Wälzlager führen und stützen drehende oder schwingende Maschinenteile wie Wellen, Achsen oder Räder und übertragen dabei Kräfte zwischen den Bauteilen. Dieser Überblick erklärt den Aufbau eines Wälzlagers, ordnet die wichtigsten Bauarten nach Belastungsrichtung und Eigenschaften ein und zeigt, nach welchen Kriterien sich ein Lager auswählen lässt. Die Detailthemen des Bereichs sind am Ende aufgeführt.
Was ein Wälzlager leistet
Ein Wälzlager ersetzt die Gleitreibung zwischen zwei Bauteilen durch Rollreibung. Kugeln oder Rollen laufen zwischen zwei Ringen ab und halten die Reibung gering. Nach Angaben des Herstellers SKF ermöglichen Wälzlager dadurch hohe Präzision und hohe Drehzahlen und senken zugleich Geräusch, Wärmeentwicklung, Energieverbrauch und Verschleiß. Wälzlager sind austauschbare Maschinenelemente, die in der Regel nationalen oder internationalen Maßnormen folgen.
Gleitlager arbeiten dagegen mit Gleitreibung statt Rollreibung. Beide Lagerprinzipien haben ihren Platz in der Antriebstechnik.
Aufbau eines Wälzlagers
Ein typisches Wälzlager besteht aus vier Komponenten:
- Innenring und Außenring: Sie tragen die Laufbahnen. Die Pressung im Wälzkontakt und das ständige Überrollen führen zu Ermüdung, deshalb müssen Ringe aus Stahl gehärtet sein. Der Standardwerkstoff für Lagerringe ist laut SKF der Stahl 100Cr6 mit etwa 1 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom.
- Wälzkörper: Kugeln oder Rollen übertragen die Last zwischen den Ringen. Meist bestehen sie aus demselben Stahl wie die Ringe. Bei Bedarf kommen keramische Wälzkörper zum Einsatz; solche Lager gelten als Hybridlager.
- Käfig: Er trennt die Wälzkörper, um die entstehende Reibungswärme zu verringern, hält sie gleichmäßig auf Abstand, führt sie in der unbelasteten Zone und hält sie bei zerlegbaren Lagern beim Ein- und Ausbau zusammen. Üblich sind Käfige aus gestanztem Blech, gefrästem Messing oder Stahl sowie aus Polymeren wie Polyamid.
- Dichtung oder Deckscheibe: Lager mit Abdeckung auf beiden Seiten sind ab Werk mit Fett gefüllt. Sie gelten nach SKF als wirtschaftliche und platzsparende Lösung im Vergleich zu einer externen Abdichtung.
Der Unterschied zwischen den beiden Wälzkörperformen bestimmt viele Lagereigenschaften. Kugeln berühren die Laufbahnen punktförmig. Die kleine Kontaktfläche ergibt eine geringe Rollreibung und erlaubt hohe Drehzahlen, begrenzt aber die Tragfähigkeit. Rollen berühren die Laufbahnen linienförmig. Ein Rollenlager kann bei gleicher Baugröße höhere Lasten, aber nur niedrigere Drehzahlen aufnehmen als ein Kugellager.
Bauarten im Überblick
Die Bauarten unterscheiden sich vor allem in der Richtung der Last, die sie aufnehmen. Bei Radiallagern wirkt die Last überwiegend senkrecht zur Wellenachse, bei Axiallagern in Richtung der Achse. Der Nenndruckwinkel beschreibt die Neigung der Kraftübertragung; je größer er ist, desto höher ist die Axialbelastbarkeit des Lagers. Die folgende Tabelle ordnet die gängigen Bauarten nach den Angaben aus dem Schaeffler-Katalog HR 1 und dem SKF-Hauptkatalog ein.
| Bauart | Typische Belastung | Besonderheiten |
|---|---|---|
| Rillenkugellager | Radiallast, auch kombinierte Last | geräuscharm, geringe Reibung bei offener Ausführung, nur gering winkeleinstellbar |
| Schrägkugellager (einreihig) | kombinierte Last, Axiallast nur in einer Richtung | Axialbelastbarkeit steigt mit dem Nenndruckwinkel; meist paarweise oder satzweise eingebaut |
| Vierpunktlager | niedrige bis mittlere rein axiale Last, auch kombinierte Last | zerlegbar |
| Zylinderrollenlager | hohe Radiallast | Linienkontakt, steifer als Kugellager; Bauformen NU und N als Loslager mit Längenausgleich im Lager |
| Kegelrollenlager (einreihig) | kombinierte Last, Axiallast nur in einer Richtung | zerlegbar, in der Regel paarweise angeordnet |
| Pendelrollenlager, Pendelkugellager, Tonnenlager | kombinierte Last | hohlkugelige Außenringlaufbahn, gleichen Fluchtungs- und Winkelfehler dynamisch aus |
| Axial-Rillenkugellager | niedrige bis mittlere, rein axiale Last | empfindlich gegenüber Winkelfehlern |
| Axial-Nadel-, -Zylinderrollen-, -Kegelrollen- und -Pendelrollenlager | mittlere bis hohe Axiallast in einer Richtung | Axial-Pendelrollenlager sind winkeleinstellbar |
Wer die Zahlenwerte gängiger Reihen nachschlagen möchte, findet sie in den Normion-Tabellen zu Rillenkugellagern und Miniatur-Kugellagern.
