Passungstoleranz für Lager mit konstantem Querschnitt: Prüfung von Wellen-, Gehäuse- und Ringverformungen

Ein Konstantquerschnittslager kann auf der Werkbank frei drehen und sich nach dem Verschrauben des Gehäuses dennoch verspannen. Das Lager kann dabei weiterhin innerhalb der Spezifikation liegen. Bereits ein leicht unrunder Lagersitz, eine zu enge Übermaßpassung oder eine ungleichmäßige Verspannung können das Verhalten eines dünnwandigen Rings nach der Montage verändern.

Es gibt keine einzige Passungstoleranz, die für jedes Konstantquerschnittslager gleichermaßen geeignet ist. Die Passung ist anhand der Maßgrenzen des Lagers, des Innenspiels oder der Vorspannung, des belasteten Rings sowie der Betriebstemperaturen auszuwählen. Anschließend sind die Geometrie des Lagersitzes und das Verhalten im eingebauten Zustand zu prüfen.

Mit der Angabe einer Passung wie H7 oder k5 ist die Aufgabe noch nicht erledigt. Auf einer Welle mit 50.8 mm (2 in) erzeugt k5 bei KA020CP0 ein Übermaß von etwa 2–30 µm, während das veröffentlichte radiale Innenspiel im unmontierten Zustand nur 0–12.7 µm beträgt. Beide Werte beschreiben unterschiedliche Größen, doch gerade der Abstand zwischen ihnen erfordert eine genaue Betrachtung.

Dieser Leitfaden behandelt die in Abbildung 1 dargestellten Schnittstellen zwischen Welle und Gehäuse. Informationen zu Lagertypen und zur allgemeinen Auswahl finden Sie in unserem Auswahlleitfaden für Dünnringlager.

Warum Konstantquerschnittslager eine genauere Betrachtung erfordern

Innerhalb der übergeordneten Gruppe der Dünnringlager bleiben Konstantquerschnittsreihen bei zunehmender Bohrungsgröße bei demselben Querschnitt. Die KA-Baureihe mit einem Querschnitt von 1/4 in × 1/4 in behält denselben radialen Querschnitt von 0.25 in (6.35 mm), unabhängig davon, ob die Bohrung 2 in oder 4 in beträgt. Das entspricht bei 2 in 12.5 % und bei 4 in 6.25 % des Bohrungsdurchmessers.

So dünnwandige Ringe folgen in hohem Maße der Form ihrer Auflage. Ein unrunder Lagersitz kann in die Laufbahn eindrücken, und eine ungleichmäßige Schulter kann den Ring verkippen.

Drei getrennte Prüfungen decken dies ab:

• Maß: Ergeben die Durchmesser von Welle und Gehäuse die vorgesehene Spiel-, Übergangs- oder Übermaßpassung?

• Form: Sind die Lagersitze rund, gerade und zueinander fluchtend?

• Montiertes Verhalten: Erfüllt die montierte Baugruppe die Grenzwerte für Lagerspiel, Drehmoment und Rundlauf?

Eine Bohrung, die die Maßprüfung besteht, hat damit nur die erste Frage beantwortet.

Beginnen Sie damit, gegen welchen Ring sich die Last dreht

Entscheidend ist, ob sich die Lastrichtung um den Ring herum bewegt. Nehmen Sie eine rotierende Welle mit einer zum Maschinengehäuse feststehenden Radiallast. Dann ist der Innenring einer umlaufenden Last ausgesetzt, während am Außenring eine stehende Last anliegt. Dreht sich stattdessen das Gehäuse bei feststehender Welle und gleicher, ortsfester Last, kehren sich die Verhältnisse um.

Ein Ring unter umlaufender Last benötigt eine ausreichende Sicherung, damit kein Wandern entsteht, bei dem sich der Ring langsam auf seinem Sitz verdreht und diesen verschleißt. Die übliche Lösung ist Übermaßpassung, in der Praxis also ein Presssitz. Ein Ring unter stehender Last kann je nach Lagefixierung häufig mit Spiel- oder leichter Passung montiert werden. Wechselbelastungen, Stoßbelastungen und unklare Lastrichtungen sind gesondert zu beurteilen.

