohrt ist. – Nach D.R.P. Nr. 178377 Hecken die Kugeln in Löchern von zwei Messingscheiben (Fig. 19), die in einem lose aufliegenden und zentrisch geführten Ringe von Vulkanfiber eingesetzt sind. – In der Ausführung von Bauschlicher [12] sind die gelochten Messingscheiben mit rechtwinklig aufgebogenen Bordrändern ineinander gefleckt und durch Körnerschläge verheftet; der so geschlossene Steg liegt als Oelfang außerhalb der Kugeln. – Besser wäre es noch, wenn der Käfig die Kugeln außen im Pol berührte und gegen die radial wirkenden Kräfte abstützte. Falls die Kugeln aus der Rillenmitte (vom Achsenabstand R) um (ρ – r) r/R nach innen gehalten würden, entspräche die Führung dem Prinzip von Fig. 3. – Ungeeignet sind Käfige, nach Art von Fig. 20, aus zwei leichten, den Kugeln angeschmiegten und zwischen ihnen verschraubten Lamellen, weil sie zu nachgiebig wären und die Verbindung brechen oder sich lösen und die Schraube verlieren könnten.

Die Ringsysteme für Drucklager (Stütz- oder Spurlager) führt man regelmäßig mit Hohlkehlen in den Druckplatten aus; daneben benutzt man, besonders im Werkzeugmaschinenbau, ebengeschliffene, breite Druckplatten, auf denen jede Kugel auf einer eignen Spur läuft (Fig. 21), in einer Käfigscheibe mit spiralig versetzten Bohrungen, die nach Fig. 17 oder 18 geschlossen sind [10]. Das Stützkugellager (Fig. 22) der Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken enthält, wenn die Welle nicht nach unten durchgeht, einen in gleicher Weise abgesetzten Zapfen am Weltende, der, wie hier die Oelfanghülse, in den Käfig reicht. Die Käfigscheiben sind durch eingenietete Stehbolzen verbunden. An den größeren Lagern mit über 100 mm lichter Weite der oberen Druckplatte wird die untere Spurplatte mit ebener Fläche in einen besonderen Ring mit der kugelförmigen Unterseite eingesetzt. Die mittlere Neigung der Kugelflanke beträgt β = 45 bis 30°; soll sie sich unter der Last verschieben, so muß diese im Verhältnis zum Achsenabstand R exzentrisch wirken, und zwar um e/R = μ/sin β cos β; für μ = 0,1 und; β = 45° wird e/R = 0,2. An den Lenkrollen von Handwagen benutzt Oskar Krieger in Dresden das einfache Kugeldrucklager Fig. 23. Radiale Kräfte sind von den Druckringen fernzuhalten. Das Schneckenwellenlager (Fig. 24) von Carl Flohr in Berlin trägt die Welle in einer mit Weißmetall ausgegossenen Buchse und überträgt den Druck in der einen oder andern Richtung durch die auf dichten Schluß eingeteilten Kugelkränze [3]. Die Deutsche Kugellagerfabrik in Leipzig-Plagwitz baut nach dem System der Hoffmann-Manufacturing-Co. in Chelmsford, Essex, Kugellager, an denen die Drucklager für Schneckenwellen (Fig. 25) auf Kugelflächen ruhende Spurplatten enthalten und die Kugeln in starren Käfigen geführt sind. Man kann auch mit nur einem Kugelring für wechselnde Schubrichtung auskommen [11], [12].

Druck- und Traglager übernehmen Axial- und Radialkräfte je mit besonderen Kugelkränzen. Die Automobilnabe (Fig. 26) von der Deutschen Kugellagerfabrik in Leipzig-Plagwitz für D = 30 bis 65 mm Zapfenstärke überträgt die Last durch zwei Kränze von je 22 Kugeln von ³/₈-³/₄'' und die Seitenstöße, die ¹/₄-¹/₂ der Last ausmachen, durch den einen oder andern Druckkranz mit 32 Kugeln von ⁹/₃₂-⁹/₁₆''. Die äußeren Leitringe der Traglager sind zur Entladung von Seitendrucken verschiebbar eingesetzt. In gleicher Weise trägt[505] das Lager Fig. 27 [13]; doch ist hier in Rücksicht auf Verbiegung der durchgehenden Welle nur ein Tragring in der Mitte eingebaut und die Anlagefläche der Spurplatten kugelförmig. Die mit 7000–10000 Umdrehungen pro Minute laufenden Spindeln von Ringspinn- und Zwirnmaschinen erhalten nach [16] an Stelle des Halslagers nahe über der Mitte des Schnurwirtels und im Fußlager je einen Kranz von kleinen Kugeln, und stehen mit ebener Fußfläche auf einer außerhalb der Mitte in einer Spurrille laufenden einzelnen Kugel. Dabei ermäßigt sich der Kraftbedarf der ganzen Maschine von beiläufig 7,5 auf 5 PS.