Auswahl in fünf Schritten
Die Auswahl eines Lagers ist eine Abwägung mehrerer Anforderungen. Eine sinnvolle Reihenfolge sieht fünf Schritte vor:
1. Last: Richtung und Größe der Belastung festlegen. Reine Radiallast, reine Axiallast und kombinierte Last führen zu unterschiedlichen Bauarten. Muss das Lager Kippmomente aufnehmen, kommen laut HR 1 doppelreihige oder paarweise in X- oder O-Anordnung eingebaute Schrägkugellager in Betracht.
2. Drehzahl: Kugellager erlauben höhere Drehzahlen, Rollenlager höhere Lasten. Jedes Lager hat in den Herstellertabellen eine Bezugsdrehzahl und eine Grenzdrehzahl, die von Schmierung, Dichtung und Käfig abhängen.
3. Umgebung: Temperatur, Verschmutzung, Feuchtigkeit und mögliche Fluchtungsfehler beeinflussen Bauart, Dichtung und Schmierstoff. Fluchtungsfehler, etwa durch Wellendurchbiegung oder nicht fluchtende Lagersitze, lassen sich mit winkeleinstellbaren Lagern ausgleichen. Dynamische Ausgleichsbewegungen nehmen Pendellager auf. Spannlager und Einstell-Nadellager eignen sich nur für statische Einstellbewegungen.
4. Einbauraum: Die Hauptabmessungen metrischer Lager sind in ISO-Maßplänen genormt. Dadurch lassen sich für denselben Einbauraum mehrere Bauarten mit gleichen Außenabmessungen vergleichen.
5. Lebensdauer: Aus Tragzahl, Belastung und Drehzahl ergibt sich die nominelle Lebensdauer. Die Berechnung ist in ISO 281 genormt.
Fest- und Loslager
Eine Welle ist in der Regel mit zwei Lagerstellen geführt. Das Festlager nimmt Axialkräfte auf und führt die Welle axial, das Loslager gleicht Längenänderungen etwa durch Wärmedehnung aus. Zylinderrollenlager der Bauform NU oder N eignen sich als Loslager, weil der Längenausgleich im Lager selbst erfolgt. Bei nicht zerlegbaren Lagern kann der Ausgleich über einen Sitz mit Spiel an einem der beiden Ringe erfolgen.
Weitere Auswahlkriterien
- Geräusch: Rillenkugellager gelten als besonders geräuscharm.
- Steifigkeit: Rollenlager sind wegen des Linienkontakts steifer als Kugellager.
- Reibung: Offene Rillenkugellager laufen mit geringer Reibung; berührende Dichtungen erhöhen sie.
- Montage: Zerlegbare Lager vereinfachen Ein- und Ausbau, Lager mit Kegelbohrung lassen sich auf Spann- oder Abziehhülsen montieren.
- Genauigkeit: Die Standardtoleranzklasse heißt Normal. Für höhere Anforderungen an den Rundlauf gibt es Lager mit engeren Toleranzen, etwa Spindellager.
Normen und Kurzzeichen
Die Lagerabmessungen sind weitgehend genormt. Das erleichtert den Austausch zwischen Herstellern.
| Norm | Inhalt |
|---|---|
| ISO 15 | Hauptabmessungen von Radiallagern (ausgenommen unter anderem Kegelrollenlager) |
| ISO 355 | Hauptabmessungen von Kegelrollenlagern |
| ISO 104 | Hauptabmessungen von Axiallagern |
| ISO 281 | Dynamische Tragzahlen und nominelle Lebensdauer |
| ISO 492 | Maß- und Laufgenauigkeit (Toleranzen) von Radiallagern |
| DIN 623-1 | Kurzzeichen für Wälzlager |
Die Kurzzeichen setzen sich aus Basiszeichen für Lagerart, Reihe und Bohrung sowie Zusatzzeichen für Ausführungen, Dichtungen und Lagerluft zusammen. Die Maßreihen sind durch Durchmesser- und Breitenreihen gekennzeichnet; Lager mit gleicher Bohrung und gleicher Maßreihe besitzen nach ISO-Maßplänen dieselben Hauptabmessungen.
