Die Auslegung von Motorlagern ist entscheidend für die Funktion und Lebensdauer eines Motors.
Die Auswahl des richtigen Lagers gewährleistet einen effizienten Motorbetrieb; eine falsche Wahl kann dagegen zu Leistungseinbußen, vorzeitigem Verschleiß und sogar zu einem Motorausfall führen.
Vor der Auswahl der passenden Lagergröße für Motorlager ist es erforderlich, die Motorlast und die damit verbundenen Lagerbelastungen.
Anschließend ist die erwartete Lebensdauer anhand von Drehzahl und Last zu bestimmen, um das richtige Lager auszuwählen.
Die Ermittlung der Radiallast auf dem Lager ist dabei ein entscheidender Schritt.
Dieser Blogbeitrag erläutert den Begriff der Radiallast, zeigt deren Berechnung auf und verdeutlicht ihre Bedeutung sowie ihren Einfluss auf die Auslegung von Motorlagern. Damit bietet er Ingenieuren, Konstrukteuren und weiteren Fachleuten der Industrie wertvolle Einblicke für eine optimale Systemfunktionalität.
Was ist Radiallast?
Die Radiallast bezeichnet die senkrecht auf die Motorwelle wirkende Kraft.
Diese Kraft wird überwiegend durch verschiedene Komponenten wie Zahnräder, Riemen und Riemenscheiben beeinflusst, die mit der Motorwelle in Wechselwirkung stehen.
Die Komponenten und die auf sie einwirkenden äußeren Kräfte tragen wesentlich zur gesamten Radiallast des Motors bei.
Verteilung der Radiallast bei Motorlagern
Das Wellensystem lässt sich als statisch bestimmter Balken mit Lagerabstützung betrachten.
Die Belastung dieses Wellensystems verteilt sich gleichmäßig auf die tragenden Lager, wie in der Abbildung an den Lagern A und B dargestellt.
FrA=(a+b)FI /b+ dFII/(c+d)
FrB=-aFI/b+cFII/(c+d)
Bezeichnungen:
FrA: Radiallast am Lager A N{kgf}
FrB: Radiallast am Lager B N{kgf}
FI，FII: Radiallast auf das Wellensystem
Dieses Beispiel ist einfach; in den meisten Fällen sind jedoch deutlich komplexere Berechnungen erforderlich.
Lasten auf Lager A und Lager B im Wellensystem
Der „Hebelwirkung“-Effekt bei Radiallast
Die Radiallast variiert in Abhängigkeit vom „Abstand zum Ende der Getriebeabtriebswelle“.
Dieser Abstand bezeichnet die Strecke zwischen dem Wellenende und dem Punkt, an dem die Kraft auf die Welle eingeleitet wird (Einbaupunkt der Last).
Mit zunehmendem Abstand vom Wellenende steigt auch die zulässige Radiallast.
Der Grund dafür ist, dass sich die Last dem inneren Stützlager im Getriebeflansch annähert.
Liegt die Last näher am Stützlager, das als Drehpunkt fungiert, kann dieses eine höhere Last aufnehmen.
Berechnung statischer Radiallasten
Statische Radiallasten entstehen in erster Linie durch konstante, unveränderliche Kräfte, die senkrecht auf die Motorwelle wirken.
Motorgewicht
Das Gewicht des Rotors erzeugt eine statische Last.
Verwenden Sie das Rotorgewicht, das häufig vom Hersteller angegeben oder alternativ gemessen werden kann, und berücksichtigen Sie dessen Verteilung entlang der Welle.
Externe Kräfte
Wenn an der Welle externe Anbauteile montiert sind, beispielsweise Riemenscheiben oder Zahnräder, sind deren Gewicht sowie die Gewichtsverteilung entlang der Welle zu berücksichtigen.
Montagevorspannungen
Werden die Lager bei der Montage zur Beseitigung des Spiels vorgespannt, stellt diese Vorspannung eine statische Kraft dar.
Die Vorspannwerte sollten in der Montageunterlage angegeben sein oder lassen sich mit Spezialmessgeräten ermitteln.
Gesamte statische Last = Rotorgewichtslast + Last aus externen Kräften + Montagevorspannung
Berechnung dynamischer Radiallasten
Dynamische Radiallasten verändern sich im Zeitverlauf und werden von den Betriebsbedingungen beeinflusst.
Rotorunwucht:
Ermitteln Sie die Unwucht mit Schwingungsanalysewerkzeugen. Aus dieser Unwucht lässt sich mithilfe der folgenden Formel eine Kraft ableiten:
F=mω2e
Bezeichnungen:
F ist die durch die Unwucht verursachte Kraft
m ist die Masse des Rotors,
ω ist die Winkelgeschwindigkeit in rad/s,
e ist der Abstand des Massenschwerpunkts von der Rotationsachse (Exzentrizität).
