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Choose the right bearing

Das interne Lagerspiel: alles was Sie wissen müssen



Für die einwandfreie Funktion einer Maschine ist die Wahl des geeigneten Lagers außerordentlich wichtig. Diese Wahl beginnt schon bei der Bestimmung der Art des Lagers die Sie benötigen. Beispielsweise gibt es einen Unterschied zwischen Gleitlagern und Lagern mit Rollenelementen.

Solche Rollenlager sind für höhere Belastungen geeignet, da sie durch ihre Rollfunktion weniger Reibung verursachen. Im Anschluss an die Art des Lagers ermitteln Sie je nach der betreffenden Anwendung die richtige Belastungsrichtung. Und schließlich wählen Sie noch den richtigen C-Code für das Lager. Dieser Code gibt das Ausmaß des internen Lagerspiels an.

Die Wahl eines bestimmten C-Codes ist ausschlaggebend für die einwandfreie Funktion des Lagers und Ihrer Maschine. Während des Betriebs muss das interne Lagerspiel so gering wie möglich sein. Daher sind im Vorfeld alle Faktoren zu berücksichtigen, die Einfluss auf das Lagerspiel haben.



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C-Codes für das Ausmaß des Lagerspiels


Der C-Code eines Lagers folgt im Anschluss an die vollständige Kennung. Letztere bezeichnet alle Merkmale des Lagers im Hinblick auf das Material, die Schmierung und dementsprechend auch das interne Lagerspiel. Dies sind die 5 am häufigsten vorkommenden C-Codes für das interne Lagerspiel: C1, C2, C3, C4 and C5.

Ein Lager, das mit einem C-Code gekennzeichnet ist, verfügt über zusätzliches internes Spiel. Dabei bietet ein Lager mit C1 das geringste zusätzliche Spiel, eines mit C5 das meiste. Das von einem C3-Lager gebotene Spiel wird als „Normalmaß“ betrachtet. Dementsprechend werden C3-Lager auch am häufigsten eingesetzt.

Die Klassen für radiales Spiel bei nicht eingebauten Lagern sind gemäß ISO-Norm festgelegt:

  • C2 - Spiel kleiner als normal
  • C0 of CN - Der Anwendungsstandard, bei dem mit den normalen empfohlenen Passungen und bei den üblichen Betriebsbedingungen das richtige Spiel verbleibt. Der C0-Code wird auf dem Lager nicht vermerkt.
  • C3 - Spiel größer als C0
  • C4 - Spiel größer als C2
  • C5 - Spiel größer als C4

Lagerspiel und die Lebensdauer des Lagers

Wir empfehlen die Berechnung des Lagerspiels, damit Ihre Wahl auf das richtige Lager fällt. Ein suboptimales Lagerspiel hat nämlich Auswirkungen auf Funktion und Lebensdauer des Lagers. Ihre Auswahl kann darüber entscheiden, ob im Innern des Lagers ein Problem entsteht. Dazu kommt es oft bei Elektromotoren mit hoher Temperatur, durch die sich die Ringe im Lager noch mehr ausdehnen (stärker als erwartet), sodass diese Lager ein höheres Maß an internem Spiel benötigen.




Was ist das interne Lagerspiel?

Das interne Lagerspiel bezeichnet kurz gefasst die Bewegungsfreiheit der zwei Lagerringe, also die Distanz, um die sich der eine Ring im Verhältnis zum anderen bewegen kann. Dieser Spielraum lässt sich bei einem noch nicht eingebauten Lager messen, indem die Ringe in einander entgegengesetzten Richtungen bewegt werden.

Da die Ringe in zwei Richtungen einen Spielraum haben, ist auch oft von zwei Arten des Lagerspiels die Rede:
Das radiale Lagerspiel wird senkrecht zur Mittelachse gemessen.
Das radiale Lagerspiel wird entlang der Mittelachse gemessen.

