Leitfaden zu Schrägkugellagern: Bauarten, Einsatzbereiche und Vorspannung

Schrägkugellagersind für Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsanwendungen unverzichtbar.

Sie eignen sich besonders für Werkzeugmaschinenspindeln, Luft- und Raumfahrtausrüstung sowie Präzisionsmaschinen.

Ihre spezielle Konstruktion ermöglicht es den Lagern, auch unter hohen Belastungen eine hohe Steifigkeit und Stabilität aufrechtzuerhalten.

Dieser Leitfaden behandelt die wichtigsten Bauarten, typische Einsatzbereiche, Vorspannmethoden sowie praxisnahe Auswahlhinweise, damit Sie das passende Lager für Ihre Anwendung auswählen können.

Was ist ein Schrägkugellager?

Schrägkugellager sindKugellagerbei denen Innen- und Außenlaufbahnen zueinander winklig angeordnet sind.

Diese Konstruktion ermöglicht dem Lager die Aufnahme vonRadial- und Axiallastenin einer Richtung.

Außerdem ermöglicht sie hohe Drehzahlen und gewährleistet eine hohe Präzision.

Ein wesentlicher Vorteil von Schrägkugellagern ist ihre Fähigkeit, Axiallasten aufzunehmen.

Diese Tragfähigkeit steigt mit zunehmendem Kontaktwinkel des Kugellagers.

Grundbauteile von Schrägkugellagern

• Außenring

• Innenring

• Innere Laufbahn

• Äußere Laufbahn

• Wälzkörper

• Käfig

Funktionsweise von Schrägkugellagern

Kontaktwinkel

Der Kontaktwinkel ist ein wesentliches Merkmal von Schrägkugellagern.

Er bezeichnet den Winkel zwischen der Verbindungslinie der Berührungspunkte von Kugel und Laufbahnen.

Diese Linie wird mit einer weiteren Linie verglichen, die senkrecht zur Lagerachse verläuft. (Typischerweise 15°, 25°, 30°, 40°)

Der Lagerkontaktwinkel bestimmt, wie das Lager Axiallasten aufnimmt.

Lastübertragungsweg

Unter Last wird die Kraft über die Kugeln entlang des Kontaktwinkels übertragen und zwischen den Laufbahnen weitergeleitet.

Dadurch kann das Schrägkugellager sowohl Axial- als auch Radiallasten aufnehmen.

Dies verbessert die Lastanpassungsfähigkeit, die Stabilität und die Laufgenauigkeit während der Rotation.

Bauarten von Schrägkugellagern

Einreihige Schrägkugellager

Merkmale:

• Erhöhte Tragfähigkeit

• Ruhiger und stabiler Lauf

• Einfache Montage mit universeller Passgenauigkeit

Einreihiges Schrägkugellager:7200 BECBP

Einsatzbereiche mit hoher Steifigkeit:

• Kompressoren

• Materialflusssysteme

• Schraubenkältemaschinen

• Industriepumpen und Pumpen für allgemeine Anwendungen

• Aufzugswinden

• Elektromotoren

Hinweis

Miniaturschrägkugellagersind kompakte, hochpräzise Ausführungen standardmäßiger einreihiger Schrägkugellager.

Schrägkugellager haben typischerweise Bohrungsdurchmesser unter10 mmund sind für platzkritische, präzisionsrelevante Anwendungen ausgelegt.

Abgestimmte/Duplex-Schrägkugellager

Duplex-Schrägkugellager, auch als abgestimmte Schrägkugellager bezeichnet, werden als Präzisionspaar ausgeführt.

Sie nehmen kombinierte Belastungen auf und eignen sich für spezifische Einbausituationen. Im Folgenden sind drei gängige Ausführungen aufgeführt:

O-Anordnung (DB)

Schrägkugellager in O-Anordnung weisen folgende Merkmale auf:

• Sie nehmen sowohl radiale als auch axiale Belastungen aus beiden Richtungen auf. Axialkräfte aus beiden Richtungen werden aufgenommen, jedoch jeweils nur von einem Lager getragen.

• Durch den großen Abstand zwischen den Lastangriffspunkten ergibt sich eine hohe Momententragfähigkeit.

• Sie lassen nur eine geringe Schiefstellung zu.

• Diese Lageranordnung bietet eine hohe Steifigkeit.

• Sie widerstehen Kipp- und Überkippmomenten.

• Die Lastlinien verlaufen nach außen versetzt zur Lagerachse.