Bei einem dünnwandigen Ring kann ein größeres Übermaß außerdem die Form der Laufbahn verändern und das innere Lagerspiel verringern. Erhöhen Sie die Passung nicht so lange, bis das Wandern verschwindet, ohne zuvor Lagerspiel oder Vorspannung zu prüfen. Legen Sie zunächst die Lagerbauart fest: Ein Radiallager, ein Vierpunktlager und ein abgestimmtes Schrägkugellager-Paar können unterschiedliche Montagerichtungen erfordern.

H7 und k5 als Zahlenwerte lesen

H7 und k5 sind Toleranzfelder nach ISO 286. H7 ist ein Bohrungsfeld und k5 ein Wellenfeld. Die folgenden Beispiele verwenden KA020CP0, dessen Nennbohrung 2 in (50.8 mm) und dessen Nenndurchmesser außen 2.5 in (63.5 mm) beträgt. Beide liegen im Nennmaßbereich 50–80 mm der Norm (über 50 mm bis einschließlich 80 mm). Die Grenzabmaße lauten:

Grenzabmaße nach ISO 286-2:2010 für den Nennmaßbereich 50–80 mm. Es handelt sich um Maßgrenzen, nicht um eine Montageempfehlung für dieses Lager.

Der Lagerring besitzt eigene veröffentlichte Grenzmaße, die zu diesen Werten hinzukommen. Erst diese Kombination ergibt den tatsächlichen Passungsbereich.

Eine Vorzeichenregel für beide Sitze

Wenden Sie an beiden Fügestellen dieselbe Regel an: Diametrales Übermaß = Durchmesser des Innenteils − Durchmesser des Außenteils. Positiv bedeutet Übermaß. Negativ bedeutet Spiel.

• An der Welle ist das Innenteil die Welle und das Außenteil die Lagerbohrung.

• Am Gehäuse ist das Innenteil der Lageraußendurchmesser und das Außenteil die Gehäusebohrung.

Wellentoleranz und Lagersitz: Beispiel Innenring

Für KA020CP0 ist eine Bohrungstoleranz von −0.0006 in bis 0 angegeben, entsprechend −15.24 µm bis 0. Damit liegt die Bohrung bei 50.78476 bis 50.80000 mm. Das veröffentlichte radiale Lagerspiel beträgt 0–0.0005 in (0–12.7 µm).

Die Wellenmaße ergeben sich aus den oben genannten ISO-Toleranzfeldern. Es handelt sich um ein Rechenbeispiel, nicht um eine Passungsempfehlung von LILY Bearing.

Betrachten wir k5. I_min = 50.80200 − 50.80000 = +0.00200 mm und I_max = 50.81500 − 50.78476 = +0.03024 mm. Die Streuung von 28.24 µm setzt sich aus dem 13 µm breiten Wellen-Toleranzfeld und der 15.24 µm Bohrungstoleranz zusammen.

Das maximale Übermaß von 30.24 µm ist mehr als doppelt so groß wie das größte veröffentlichte radiale Lagerspiel im unmontierten Zustand von 12.7 µm. Beide Werte sind nicht austauschbar, da nur ein Teil des Übermaßes bis zur Laufbahn wirksam wird; der tatsächliche Anteil hängt von Ringabmessungen, Wellensteifigkeit und Oberflächenzustand ab. Der Vergleich zeigt dennoch, warum sich k5 nicht pauschal aus einer allgemeinen Tabelle übernehmen lässt.

h5 bringt das gegenteilige Problem mit sich. Das Toleranzfeld umfasst auch lose Passungen, und ein loser Ring kann unter rotierender Belastung wandern. Welches Toleranzfeld gegebenenfalls passend ist, lässt sich nur anhand der Zeichnung und einer technischen Prüfung entscheiden.