Den Reibungswiderstand der Rollenlager kann man, zum Vergleich mit Gleitlagern, als Bruchteil des Lagerdruckes am Zapfenumfang angeben, wobei die Verhältnisziffer mit wachsender Belastung abnimmt, weil die Reibung zum Teil unabhängig vom Druck ist. Nach Versuchen von Stribeck [4] u.a. beträgt die Zahl im Mittel 0,002 bei guten Kugellagern; 0,005 ~ 0,010 bei Walzenlagern und Gleitlagern mit Ringschmierung; 0,010 bei Eisenbahnwagenlagern; 0,020 ~ 0,030 bei Wellenlagern mit nicht so reichlicher Schmierung; 0,050 ~ 0,080 bei Zapfenlagern in gewöhnlicher Ausführung und Unterhaltung. Der Satz, daß die Reibung um so kleiner würde, je weniger Kugeln der Laufring faßt, richtiger gesagt, je größer die Kugeln sind, gilt nur unter der Zweifelhaften Voraussetzung, daß der Hebelarm der rollenden Reibung konstant sei und nicht mit dem Radius der Rolle wachse.

Die Verteilung der Last Q erfolgt in einem Drucklager günstigenfalls auf alle z Kugeln gleichmäßig, so daß jede P = O/z trägt. Bei einem Traglager kommt auf die in der Druckrichtung liegende Kugel die größte Kraft, nämlich P = (4,43 bis 4,35) Q/z für z = 6 bis 100 Kugeln. Das ergibt sich daraus, daß die in die Druckrichtung fallenden Komponenten der Stauchungen, die proportional P^2/3 sind (s. Bd. 5, S. 744), an allen Kugeln bis ± 90° von der Druckrichtung gleich sein müssen, während die Summe aller Kraftkomponenten gleich Q ist. Die Kräfte selbst ergeben eine Summe von etwa 1,2 Q. Nach Stribeck setzt man abgerundet P = 5 Q/z, also Q = ¹/₅ z c d².

Die nach der Formel P = c d² auf d² qcm bezogene zulässige Belastung der Kugeln setzt man nach [4] für Traglager mit Rillen c = 100 und geht bei absätzigem Betriebe bis 200 hinauf, für Lager ohne Rillen auf 30–50 herunter. Mit Rücksicht auf Abnutzung muß man c mit wachsender Geschwindigkeit kleiner wählen, ohne jedoch zu schwere Kugeln einzusetzen, und außerdem für Lager mit würgender Reibung, also Spurdrucklager, c klein halten. Nach den Tabellen über die als normale Maschinenteile käuflichen Lager gelten im Mittel folgende Werte für Lager mit Rillen:

Für Krangehänge wird 200 auch überschritten [14]. – Die Deutschen Waffen- und Munitionsfabriken geben höhere Belastungen für ihre Lager als zulässig an, entsprechend c = 175 für alle Umlaufzahlen, wobei sie Riemenzug fünffach, Zahndruck dreifach rechnen und Zuschläge für Stöße einsetzen. Da die Kugeln nach englischem Zollmaß bemessen werden, rechnet man am einfachsten d in Achtelzoll und hat dabei für c den zehnten Teil der angegebenen Zahlen zu setzen, weil ¹/₈ Zoll im Quadrat gleich ¹/₁₀ qcm ist. – Für Stahlwalzen von d cm Durchmesser und l cm Länge gilt P = 50 d l (vgl. Laufräder).

Mit Bezug auf Fig. 12 ist, wenn i-Kugeln den Umfang gerade füllen, d = D₀ sin (180/i) und D₀ = D + 2 e + d. Mit e = 0,45 d erhält man folgende Uebersicht und kann D unter Berichtigung von e nach oben oder unten abrunden, auch Zwischenwerte einschalten:

[506] Vgl. a. die Art. Kugelherstellung, Kugelprüfung und Auflager der eisernen Brücken.

Literatur: [1] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1899, S. 466. – [2] Ebend. 1900, S. 337. – [3] Ebend. 1900, S. 471. – [4] Ebend. 1901, S. 73–118 u. 1421; 1902, S. 1341–1470, und Forschungsarbeiten, Heft 7, Stribeck. – [5] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1903, S. 21. – [6] Ebend. 1903, S. 425. – [7] Ebend. 1903, S. 1719. – [8] Ebend. 1906, S. 692. – [9] Ebend. 1907, S. 230. – [10] Ebend. 1908, S. 195. – [11] Ebend. 1908, S. 598. – [12] Ebend. 1908, S. 1185–1241, und Bauschlicher, Die Kugellagerungen, Berlin 1908. – [13] American Machinist 1907, S. 333 ff. – [14] Bach, Maschinenelemente, 10. Aufl., Stuttgart 1908, S. 713. – [15] Werkstattstechnik 1908, S. 247 s. – [16] D.R.P. Nr. 121774 und 153241 (Honneger in Wetzikon bei Zürich).

Lindner.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6 und 7.

Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10., Fig. 11., Fig. 12., Fig. 13., Fig. 14.

Fig. 15., Fig. 16.

Fig. 17., Fig. 18., Fig. 19., Fig. 20., Fig. 21., Fig. 22.

Fig. 23.

Fig. 24., Fig. 25.

Fig. 26., Fig. 27.