Alles über Kugellager

Kugellager sind die wohl am weitesten verbreitete Form von Wälzlagern. Sie spielen eine große Rolle bei Antriebselementen. Diese bestehen aus verschiedenen Teilen, die miteinander zusammenarbeiten. Dabei verwenden Kugellager kleine Kugeln zwischen einem Innenring und Außenring, um Teile des Lagerelements zu trennen und dabei zu helfen, die Reibung während der Drehung zu reduzieren. Beim Drehen des Laufringes oder Lagergehäuses rollen auch die darin befindlichen Kugeln. Auf diese Weise minimieren sie Reibung und ermöglichen ein leichteres Drehen. Rieben stattdessen zwei Flächen aufeinander, würde dies zu einer hohen Wärmeentwicklung führen.

Die Verwendung von Kugellagern für Fertigungszwecke ist seit der vorletzten Jahrhundertwende weit verbreitet. Kugellager werden aufgrund ihrer Leichtgängigkeit und Reibungsminderung für die Produktion verschiedener mechanischer Instrumente und Geräte verwendet. Sie ermöglichen die relative Bewegung zwischen verschiedenen Bauteilen und die effiziente Energieübertragung im mechanischen Betrieb.

Das Kugellager, wie wir es heute kennen, wurde erstmals zum Ende des 19. Jahrhunderts hergestellt. Phillip Vaughan, ein walisischer Erfinder, erhielt das erste Patent für ein Kugellager. Bei seiner Variante wurde eine Kugel entlang der Nut in der Achsbaugruppe geführt. Der nächste Durchbruch erfolgte 1869 mit der Entwicklung des ersten Radialkugellagers durch den Pariser Fahrradmechaniker Jules Suirray. Das Fahrrad des englischen Rennradlers James Moore verwendete eben dieses Radiallager. Er gewann damit im Jahre 1869 das erste Paris-Rouen-Rennen.

Es gibt zwei Arten von Lasten, die auf Kugellager wirken und ihre Funktion bestimmen. Die radiale Last wird bei Rädergetrieben über den Radius des Bauteils als vertikale Kraft eingeleitet. Die axialen Lasten leiten eine horizontale Kraft in das Lager ein. Die andere zu berücksichtigende Last ist dynamisch und bezieht sich auf die kombinierte Wirkung der radialen und axialen Kräfte.

In jedem Kugellager befinden sich mindestens zwei Lagerringe sowie ein Käfig, in dem sich die Kugeln befinden. Letztere werden in diese Ringe eingesetzt, um die verschiedenen Lasten aufnehmen zu können. Ein Ring ist normalerweise unbeweglich, während ein anderer mit der drehenden Baugruppe (Nabe oder Welle) verbunden ist. Die Kugeln rollen mit dem Lagerring mit; Schmierfett erhöht die guten Rolleigenschaften zusätzlich. Kugellager kommen bei der Herstellung zahlreicher Produkte zum Einsatz, um deren optimale Leistung und Funktionalität zu gewährleisten.

Konkrete Einsatzbereiche von Kugellagern:

• Armbanduhren mit Selbstaufzug
• Luft- und Raumfahrttechnik
• Spiel- und Sportgeräte wie Fidget Spinner und Skateboards
• Kreiselpumpen

Neben offenen Bauformen existieren auch geschlossene Lager, welche auf mindestens einer Seite mit einem Metalldeckel verschlossen sind. Der Deckel verhindert das Eindringen von Schmutz und anderen Fremdkörpern, welche die Funktion des Lagers beeinträchtigen. Er ermöglicht jedoch auch die ungehinderte Ölschmierung des Lagers für einen reibungslosen Betrieb. Auch komplett abgedichtete Kugellager werden seit einigen Jahren immer häufiger verbaut. Sie arbeiten nicht nur sehr effektiv, sondern sind auch besonders zuverlässig. Je mehr Kugeln im Kugellager laufen, desto größer ist die Belastung, die das Lager aufnehmen kann.