Eine einzelne Montage, die sich passend anfühlt, bestätigt noch nicht den zulässigen Zeichnungsbereich. Prüfen Sie für die Auslegung in der Produktion stets die ungünstigsten Kombinationen. Wenn Bauteile selektiv gepaart werden, ist dies in der Zeichnung ausdrücklich zu kennzeichnen, statt davon auszugehen, dass jede Welle in jedes Lager passt.

Beispiel Gehäuse zu Außenring

Für KA020CP0 ist eine Außendurchmessertoleranz von −0.0005 in bis 0 (−12.7 µm bis 0) angegeben, sodass sich für den Lageraußendurchmesser 63.4873 bis 63.5000 mm ergeben. Mit einem H7-Gehäuse (63.500–63.530 mm):

• I_min = 63.4873 − 63.530 = −0.0427 mm (42.7 µm Spiel)

• I_max = 63.500 − 63.500 = 0.000 mm (liniengleich)

Der Außenring liegt damit zwischen liniengleichem Sitz und 42.7 µm Spiel. Abbildung 2 stellt beide berechneten Bereiche dar. Bei stehender Belastung kann dies zulässig sein, sofern die Gehäusebohrung rund bleibt und der Ring gemäß Auslegung positioniert und gesichert wird. Drucken Sie die Vorzeichenregel auf den Prüfplan, damit „+10 µm“ für Konstruktion und Prüfung dieselbe Bedeutung hat.

Gibt es eine Passungstoleranz-Tabelle für Lager mit konstantem Querschnitt?

Es handelt sich nicht um ein universelles Diagramm; das gilt auch für jede Toleranztabelle für den Lagersitz bei Presssitzen. Katalogtabellen setzen stets einen bestimmten Lagertyp, eine bestimmte Ringdicke, das Stützmateral und die Belastungssituation voraus. Teilweise wird sogar von Stahlschäften sowie Gehäusen aus Gusseisen oder Stahl ausgegangen; ein dünnwandiger Ring in einem Aluminiumgehäuse widerspricht dieser Annahme.

Verwenden Sie die Tabelle zunächst für eine erste Abschätzung. Prüfen Sie anschließend anhand der Zeichnung zu Ihrer konkreten Teilenummer die Maßgrenzen, das interne Lagerspiel oder die Vorspannung sowie die zulässige Sitzgeometrie. Im Abschnitt „Lassen Sie die Passung vor der Freigabe von Zeichnungen prüfen“ ist aufgeführt, welche Unterlagen Sie uns für diese Prüfung zusenden sollten.

Prüfen Sie die Sitzgeometrie, bevor Sie die Passung ändern

Messen Sie nicht nur den Durchmesser, sondern auch die Form. Als erste Prüfung in der Fertigung sollten Sie an drei axialen Positionen jeweils in zwei zueinander senkrechten Richtungen messen, also insgesamt sechs Messwerte erfassen. Diese Werte können Konizität und deutliche Ovalität erkennen lassen. Sie belegen jedoch weder Rundheit noch Zylindrizität. Abbildung 3 zeigt, welche Auswirkungen ein verformter Sitz auf einen dünnwandigen Ring haben kann.

Zweipunkt-Durchmessermessungen können unregelmäßige mehreckige Formen, einschließlich dreilappiger Geometrien, übersehen; ähnliche Messwerte beweisen daher nicht, dass ein Sitz rund ist. Für eine festgelegte Rundheitstoleranz verwenden Sie ein Verfahren, das diese auch bewerten kann. NIST beschreibt die Rundheitsmessung anhand vollständiger 360°-Messverläufe, einschließlich des Einflusses des Spindelfehlers des Messgeräts.

Prüfen Sie außerdem die Planheit der Anlageflächen, den Planlaufschlag der Schultern sowie die Ausrichtung getrennter Sitze zu den Bezugsebenen der Zeichnung. Schultern und Spannflächen dürfen nur den jeweils abgestützten Ring berühren; der andere Ring, der Käfig oder eine Dichtung dürfen nicht beeinträchtigt werden. Veröffentlichte Ringstirnflächen-Durchmesser sind nützliche Referenzwerte, stellen jedoch keine freigegebenen Grenzwerte für Schultern oder Spannflächen dar. Maßgeblich sind die Angaben der Montagezeichnung. Achten Sie darauf, dass der Eckradius die Lagerfase freigibt: Ein Ring, der auf dem Radius aufliegt, kann optisch korrekt montiert wirken, obwohl seine Stirnfläche nicht abgestützt ist.