Sowohl bei radialem als auch bei axialem Lagerspiel wird die gesamte Distanz des Spielraums auf der Welle gemessen: von der einen äußersten Position bis zur anderen äußersten Position. Das Lager wird bei dieser Messung nicht belastet.


Wichtig: Um einen realistischen Wert für das interne Lagerspiel zu erhalten, müssen Sie das Lager doch belasten. Es gibt nämlich einen Unterschied zwischen dem gemessenen Wert vor der Belastung (das geometrische Lagerspiel) und dem tatsächlichen Wert des Lagerspiels während des Betriebs (das theoretische Lagerspiel).

Wenn die Maschine in Bewegung ist und das Lager belastet wird, können sich die Innenringe ausdehnen, während die Außenringe zusammengedrückt werden. Dadurch entsteht eine elastische Verformung, die das interne Lagerspiel beeinflusst. Zudem kann auch thermische Ausdehnung einen Einfluss auf das interne Lagerspiel ausüben. Der Umfang des Lagerspiels nimmt bei diesen Verformungen ab.


Welchen Umfang darf das theoretische Lagerspiel haben?

Der tatsächliche Wert des internen Lagerspiels muss bei Belastung und damit nach dem Einbau so gering wie möglich (einige Mikron) oder sogar gleich null sein. Im Übrigen hängt das richtige Ausmaß des Lagerspiels auch von folgenden Faktoren ab:

  • Einsatzart des Lagers
  • Temperatur in Maschine und Lager
  • Wellen- und Gehäusepassungen des Lagers

Angesichts dieser Einflussfaktoren ist die Auswahl des richtigen C-Codes Präzisionsarbeit. Dabei müssen Sie zunächst das theoretische Lagerspiel korrekt berechnen.



Berechnung des internen Lagerspiels

Sie können das interne Lagerspiel vor dem Einbau des Lagers berechnen. Zu diesem Zweck veranschlagen Sie eine bestimmte Belastung für das Lager, da diese Belastung ja für elastische Verformung und damit auch für Veränderungen am internen Lagerspiel sorgt.

Bei Rollenlagern ist die elastische Verformung minimal, weil durch die Rollfunktion weniger Reibung entsteht. Dadurch dehnen sich die Innenringe nicht so stark aus, und die Außenringe werden dementsprechend nicht so stark komprimiert. Somit sind das theoretische Lagerspiel und das gemessene Lagerspiel bei Rollenlagern nahezu identisch.

Insgesamt werden 5 Arten des internen Lagerspiels unterschieden, die allesamt Gegenstand einer Berechnung sein können. Bei allen fünf Arten werden zudem andere Faktoren berücksichtigt, die Einfluss auf das Lagerspiel ausüben, beispielsweise Wärme, Belastung und elastische Verformung.


Gemessenes internes Lagerspiel (Δ1)

Dies ist das gemessene Lagerspiel bei einer bestimmten Belastung. Die von der Belastung hervorgerufene elastische Verformung (δfo) ist darin inbegriffen.

Diese Art des internen Lagerspiels lässt sich mit folgender Formel berechnen: Δ1 = Δ0 + δfo


Theoretisches internes Lagerspiel (Δ0)

Dies ist das radiale interne Lagerspiel, gemessen ohne Belastung. Dieser Wert gibt also ausschließlich die elastische Verformung an.

Diese Art des internen Lagerspiels lässt sich mit folgender Formel berechnen: Δ0 = Δ1 + δfo

Kugellager weisen eine erhebliche elastische Verformung (δfo) auf, aber bei Rollenlagern ist dieser Wert 0, daher lautet die Formel: Δ0 = Δ1.


Verbleibendes internes Lagerspiel (Δf)

Dies ist das Lagerspiel nach der Montage, aber bevor die Maschine in Betrieb genommen wird. Die elastische Verformung spielt daher in diesem Fall keine Rolle. Das Lagerspiel kann sich jedoch dadurch verringern, dass der Ring sich ausdehnt oder zusammengedrückt wird (δf).