Radialkugellager eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen und bieten ein außergewöhnliches Leistungsniveau. Sie werden auch als Rillenkugellager bezeichnet und nehmen radiale oder axiale Lasten auf, die auf die Welle wirken. Für die kombinierte Aufnahme dieser Lasten wird jedoch ein axiales Schrägkugellager benötigt. Die Einstellung des axialen und radialen Lagerwinkels ermöglicht eine gleichmäßige Einleitung der axialen und radialen Kräfte am Schrägkugellager.

Rillenkugellager sind die am häufigsten verwendete Kugellagervariante. Es gibt sie in geschlossener Form, geschirmter Form und mit Sicherungsring. Die Abmessungen der Lagerringe entsprechen genau den Abmessungen der darin laufenden Kugeln. Sie sind zudem für schwere Lasten geeignet. Rillenkugellager nehmen sowohl radiale als auch axiale Kräfte auf. Der Kontaktwinkel kann jedoch nicht angepasst werden, um die relativen Werte der Lasten zu variieren.

Schrägkugellager haben innere und äußere Ringnuten, deren Lagerachsen voneinander getrennt sind. Sie nehmen Lasten mit einer Kombination aus axialen und radialen Kräften auf. Es ist nicht möglich, diese Lager zu demontieren oder die Lagerringe und Kugeln zu entfernen. Sie können jedoch mit relativ vielen Kugeln ausgestattet werden, um axiale und radiale Lasten besser aufnehmen zu können. Solche Lager ermöglichen höhere Geschwindigkeiten und minimieren die für verschiedene Lasten spezifische Reibung. Es gibt drei Arten von Schrägkugellagern: einreihige Lager, zweireihige Lager und Vierpunkt-Kontakt-Lager.

Neben den vorangeführten Bauformen gibt es noch andere, spezielle Varianten, die sich jeweils für andere Aufgaben und Einsatzbereiche eignen:

Linearkugellager sind so konstruiert, dass sie die freie Bewegung in eine Richtung ermöglichen. Sie sind die gängigste Variante von linearen Gleitführungen und gewährleisten eine gleichmäßige, präzise Bewegung entlang einer einachsigen linearen Konstruktion. Diese Kugellager sind selbstschmierend und zeichnen sich durch optimale Leistung und hohe Zuverlässigkeit aus. Sie bestehen aus zwei linearen Kugellagerreihen, die an gegenüberliegenden Seiten des Sockels in vier Schienen laufen.

Miniaturlager, auch als Instrument- oder Mikrolager bezeichnet, haben einen Nennaußendurchmesser von weniger als 9 mm. Kleinkugellager haben einen Nenninnendurchmesser von weniger als 10 mm und einen Außendurchmesser von mehr als 10 mm. Aufgrund der relativ geringen eingeleiteten Kräfte werden Miniatur- und Kleinkugellager meist aus Edelstahl hergestellt.

Selbstausrichtende Kugellager, auch Pendellager genannt, haben einen Innenring und eine Kugelbaugruppe, die von einer halbrunden Laufrille im Außenring gehalten werden. Diese Kugellager sind so konstruiert, dass sie eine geringe Winkelfehlstellung tolerieren, die durch Auslenkungen oder falsche Montage entsteht. In der Regel werden diese Kugellager bei langen Wellen verbaut. Dies ist auf die Schwierigkeiten bei der richtigen Montage der Gehäusebohrungen zurückzuführen. Auch werden solche Lager häufig in mechanische Systeme integriert, bei denen sich die Welle andernfalls im Betrieb biegen könnte. Die Verwendung von selbstausrichtenden Lagern sollte jedoch auf Anwendungen mit geringer axialer Last beschränkt werden, da die Laufrille im Außenring eine begrenzte Auflagefläche für die Wälzkörper bietet.