Wenn Sie zunächst nur eine Prüfung durchführen können, vergleichen Sie die Gehäusebohrung vor und nach dem Anziehen der Befestigungselemente. Bei einem geteilten Gehäuse oder einer flexiblen Montageplatte sollten Sie dies in dem in der Zeichnung definierten montierten Zustand tun. Wenn das Anziehen die Bohrung außerhalb ihrer Grenzwerte verschiebt, wird ein neues Lager das Stützproblem nicht beheben.

Temperatur und axiales Längenwachstum

Maße lassen sich nur auf Basis einer gemeinsamen Referenz vergleichen. Die standardisierte Bezugstemperatur beträgt 20 °C, wie NIST in seinem Beitrag zur Revision von ISO 1 aus dem Jahr 2016 erläutert. Wenn Sie eine enge Passung prüfen, erfassen Sie die Temperaturen von Bauteil und Messmittel.

Für eine einfache Abschätzung der freien Ausdehnung verwenden Sie ΔD = α × D × ΔT, wobei α der lineare Ausdehnungskoeffizient, D der Durchmesser und ΔT die Temperaturänderung ist.

Diese Werte dienen lediglich der Veranschaulichung und sind keine zertifizierten Eigenschaften eines LILY Modells. Nehmen wir ein Aluminiumgehäuse (α ≈ 23 × 10⁻⁶ /°C) um einen Außenring aus Stahl (α ≈ 12 × 10⁻⁶ /°C) mit einem Durchmesser von 63.5 mm und einem Temperaturanstieg von 40 °C.

(23 − 12) × 10⁻⁶ × 63.5 mm × 40 = 0.02794 mm, also 27.94 µm

Das liegt nahe an der Breite von 30 µm des H7-Feldes. Unter diesen Annahmen (gleiche Temperaturen, freie Ausdehnung) öffnet Erwärmen das Gehäuse gegenüber dem Ring, während Abkühlen es wieder schließt. Ob beim Abkühlen eine Übermaßpassung entsteht, hängt von der Ausgangspassung ab.

Auf der Seite von KA020CP0 ist ein Betriebstemperaturbereich von −30 °C bis 110 °C angegeben. Wenden Sie für diesen Bereich dieselben Koeffizienten an, ausschließlich als Beispiel. Beim Abkühlen von 20 °C auf −30 °C verringert sich die Durchmesserdifferenz um 34.925 µm. Beim Erwärmen auf 110 °C erhöht sie sich um 62.865 µm.

Ein Gehäuse, das mit der Passungsspielgrenze von 42.7 µm ausgelegt ist, verfügt bei −30 °C noch über rund 7.8 µm Restspiel. Beginnt die Auslegung Linienpassung an Linie, ergibt sich am Ende eine Übermaßpassung von etwa 34.9 µm. Dabei handelt es sich um Abschätzungen der Passungsänderung, nicht um gemessene Übermaßwerte oder freigegebene Montagetemperaturen. Die Koeffizienten variieren je nach Legierung und Temperatur; zudem müssen abgestützte Bauteile oder unterschiedliche Bauteiltemperaturen separat bewertet werden.

Entlang der Welle ergibt derselbe Stahlkoeffizient für eine 500 mm Welle 12 × 10⁻⁶ × 500 mm × 40 °C = 0.24 mm (240 µm). Auch Gehäuse und Tragkonstruktion dehnen sich aus; vergleichen Sie daher die Ausdehnung der einzelnen Bauteile. Legen Sie fest, welche Lagerstelle die Welle axial positioniert und wo Relativbewegung zulässig ist. Wird diese Bewegung behindert, kann sich eine ungewollte Axiallast aufbauen, deren Größe von der Steifigkeit der Baugruppe abhängt.