Schwankende äußere Lasten
Wenn der Motor eine Anlage mit variierender Last antreibt, etwa eine Kolbenpumpe, werden zur Ermittlung der dynamischen Lastkomponente Kennlinien oder direkte Messungen herangezogen.
Wellenfehlstellung
Eine Fehlstellung lässt sich mit Ausrichtwerkzeugen messen.
Die Umrechnung einer Fehlstellung in eine dynamische Radialkraft erfordert häufig Spezialwerkzeuge oder Software, da hierfür komplexe Berechnungen auf Basis von Ausrichtdaten sowie den Spezifikationen von Motor und Anlage notwendig sind.
Thermische Ausdehnung
Die Längenänderung von Rotor/Welle infolge von Temperaturänderungen wird mit folgender Formel bestimmt:
ΔL=L×α×ΔT
Bezeichnungen:
ΔL ist die Längenänderung,
L ist die Ausgangslänge,
α ist der lineare Ausdehnungskoeffizient
ΔT ist die Temperaturänderung.
Um diese Längenänderung in eine Kraft umzuwandeln, sind gegebenenfalls Steifigkeitswerte und weitere Berechnungen erforderlich.
Schwingungen und Resonanz
Mit Schwingungsanalysewerkzeugen lassen sich die dynamischen Kräfte infolge inhärenter Schwingungen oder Resonanzen erfassen.
Gesamte dynamische Radiallast
Addieren Sie sämtliche einzelnen dynamischen Lasten.
Beachten Sie, dass einige Lastanteile schwingend sein können; für kombinierte Lasten sind daher Spitzenwerte oder Effektivwerte (RMS, Root Mean Square) maßgeblich.
Gesamte dynamische Last = Unwuchtkraft + Lastschwankung durch äußere Einflüsse + Fehlstellungskraft + Kraft aus thermischer Ausdehnung + Schwingungskraft
Wie erfolgt die Auslegung von Motorlagern nach Bestimmung der Radiallast?
Nachdem die Radiallast ermittelt wurde, ist die Lebensdaueranforderung des Kunden unter Berücksichtigung von Drehzahl und Last abzugleichen und das Lagertyp.
Betriebsdrehzahl bewerten
Bestimmen Sie den Drehzahlbereich, in dem der Motor betrieben wird.
Einige Lager sind für hohe Drehzahlen besser geeignet, während andere für langsam laufende Anwendungen mit hohem Drehmoment ausgelegt sind.
Last mit den Lagerkennwerten abgleichen
Jeder Lagertyp verfügt über spezifische Tragzahlen für die dynamische Belastung bei bewegten Lasten sowie für die statische Belastung bei ruhender Last.
Stellen Sie sicher, dass das ausgewählte Lager die berechneten Lasten ohne Risiko von vorzeitigem Verschleiß oder Ausfall aufnehmen kann.
Lebensdauer des Lagers berücksichtigen
Die erwartete Lebensdauer eines Lagers, häufig angegeben als „L10 -Lebensdauer“, beschreibt, wie lange ein Lager voraussichtlich hält, bevor erste Ermüdungserscheinungen auftreten.
Verwenden Sie Formeln wie die nachstehende, um die erwartete Einsatzdauer Ihres Motors mit einem Lager mit geeigneter L10 -Lebensdauer abzugleichen:
Für Kugellager,
L10=(C/P)3
Für Rollenlager,
L10=(C/P)10/3
Bezeichnungen:
L10 ist die Lagerlebensdauer in Millionen Umdrehungen;
C ist die dynamische Tragzahl des Lagers;
P ist die äquivalente dynamische Lagerbelastung.
Umgebungsbedingungen berücksichtigen
Lager müssen gegebenenfalls abgedichtet oder abgeschirmt werden, wenn sie Verunreinigungen ausgesetzt sind.
Ebenso hat die Auswahl von Lagerfetten und -ölen einen Einfluss auf die Lebensdauer des Lagers und sollte auf Betriebstemperatur sowie Einsatzumgebung abgestimmt sein.
Fazit
Das Verständnis der Radialbelastung ist für die Auslegung von Motorlagern von entscheidender Bedeutung und trägt zu Effizienz und langer Lebensdauer bei.
Präzise Berechnungen sind entscheidend, da sie die Auswahl des geeigneten Motors entsprechend den spezifischen Betriebsanforderungen steuern.
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