Das Axiallager ist unter den Drehlagern einzigartig. Wie andere Lager erleichtert es die relative Bewegung zwischen mechanischen Bauteilen; seine primäre Funktion liegt aber in der Aufnahme axialer Lasten. Axiallager werden mit flachen oder ausrichtbaren Sitzen geliefert, die der Form des Außenringsitzes entsprechen. Axiallager nehmen nur axiale Lasten auf.

Wie funktionieren Kunststoffkugellager?

Budgetfreundliche Kunststoffkugellager erfordern keine externe Schmierung und sind dank ihrer Kugeln aus Glas oder Kunststoff korrosionsbeständig. Diese relativ leichten Lager eignen sich für den Einsatz in besonders rauen Umgebungen und sind eine gängige Wahl für die Medizin- und Lebensmittelindustrie.

Wie werden Kugellager montiert?

Kugellager werden in einer Vielzahl von Größen hergestellt. Das Spektrum beginnt bei kleinen Lagern mit einem Außendurchmesser von 1 mm, die in der Regel in kleinen medizinischen Geräten verwendet werden, und endet bei zu Lagern in Industriemaschinen mit einem Außendurchmesser von mehr als 4,5 m. Die Herstellung der Kugeln beinhaltet verschiedene Schritte wie Zerspanung, Wärmebehandlung, Honen, Läppen und Montage. Chromstahl ist das Hauptmaterial, das bei der Herstellung von Kugellagern verwendet wird. Für die Optimierung von Leistung und Lebensdauer werden jedoch verschiedenste Werkstoffe eingesetzt.

Die Produktion der Innen- und Außenringe läuft wie folgt ab:

• Die Ringe werden aus Rohrohren mit einer Art Drehmaschine in die Grundform geschnitten.
• In die Außenringflächen werden die Lagernummer und die Herstellerangaben eingestanzt.
• Die Ringe werden 15 bis 20 Minuten lang auf eine Temperatur von 852 °C erwärmt und anschließend 15 bis 20 Minuten lang bei 190 °C in Öl abgeschreckt und etwa 2 Stunden lang bei 171 °C gehärtet.
• Die Lagerringe werden gehont und mit Schleifscheiben poliert, sodass eine glatte, ebene Oberfläche entsteht.

Herstellung der Kugeln:

• Der ausreichend dimensionierte Draht- oder Stangenrohling besteht aus dem für die Produktion erforderlichen Material.
• Die Rohlinge erhalten in einem Kaltstauchverfahren eine nahezu perfekte Kugelform. Austriebe und Grate werden entfernt, da die Kugeln andernfalls sich abschleifen oder unrund laufen können.
• Die Kugeln werden sanft geschliffen, bis sie eine einheitliche Form haben.
• Die Kugeln werden ähnlich wie bei der Herstellung der Ringe gehärtet.
• Die Kugeln werden erneut geschliffen, damit sie genau den Spezifikationen entsprechen.
• Durch ein Läppverfahren wird sichergestellt, dass die Kugeln den gewünschten Toleranzen und Anforderungen an die Oberflächengüte entsprechen.

Die Komponenten werden nach Abschluss der Ring- und Kugelherstellung montiert. In einem der wichtigsten Montageprozesse werden entsprechend dimensionierte und geformte Bauteile gemäß ihren Toleranzwerten für einen optimalen Lagerlauf kombiniert.

Können Kugellager angeschweißt werden?

Kugellager können nicht ohne Beeinträchtigung ihrer Funktion und Leistung angeschweißt werden. Eine empfehlenswertere Alternative ist die Befestigung mittels Epoxidharzkleber.

Wo gibt es weitere Informationen?

Weitere Informationen zu Kugellagern und zum Kauf finden Sie auf unserer Kugellager-Produktseite. Dort können Sie sich auch über die speziellen Kunststoffkugellager von Igus informieren. Interessant sind auch unsere hochwertigen, aber erschwinglichen Lagerbaugruppen sowie Höhensicherungs- und Rettungsgeräte.

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