Eine Spielpassung allein garantiert nicht, dass ein Ring axial ausweichen kann, denn Schultern, Spannflächen, Dichtungen und Reibung auf dem Sitz können ihn festhalten. Lösen Sie keine Spannvorrichtung, die eine Vorspannung erzeugt, nur um Beweglichkeit zu schaffen.

Prüfen Sie die Baugruppe in vier Stufen

Reproduzierbare Bedingungen stellen sicher, dass jede Messung genau eine Frage beantwortet. Die letzte Spalte zeigt, worauf Sie zuerst achten sollten, wenn in dieser Stufe erstmals Schwergängigkeit auftritt. Dabei handelt es sich um Prüfschwerpunkte, nicht um Diagnosen.

Legen Sie die Abnahmekriterien vor Beginn der Prüfung fest und dokumentieren Sie Vorrichtung, Last, Drehzahl, Temperatur, Schmierung sowie die Messunsicherheit der Instrumente. Derselbe Drehmomentwert kann bei einem Mechanismus unkritisch und bei einem anderen zu hoch sein. Anfahrmoment und Laufmoment sind getrennt zu bewerten. Eine reproduzierbare Schwergängigkeit deutet eher auf die Geometrie hin, doch Verschmutzung und Lagerschäden können sich ähnlich äußern; eine Diagnose allein auf Basis eines Handdrehtests ist daher nicht zulässig.

Beim Aufpressen eines Rings ist die Kraft auf den jeweils zu montierenden Ring einzuleiten, und zwar über ein Werkzeug, das seine Stirnfläche gleichmäßig abstützt. Drücken Sie niemals über die Wälzkörper. Für die thermische Montage sind die für das Produkt freigegebenen Temperaturgrenzen einzuhalten. Die zulässige Betriebstemperatur ist nicht automatisch auch eine sichere Montagetemperatur.

Erstellen Sie das Datenblatt anhand der Modellseite

Auf der CS-Kategorieseite können Sie Modelle nach Abmessungen, Belastungsrichtung, Werkstoffen und Abdichtung filtern. Die Modellseite liefert anschließend die Ausgangsdaten für die Passungsbeurteilung. Hier ist KA020CP0; die Zollwerte wurden mit dem exakten Umrechnungsfaktor von 25.4 mm pro Zoll umgerechnet (NIST SP 811, Anhang B.8):

Die Varianteninformationen von LILY geben an, dass sich Spiel- und Vorspannungswerte auf unmontierte Lager unter null Messlast beziehen. Der montierte Wert kann sich durch Passung, Verspannung und Temperatur verändern. Prüfen Sie außerdem vor der Übernahme von Kataloggrenzwerten für die Inspektion, ob die Zeichnung das Maß als mittleren Durchmesser, lokales Maß oder in einer anderen Definition festlegt.

Die letzten Stellen der Teilenummer sind ebenso wichtig. Bei einer Bezeichnung der Inch-Reihe steht an Position 6 die Lagerbauart, an Position 7 der Käfig, an Position 8 die Toleranzklasse und an Position 9 das Spiel bzw. die Vorspannung. KA020CP0 bezeichnet ein Radialkugellager mit Punktkontakt (C), mit einteiligem Schnappkäfig (P, bei diesem Modell aus Messing), Toleranzklasse 1 / ABEC 1F (0) und Standardspiel.

Es enthält keinen Buchstaben an neunter Stelle; verwenden Sie daher das veröffentlichte Spiel und leiten Sie keines aus der Toleranzziffer ab. Eine andere achte Ziffer kann das Maßtoleranzfeld, den Rundlauf oder beides verändern, und ein Buchstabe an neunter Stelle legt einen bestimmten Spiel- oder Vorspannungsbereich fest. Entschlüsseln Sie die vollständige Bezeichnung anhand der Variantentabelle.

