Vorspannung und axiale Einstellung sind zentrale, in der Lagertechnik jedoch häufig missverstandene Aspekte. Richtig eingesetzt kann die Vorspannung Probleme wie Schwingungen, Wärmeentwicklung, Geräusche und vorzeitige Ermüdung in Wälzlagern deutlich reduzieren.

Gary Hughes, Produktentwicklungsmanager bei The Barden Corporation, erläutert die Vorteile und Grenzen der drei wichtigsten Verfahren zur Vorspannung: Federn, axiale Einstellung und Duplex-Lager.

Warum die Vorspannung von Wälzlagern wichtig ist

Bei der Vorspannung wird das innere Lagerspiel reduziert oder gezielt eingestellt. Das Maß des inneren Spiels wirkt sich unmittelbar auf folgende Faktoren aus:

  • Geräuschentwicklung und Schwingungen

  • Wärmeentwicklung

  • Ermüdungslebensdauer des Lagers

  • Systemsteifigkeit und Stabilität

Richtig ausgeführt kann die Vorspannung folgende Vorteile bieten:

  • Radiales und axiales Spiel kontrollieren

  • Systemsteifigkeit und Vorhersagbarkeit verbessern

  • Nichtwiederholgenaues Rundlaufverhalten reduzieren

  • Unterschiede in den Kontaktwinkeln bei sehr hohen Drehzahlen minimieren

  • Kugelgleiten bei extremer Beschleunigung kontrollieren

Lagerverhalten: Axiale und radiale Verformung

  • Axialnachgiebigkeit bezeichnet die Verformung zwischen Innen- und Außenring, nachdem das Axialspiel beseitigt und eine Vorspannung aufgebracht wurde. Ursache ist die elastische Verformung von Wälzkörpern und Laufbahnen unter Axialbelastung.

  • Radialnachgiebigkeit ist die durch Radialbelastung verursachte Verformung.

Beide Varianten werden durch Lagerausführung, Berührungswinkel und Lastkennwerte beeinflusst. Zur Optimierung der Lagerlebensdauer sollte die Vorspannung stets so gering wie möglich gewählt werden, um die gewünschte Leistung zu erreichen, ohne übermäßige Wärme zu erzeugen, da dies die Drehzahlgrenze und die Lebensdauer des Lagers beeinträchtigt.

Die drei wichtigsten Methoden der Lager-Vorspannung

Feder-Vorspannung

Die Feder-Vorspannung gilt als einfachste Methode und wird häufig zuerst gewählt. Zu den wesentlichen Vorteilen zählen:

  • Sorgt für eine konstante Vorspannung

  • Geringere Beeinflussung durch Wärmeausdehnung im Vergleich zur starren Vorspannung

  • Gleicht geringe Schiefstellungen aus

  • Ermöglicht den Einsatz von Standardlagern ohne kostspieliges Schleifen zur Vorspannung

Die Feder-Vorspannung hat jedoch auch Grenzen:

  • Kann in der Regel keine wechselnden Axiallasten aufnehmen

  • Erfordert Bauraum für Federn und Federweg

  • Kann aufgrund von Spielpassungen zu einer Fehlausrichtung der Lagerringe führen.

Trotz ihrer Nachteile ist die Feder-Vorspannung nach wie vor weit verbreitet, mit Ausführungen wie Druckfedern, Tellerfedern, Wellfedern und Fingerfeder-Scheiben. In der Regel werden die Federn am nicht rotierenden Außenring mit einer Spielpassung montiert, um die Wirksamkeit der Vorspannung über Temperaturänderungen hinweg sicherzustellen.

Axiale Einstellung

Die axiale Einstellung wird erreicht, indem mindestens zwei Lager gegeneinander angeordnet werden, sodass die Lagerringe axial versetzt sind. Die Vorspannung erfolgt über:

  • Gewindeelemente

  • Präzisionsausgleichsscheiben

  • Distanzringe

Präzisionsgeschliffene Ausgleichsscheiben werden Gewindeelementen vorgezogen, um Fehlausrichtungen zu vermeiden. Ausgleichsscheiben müssen mit Toleranzen von 1–2 μmgefertigt werden, also in derselben Größenordnung wie die Lager selbst.

Bewährte Vorgehensweisen für die axiale Einstellung:

  • Sicherstellen, dass die Ringstirnflächen sauber ausgerichtet und vollständig anliegen

  • Bei der Montage auf äußerste Sauberkeit achten

  • Vermeiden Sie eine zu hohe Vorspannung bei der Montage oder im Betrieb, da sich diese durch thermische Ausdehnung erhöhen kann.

Vorteile:

  • Keine Erhöhung der Lagerreibung

  • Ideal für Anwendungen mit geringem Drehmoment

Duplexlager

Duplexlager verfügen über eine integrierte Vorspannung und werden als abgestimmte Lagersätze geliefert, was die Montage vereinfacht. Die Vorspannung wird durch einen präzise abgestuften Versatz zwischen den Stirnflächen des Innen- oder Außenrings erzeugt.

Vorteile von Duplexlagern:

  • Einfache Montage und geringer Rundlauf

  • Hohe axiale und radiale Steifigkeit

  • Fähigkeit, beidseitige oder hohe einseitige Axiallasten aufzunehmen

Einschränkungen:

  • Erhöhtes Drehmoment und erhöhte Wärmeentwicklung

  • Geringere zulässige Drehzahl

  • Empfindlich gegenüber Fehlausrichtung und thermischer Ausdehnung

  • Weniger anpassungsfähig an Passung mit Übermaß

Duplex-Ausführungen

  • DB (O-Anordnung): Geeignet für exakt ausgerichtete Gehäuse, hohe Kippsteifigkeit und Fälle, in denen die Wellen wärmer laufen als die Gehäuse.

  • DF (X-Anordnung): Wird eingesetzt, wenn eine Schiefstellung aufgenommen werden muss; die zulässige Drehzahl ist jedoch geringer als bei DB.

  • DT (Tandemanordnung): Ausgelegt für hohe Axiallasten in einer Richtung und bietet eine höhere Tragfähigkeit, ohne die Lagergröße zu erhöhen. DT-Sätze erfordern eine Feder-Vorspannung da sie keine integrierte Vorspannung aufweisen.

Die richtige Vorspannungsmethode wählen

Die Wahl zwischen Feder-Vorspannung, axialer Einstellung, und Duplex-Lagern hängt von den Anforderungen der Anwendung, den Ausrichtungsbedingungen, den Drehmomentgrenzen und den Lastkennwerten ab.

Bei korrekter Anwendung tragen Lager-Vorspannung und axiale Einstellung dazu bei, Schwingungen zu minimieren, die Wärmeentwicklung zu reduzieren, die Lebensdauer der Lager zu verlängern und die Gesamtleistung des Systems zu verbessern — und so auch bei hohen Drehzahlen oder unter schweren Lasten einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.