X-Anordnung (DF)

Schrägkugellager in X-Anordnung zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

• Sie nehmen radiale und axiale Belastungen aus beiden Richtungen auf, wobei jede Axialkraft von nur einem Lager getragen wird.

• Die Momenttragfähigkeit ist aufgrund des geringeren Abstands zwischen den Lastangriffspunkten reduziert.

• Im Vergleich zur O-Anordnung ermöglichen sie eine größere Schiefstellung.

• Sie weisen eine geringere Steifigkeit als O-Anordnungen auf.

• Die Lastlinien verlaufen zur Lagerachse hin konvergierend.

Tandem-Anordnung (DT)

Schrägkugellager in Tandem-Anordnung bieten unter anderem folgende Vorteile:

• Eingesetzt, wenn die Tragfähigkeit eines einzelnen Lagers nicht ausreicht.

• Verteilt radiale und axiale Lasten gleichmäßig auf beide Lager.

• Verfügt über parallele Lastpfade.

• Nimmt Axiallasten nur in einer Richtung auf.

• Werden Axiallasten aus beiden Richtungen aufgenommen, muss ein drittes Lager ergänzt und dem Tandem-Paar gegenüber angeordnet werden.

Doppelreihige Schrägkugellager

Eindoppelreihiges Schrägkugellagerbesteht aus zwei einreihigen Schrägkugellagern.

Diese Schrägkugellager sind in einer einzigen Baugruppe O-Anordnung angeordnet.

Wichtige Merkmale:

• Benötigt weniger axialen Bauraum

• Bietet eine kompakte Alternative zu in O-Anordnung angeordneten einreihigen Schrägkugellagern, die mehr axialen Bauraum benötigen.

• Nimmt radiale und axiale Lasten in beiden Richtungen auf

• Hält Kipp- beziehungsweise Überkippmomente aus

• Bietet eine hochsteife Lageranordnung

Einsatzbereiche:

• Elektromotoren

• Pumpen und Kompressoren

• Werkzeugmaschinenspindeln

• Getriebe

• Förderanlagen und fahrerlose Transportsysteme (AGV)

• Textilindustrie

Zweireihiges Schrägkugellager:3200 ATN9

Zweireihige Schrägkugellager mitgedichteten und abgeschirmten Ausführungenbieten in anspruchsvollen Anwendungen einen verbesserten Schutz, eine hohe Lebensdauer und zuverlässigen Betrieb.

Je nach Anwendungsanforderung sind sie mit Dichtungen aus Gummi oder mit Metallblechen erhältlich.

Gummidichtungen eignen sich für feuchte, staubige Umgebungen, während Metallbleche vor allem in sauberen, hochdrehenden Anwendungen ihre Stärken ausspielen.

Vierpunktlager

Vierpunktlagerverfügt über einen Kontaktwinkel von 30° und eine geteilte Innenringausführung.

Bei radialer Belastung gehen die Kugeln an Innen- und Außenring jeweils in einen Vierpunktkontakt über.

Diese Konstruktion ermöglicht es einem einzelnen Lager, axiale Lasten in beide Richtungen aufzunehmen.

Bei reinen bzw. hohen Axiallasten verteilt sich die Last auf zwei Kontaktpunkte, ähnlich wie bei Standard-Schrägkugellagern.

Vierpunktlager:QJ 202 N2MA

Merkmale:

• Nimmt Axiallasten in beide Richtungen auf

• Platzsparende Axialbauweise

• Erhöhte Tragfähigkeit

• Praktische teilbare Bauweise

• Optimierte Schmierung

• Einfache Handhabung

Einsatzbereiche:

• Getriebe für Traktoren

• Getriebe für Roboter

• Servomotoren

• Industriegetriebe

• Luft- und Raumfahrtanwendungen

Einen direkten Vergleich dieser drei Ausführungen finden Sie untereinreihige vs. zweireihige vs. Vierpunktlager.

Wie Sie Schrägkugellager auswählen

Bei der Auswahl von Schrägkugellagern sind verschiedene Anwendungsparameter sorgfältig zu berücksichtigen.

Dazu zählen Drehzahl, Lastrichtung und Anforderungen an die Steifigkeit.

Auch Faktoren wie Kontaktwinkel, Werkstoffe und Paarungsanordnungen sind von Bedeutung.