Diese Art des internen Lagerspiels lässt sich mit folgender Formel berechnen: Δf = Δ0 + δf


Effektives internes Lagerspiel (Δ)

Dies ist das Lagerspiel, das in der Maschine durch die Betriebstemperatur entsteht. Die elastische Verformung durch Belastung ist hier nicht inbegriffen. Mit anderen Worten: Dieser Lagerspielwert gilt, wenn Sie ausschließlich die Veränderungen durch die Passung des Lagers (δf) und den Temperaturunterschied zwischen dem Innen- und Außenring (δt) berücksichtigen. Der Wert der Grundbelastung des Lagers gilt nur, wenn das effektive Lagerspiel = 0 ist.

Diese Art des internen Lagerspiels lässt sich mit folgender Formel berechnen: Δ = Δf - δt = Δ0 - (δf+δt)


Operatives Lagerspiel (Δf)

Dies ist das tatsächliche Lagerspiel eines eingebauten und belasteten Lagers in einer in Betrieb befindlichen Maschine. Die Wirkung der elastischen Verformung (δf) ist inbegriffen, ebenso Passung und Temperatur als Einflussfaktoren. Im Allgemeinen wird das operative Lagerspiel bei der Berechnung nicht herangezogen.

Gleichwohl lässt sich diese Art des internen Lagerspiels mit folgender Formel berechnen: Δf = Δ + δf


Das Lagerspiel, dessen Berechnung am wichtigsten ist


Welche Art des Lagerspiels müssen Sie zur Ermittlung des benötigten C-Codes auf jeden Fall berechnen? Das wäre das effektive interne Lagerspiel. Dieser Wert für das Lagerspiel berücksichtigt nämlich die Veränderungen durch die Passung des Lagers sowie die Temperaturunterschiede, die das Lagerspiel beeinflussen. Die elastische Verformung durch Belastung wird außer Acht gelassen, da diese nur eine Rolle spielt, wenn das effektive Lagerspiel = 0 ist.

Das effektive Lagerspiel lässt auch erkennen, wie lange das Lager hält. Theoretisch hat ein Lager, dessen effektives Lagerspiel sich auf einen kleinen negativen Wert beläuft, die längste Lebensdauer. Warum sollte dieser Wert ganz knapp im negativen Bereich liegen? Weil sich dieser Lagerspielumfang bei Belastung, also wenn die Maschine in Betrieb ist, umwandelt, d. h. der Wert bewegt sich ganz knapp in den positiven Bereich. Und dort ist das ideale Lagerspiel anzusiedeln. Wie weit im negativen Bereich der Wert des effektiven Lagerspiels liegen sollte, ist abhängig vom Umfang der Belastung, dem das Lager ausgesetzt ist.

Trotz aller Formeln zur Berechnung des Lagerspiels ist es nahezu unmöglich, im Vorfeld für jedes Lager das perfekte Lagerspiel zu ermitteln. Dabei gilt es, das theoretische Lagerspiel für ein effektives Lagerspiel von 0 oder mit einem knapp negativen Wert zu berücksichtigen.

Möchten Sie dennoch wissen, wann das effektive Lagerspiel dem Optimum möglichst nahe kommt? In dem Fall müssen Sie die beiden folgenden Werte so präzise wie möglich errechnen:
1. Das richtige Ausmaß der Verringerung des Lagerspiels durch Ausdehnung und/oder Komprimierung des Lagerrings (δf)
2. Das richtige Ausmaß der Veränderung des Lagerspiels durch den Temperaturunterschied zwischen dem inneren und dem äußeren Lagerring (δf)





Wodurch wird das interne Lagerspiel beeinflusst?