Auch die Bohrung allein definiert den Einbauraum nicht eindeutig. Zwei Radialmodelle auf der Kategorieseite verfügen beide über eine Bohrung von 1 in und einen Außendurchmesser von 1.375 in, unterscheiden sich jedoch in Breite, Abdichtung und Ringstirndurchmesser:

Dabei handelt es sich um Nennmaße und nicht um Bearbeitungsgrenzen; die Umrechnung der Ringstirnflächen ist auf 0.01 mm gerundet. Die unterschiedlichen Ausführungen von Dichtung und Ringstirnfläche sind bei der Prüfung von Werkzeug und Spannfreiheit relevant, auch wenn Bohrung und Außendurchmesser übereinstimmen. Ergänzen Sie die Lagerspiel-, Vorspannungs- und Sitzanforderungen aus der aktuellen Zeichnung des Modells, bevor Sie Wellen- und Gehäusezeichnungen freigeben. Um alle Modelle anzuzeigen, durchsuchen Sie die Lagersortiment mit konstantem Querschnitt (CS).

Lassen Sie die Passung prüfen, bevor Sie Zeichnungen freigeben

Für eine modellspezifische Passungsprüfung, kontaktieren Sie uns mit:

• der genauen Teilenummer, einschließlich eines etwaigen Zusatzes für Lagerluft oder Vorspannung

• Wellen- und Gehäusetoleranzen sowie Werkstoffe

• welchem Ring die Last umläuft und welche Lastrichtungen vorliegen

• den Betriebstemperaturbereich

• Ihre Abnahmekriterien im montierten Zustand für Lagerluft, Drehmoment und Rundlaufabweichung

• die gemessene Sitztopografie sowie die Anzugs- und Messprotokolle, wenn Sie eine bestehende Baugruppe untersuchen

Vorhandene Lager- und Einbauzeichnungen sind hilfreich, sofern sie vorliegen. Die Prüfung sollte die Lagerausführung, die zulässigen Toleranzbereiche der Passflächen, die verbleibende Lagerluft bzw. Vorspannung sowie die Art der Verifikation festlegen.

FAQ

Kann ich eine Lagerbefestigungsmasse verwenden, um einen zu lockeren Sitz auszugleichen?

Nur im Rahmen einer freigegebenen Reparatur- oder Montageauslegung. Eine Befestigungsmasse bringt eigene Anforderungen an Spaltmaß, Aushärtung und Temperaturbeständigkeit mit sich. Sie stellt weder eine unrunde Bohrung wieder her noch korrigiert sie eine Fehlausrichtung.

Sollte das Gehäuse vor oder nach dem Eloxieren bzw. Beschichten gemessen werden?

Messen Sie die endgültige Funktionsfläche und legen Sie in der Zeichnung fest, ob sich die Toleranz auf den Zustand vor oder nach der Oberflächenbehandlung bezieht. Gehen Sie nicht von einer festen Bohrungsänderung je Mikrometer Beschichtung aus. Schichtaufbau, Umwandlung des Grundwerkstoffs, Maskierung und Prozessschwankungen sind dabei ebenso zu berücksichtigen.

Kann ein Dünnringlager nach dem Abpressen von einem Übermaßsitz wiederverwendet werden?

Das hängt vom Bauteil, der Passung und der Art der Demontage ab. Senden Sie unseren Ingenieuren die Teilenummer und die Montagehistorie, damit Sie eine anwendungsbezogene Auskunft erhalten. Welche Angaben erforderlich sind, ist oben unter „Lassen Sie die Passung prüfen, bevor Sie Zeichnungen freigeben“ aufgeführt.

Sind Sitzluft und Lagerluft dasselbe?

Nein. Das Passungsspiel ist der Spalt zwischen einem Ring und seiner Welle bzw. seinem Gehäuse. Das innere Spiel bezeichnet die freie Beweglichkeit zwischen Innen- und Außenring bei unbelastetem Lager; LILY gibt diesen Wert für das nicht montierte Lager an. Eine lose Passung lässt keinen Rückschluss auf das innere Spiel nach dem Aufpressen zu, und eine Übermaßpassung kann es teilweise reduzieren.