Grundlegende Anwendungsparameter festlegen

• Ziel-Betriebsdrehzahl (rpm)

• Belastungsart

• Erforderliche Steifigkeit

• Bauraumvorgaben

• Platzbeschränkungen

• Betriebsumgebung

Drehzahlgrenzen richtig einordnen

Drei Begriffe zur Drehzahldefinition

• Grenzdrehzahl: Theoretisch maximal erreichbare Drehzahl eines Lagers unter idealen Bedingungen – bei optimaler Schmierung, Belastung und Ausrichtung.

• Referenzdrehzahl: Empfohlene obere Grenze für einen langfristig stabilen Betrieb unter normalen Einsatzbedingungen.

• Tatsächliche Betriebsdrehzahl: Drehzahl der Anlage im normalen Betrieb.

Empfohlene Referenztabelle für Drehzahlen

Hinweis: Achten Sie bei der Lagerauswahl darauf, dass die Referenzdrehzahl ≥ der angestrebten Drehzahl liegt und eine Sicherheitsreserve von 10–30 % eingehalten wird.

Faktoren, die die Referenzdrehzahl beeinflussen

• Lagerpaarung

• Vorspannungsart

• Schmiermethode

• Käfigwerkstoff

Lastanforderungen verstehen

• Schrägkugellager nehmen kombinierte radiale und axiale Belastungen auf und eignen sich ideal für Anwendungen mit hoher Steifigkeit oder Mehrfachbelastung.

• Einreihige Schrägkugellager nehmen Axialkräfte nur in einer Richtung auf. Für Kräfte in beiden Richtungen werden sie daher üblicherweise paarweise eingesetzt, beispielsweise in DB- (back-to-back) oder DF-Anordnung (face-to-face).

• Zweireihige Schrägkugellager und Vierpunktlager können Axialkräfte in beiden Richtungen direkt aufnehmen. Sie kommen häufig in Anwendungen zum Einsatz, die eine präzise axiale Positionierung erfordern oder hohe Axiallasten übertragen.

• Für hoch belastete Anwendungen empfiehlt sich die Auswahl von Lagern mit großem Kontaktwinkel, beispielsweise 40°. Auch mehrreihige Ausführungen eignen sich gut zur Erhöhung der Tragfähigkeit.

Den passenden Kontaktwinkel wählen

Je nach Drehzahl- und Axiallastanforderung eignen sich unterschiedliche Kontaktwinkel.

Eine erste Auswahlempfehlung finden Sie in der folgenden Tabelle.

Bei der Lagerauswahl ist es außerdem wichtig, die von den einzelnen Marken verwendeten Winkelcodes zu prüfen. (z. B. Schrägkugellager von NSK A5 = 25°).

Werkstoffe und Käfige auswählen

Vorspannung bei der Auslegung berücksichtigen

Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsanwendungen wie Spindeln und Servomotoren ist die Vorspannung ein wesentlicher Auslegungsfaktor.

Sie erhöht die Steifigkeit und reduziert Vibrationen. Die Vorspannung sollte im Rahmen der Lagerauswahl sorgfältig berücksichtigt werden.

Die Vorspannung steht in engem Zusammenhang mit dem Berührungswinkel und der Paarungsanordnung der Lager.

Die konkrete Vorspannungsmethode – etwa mit Federn oder Distanzringen – wird in der Regel bei der Montage festgelegt.

Sie richtet sich nach den Betriebsbedingungen und den Leistungsanforderungen der Anwendung.

Lageranordnung wählen (DB/DF/DT)

Werkstoffe von Schrägkugellagern

Werkstoffe für Ringe und Wälzkörper

Chromstahl

Standardwerkstoffe:

Eigenschaften:

• Hohe Härte und Verschleißfestigkeit

• Gute Zerspanbarkeit.

• Geeignet für die meisten standardmäßigen industriellen Anwendungen.

Typische Anwendungen:

• Wälzlager für Elektromotoren und Antriebssysteme in der allgemeinen Maschinenbauanwendung.

• Werkzeugmaschinen, Kraftfahrzeuggetriebe und schnelllaufende Rotationsteile.

• Lager für unterschiedlichste Industrieanlagen und -maschinen.

Verschiedene legierte Stähle (durch Nitrieren und weitere Verfahren behandelt)

Beispielwerkstoffe:

• X30CrMoN15-1 (X30)

• Cronidur 30 (nitridierter rostfreier Stahl)

Eigenschaften:

• Die Nitrierschicht erhöht die Oberflächenhärte und verlängert dadurch die Lebensdauer;

• Hervorragende Ermüdungs- und Verschleißfestigkeit;

• Arbeitet stabil bei extremen Temperaturen (von -70°C bis +250°C).