Praxistipps zu Betrieb und Wartung
Einige Grundregeln aus den Herstellerkatalogen:
- Belastungsrichtung und mögliche Fluchtungsfehler vor der Wahl der Bauart klären.
- Winkeleinstellbare Lager nur bei gleichzeitigem Drehen der Ringe schwenken, da sonst die Laufbahnen beschädigt werden können.
- Lagersitze auf Welle und im Gehäuse sauber und maßhaltig fertigen, damit die vorgesehenen Passungen erreicht werden.
- Lager mit Abdeckung auf beiden Seiten sind ab Werk mit Fett gefüllt und können eine externe Abdichtung ersetzen; die Betriebsbedingungen müssen dazu passen.
Ein Wälzlager erreicht seine rechnerische Lebensdauer nur unter passenden Betriebsbedingungen. Dazu gehören ein geeigneter Schmierstoff in ausreichender Menge, eine dem Umfeld angepasste Abdichtung, ein fachgerechter Einbau mit den vorgesehenen Passungen und eine regelmäßige Kontrolle.
Bei kritischen Anlagen ersetzt die Zustandsüberwachung feste Wartungsintervalle.
Zur Befestigung von Bauteilen auf Wellen informiert die Seite Formschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen.
Themen in diesem Bereich
Der Bereich Wälzlager wird um mehrere Detailbeiträge ergänzt. Sie vertiefen die in diesem Überblick angesprochenen Punkte:
- Lagerbezeichnungen: Aufbau von Kurzzeichen wie 6205-2RS-C3 und die Bedeutung von Basis- und Zusatzzeichen.
- Lagerluft: Die Luftklassen C2, CN, C3 und C4, Betriebsluft und die Frage, wann welche Klasse passt.
- Abdichtungen: Unterschiede zwischen Lagern mit Dichtscheiben und mit Deckscheiben.
- Lebensdauer: Berechnung der nominellen Lebensdauer L10 und der Betriebsstunden aus Tragzahl und Belastung.
- Schmierung: Fett oder Öl, Fettmenge und Nachschmierintervall.
- Schadensbilder: Typische Ausfallursachen und ihre Merkmale.
- Rillen- und Schrägkugellager: Unterschiede, Einsatzgebiete und Anordnung.
- Passungen und Toleranzen: Sitze auf Welle und im Gehäuse sowie die Wahl der Toleranzklassen.
- Ein- und Ausbau: Werkzeuge, Presssitz und typische Montagefehler.
Häufige Fragen
Worin unterscheiden sich Kugellager und Rollenlager?
Kugeln berühren die Laufbahnen punktförmig, Rollen linienförmig. Kugellager laufen deshalb mit geringerer Reibung und höherer Drehzahl, Rollenlager tragen bei gleicher Größe höhere Lasten und sind steifer.
Welches Lager eignet sich für kombinierte Radial- und Axiallast?
Für kombinierte Last kommen Rillenkugellager, Schrägkugellager, Kegelrollenlager, Pendelrollenlager und Vierpunktlager in Betracht. Einreihige Schrägkugellager und Kegelrollenlager nehmen Axiallast nur in einer Richtung auf und werden daher meist paarweise eingebaut.
Was bedeutet Fest- und Loslager?
Das Festlager führt die Welle in axialer Richtung, das Loslager lässt Längenänderungen etwa durch Wärmedehnung zu. Je nach Bauart erfolgt der Ausgleich im Lager oder über einen Sitz mit Spiel.
Was gibt die Tragzahl eines Lagers an?
Die dynamische Tragzahl C ist die Belastung, bei der ein Lager eine nominelle Lebensdauer von einer Million Umdrehungen erreicht. Sie steht in den Maßtabellen der Hersteller und dient als Grundlage der Lebensdauerberechnung nach ISO 281.
Sind Lager verschiedener Hersteller austauschbar?
Lager mit gleichem genormtem Kurzzeichen sind laut Schaeffler austauschbar. Grundlage sind die ISO-Maßpläne für die Hauptabmessungen. Innere Maße wie Größe und Anzahl der Wälzkörper sind nicht genormt, daher können sich Tragzahlen unterscheiden.
Quellen und weiterführende Informationen
- SKF: Rolling bearings – Katalog PUB BU/P1 17000/1 EN, Oktober 2018 (Kapitel A.1 Bearing basics)
- Schaeffler: Katalog HR 1 Wälzlager (Kapitel Lagerarten und Hauptabmessungen)
- ISO: ISO 15:2017 Rolling bearings – Radial bearings – Boundary dimensions, general plan
- ISO: ISO 281:2007 Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life
- ISO: ISO 492:2023 Rolling bearings – Radial bearings – Geometrical product specifications (GPS) and tolerance values