Weiter oben wurde dargelegt, dass das interne Lagerspiel die Bewegungsfreiheit der Lagerringe bezeichnet. Auf diese Bewegungsfreiheit wirken sich verschiedene Einflussfaktoren aus, nämlich:


  • Die Passung des Innenrings: Der Ring ist stets ein wenig kleiner als die Welle. Darum dehnt sich der Innenring während des Betriebs aus, während sich der Außenring zusammenzieht.
  • Die Passung des Außenrings:Wenn der Außenring eine statische Belastung trägt (und der Innenring sich dreht), wirkt eine Druckkraft auf den Innenring. Dabei drückt der Außenring entweder den Innenring selbst oder den Freiraum zwischen den Ringen ein. Wenn hingegen der Innenring eine statische Belastung trägt (und der Außenring sich dreht), entsteht derselbe Effekt, als wenn der Innenring über eine Presspassung verfügt: Der Innenring dehnt sich aus, und der Außenring zieht sich zusammen.
  • Temperaturunterschied zwischen dem Innen- und Außenring: Bei Belastung des Lagers erhöht sich immer die Temperatur im gesamten Lager. Dadurch ändert sich auch die Temperatur der Rollenelemente. Diese Temperaturänderung lässt sich nur schwer schätzen oder messen. Daher wird davon ausgegangen, dass die Rollenelemente dieselbe Temperatur annehmen wie der Innenring. Die Temperaturunterschiede beeinflussen die Ausdehnung der Ringe.

In welchem Umfang beeinflussen diese Faktoren das Ausmaß des internen Lagerspiels? Das lässt sich mit folgender Formel berechnen:
δt = α Δt De

Erläuterung:

δt: Die Verringerung des radialen Lagerspiels durch den Temperaturunterschied zwischen Innen- und Außenring (in mm)
α: Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient von Lagerstahl = 12,5 • 10-6 (1/⁰C)
Δt: Temperaturunterschied zwischen dem Innen- und Außenring (in ⁰C)
De: Durchmesser des Kanals des Innenrings (in mm)

Für Kugellager: De = (4D + d)

Für Rollenlager: De = (3D + d)



Warum ist der richtige C-Code für ein Lager so wichtig?


Der C-Code gibt an, über wie viel internes Spiel das Lager in der Maschine verfügt. Ihre Wahl trägt entscheidend dazu bei, zu großes internes Lagerspiel zu vermeiden.

Der Umfang des internen Lagerspiels bestimmt nämlich in hohem Maße die operativen Leistungen der Lager. Das hat Konsequenzen für die Nachhaltigkeit, die Stärke von Vibrationen, den von der Maschine ausgehenden Lärmpegel sowie die von der Maschine freigesetzte Wärme. Berechnen Sie daher das effektive interne Lagerspiel, damit Sie die richtige C-Codierung für Ihre Lager auswählen können.

Es folgen einige spezielle Anwendungsbereiche mit dem jeweils optimalen internen Lagerspiel:


Bedingungen während des Maschinenbetriebs Beispiele Optimales internes Lagerspiel, angegeben mit dem C-Code
Erhebliche Wellendurchbiegung Halb schwebende Radlager in Pkw C5 oder vergleichbarer Wert
Dampfstrom durch Hohlwellen oder Druckstäbe, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind Trockenpartie von Papiermaschinen;
Transportrollen in Walzwerken
C3, C4;
C3
Starke Stoßbelastungen/Vibrationen sowie Innen- und Außenring mit Presspassung Traktionsmotoren für Züge;
Schüttelsiebe;
Hydraulische Kupplungen;
Getriebe von Traktoren
C4;
C3, C4;
C4;
C4;
Lose sitzende Innen- und Außenringe Rollenbolzen für Walzwerke C2 oder vergleichbarer Wert
Wenig Lärm und keine Vibrationen Kleine Motoren mit besonderen Spezifikationen C1, C2, CM
Einstellung zur Vermeidung erheblicher Wellendurchbiegung Hauptspindel von Drehbanken CC9, CC1

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