Typische Anwendungen:

• Luft- und Raumfahrt, Präzisionsinstrumente.

• Hochgeschwindigkeitsspindellager, Kreiselinstrumente für die Luft- und Raumfahrt.

• Militärtechnik, Kernkraft und Detektionstechnik.

Rostfreier Stahl

Gängige Werkstoffe:

AISI 440C, AISI 316L, AISI 304

Eigenschaften:

• Gute Korrosions- und Rostbeständigkeit

• Geeignet für feuchte, hochfeuchte oder chemisch belastete Umgebungen

• Etwas geringere Härte als GCr15, ideal für Anwendungen mit geringer bis mittlerer Belastung

Typische Anwendungen:

• Medizintechnik, Laborinstrumente

• Maschinen für die Lebensmittelverarbeitung

• Schiffs- und Marineausrüstung, Reinigungssysteme

Keramik

Merkmale: hohe Härte, niedriger Reibungskoeffizient, ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und gute Hochtemperatureigenschaften.

• Hybridkeramik: Wird häufig in Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsmaschinen eingesetzt, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie.

• Vollkeramiklager: Geeignet für Hochtemperatur-, Vakuum- oder chemisch korrosive Umgebungen.

KäfigWerkstoffe

Montage und Vorspannung von Schrägkugellagern

Grundlagen der Vorspannung

Vorspannungbezeichnet das gezielte Voranlegen einer geringen Kraft auf das Lager.

Dies erfolgt, bevor das Schrägkugellager einer äußeren Belastung ausgesetzt wird.

Dadurch bleibt der Wälzkontakt der Wälzkörper mit den Laufbahnen erhalten.

Auch ohne äußere Belastung bleibt das Lager intern stabil.

Funktion:

• Erhöhung der Steifigkeit

• Reduzierung von Schwingungen

• Steigerung der Genauigkeit

• Verbesserung der Lastverteilung

Methoden der Vorspannung:

• Konstante Vorspannung: Sie wird durch den Einsatz von Komponenten wie Federn oder Distanzstücken erreicht, um eine feste Vorspannkraft aufrechtzuerhalten.

• Variable Vorspannung: Die Vorspannung wird an die Betriebsbedingungen angepasst und in der Regel mithilfe mechanischer Elemente wie Passscheiben oder Einstellvorrichtungen realisiert.

Montageverfahren

Methoden zur Einstellung der Vorspannung

• Passscheiben: Dünne Scheiben zur Einstellung der Vorspannung durch Hinzufügen oder Entfernen von Lagen.

• Distanzringe: Sie halten einen definierten Abstand zwischen den Lagerbauteilen und ermöglichen so die Kontrolle der Vorspannung.

• Federn: Sie erzeugen eine konstante Vorspannung für einen gleichmäßigen Lagerdruck und werden zwischen den Lagerringen oder zwischen Lager und Gehäuse angeordnet.

• Konische Scheiben: Sie bringen in gepaarten Lagern eine axiale Vorspannung ein und ermöglichen durch ihre schräge Ausführung eine präzise Einstellung.

Hinweise zur Montage

• Bei der Einstellung der Vorspannung ist darauf zu achten, die Lagerringe nicht zu stark einzuschränken. Andernfalls entstehen erhöhte Reibung, Wärmeentwicklung und ein vorzeitiger Lagerschaden.

• Eine korrekte Ausrichtung und das erforderliche Lagerspiel müssen eingehalten werden, um eine ungleichmäßige Belastung der Wälzkörper zu vermeiden.

Empfehlungen zur Vorspannung

Schrägkugellager vs. Rillenkugellager

Einen vertieften Praxisvergleich dieser beiden Lagertypen finden Sie unterRillenkugellager vs. Schrägkugellager.

Fazit

Schrägkugellager sind für hochdrehende, hochpräzise Anwendungen von zentraler Bedeutung, da sie Radial- und Axiallasten gleichzeitig aufnehmen.

Bei der Auswahl des geeigneten Lagers sind Drehzahl, Belastung und Baugröße zu berücksichtigen.

Nach der Wahl der Bauart sollten Sie auf der Website des Herstellers von Schrägkugellagern Modell, Abmessungen und Montageverfahren auf Kompatibilität prüfen.

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