Was ist ein Kegelrollen-Axiallager? Aufbau, Ausführungen und Anwendungen

Die größten Kegelrollen-Axialrollenlager im allgemeinen industriellen Einsatz erreichen eine statische Axialtragzahl von 17.500.000 lbf — das entspricht rund 7.940 metrischen Tonnen Kraft. Bei kleineren Baugrößen sinkt die Tragfähigkeit rasch: Ein gängiges TTHD-Beispiel ist lediglich mit 71.200 lbf ausgelegt, also mit einem Bruchteil von einem Prozent dieses Werts.

Beide Werte verdeutlichen denselben Grundgedanken: Ersetzt man die zylindrischen Wälzkörper in einem Axiallager durch Kegel, wird die Last direkt entlang der Lagerachse übertragen, statt über eine flache Kontaktzone zu gleiten. Dadurch kann ein Lager, das nur wenige Zoll breiter ist als ein Pkw-Reifen, mehr Kraft aufnehmen, als voll beladene Pritschenwagen wiegen.

Fünf Ausführungen von Kegelrollen-Axiallagern

Der Katalog führt in dieser Produktreihe fünf unterschiedliche Ausführungen auf; die Unterschiede gehen dabei weit über die Ausrichttoleranz hinaus. Käfigausführung, Rollenanordnung und sogar die Art der Tragfähigkeitsbewertung variieren von Konstruktion zu Konstruktion.

TTHD (Doppelte kegelige Laufbahn)

Diese Ausführung verwendet zwei kegelige Axiallager-Laufbahnen, zwischen denen Rollen und Käfig angeordnet sind. In den Katalogangaben wird sie als Schwerlastlager beschrieben, das im Vergleich zu den unten aufgeführten alternativen Ausführungen relativ hohe Drehzahlen erreichen kann.

Einige Baugrößen bleiben kompakt — T135-902A1, verfügt beispielsweise über eine Bohrung von 1.375 in (34.9 mm) und eine Breite von 0.625 in (15.9 mm) und ist für 71.200 lbf (316.7 kN) statische sowie 7.130 lbf (31.7 kN) dynamische Axiallast ausgelegt. Die Katalogausführung ist schlicht als "Thrust TTHD – with cage" aufgeführt, durchgehend mit Stahlkäfig.

TTHDFL-V-Flat (kegelige Laufbahn + flache Laufbahn)

Bei dieser Ausführung wird eine der beiden kegligen Laufbahnen durch eine flache Laufbahn bzw. Scheibe ersetzt. Größere Baugrößen verwenden einen Stiftkäfig — gehärtete Stahlstifte verlaufen durch die Mitte jeder Rolle und erlauben einen geringeren Rollenabstand als ein gestanzter Käfig; dadurch steigt die Tragfähigkeit je Einheit des Außendurchmessers.

Kleinere Baugrößen wechseln zu einem Messingkäfig, der die Rollen nur in einer Richtung hält. Durch die Seite mit flacher Laufbahn lässt sich diese Ausführung deutlich einfacher montieren und ausrichten als die doppelt kegelige Version.

TTHDFLSA (selbstausrichtende flache Laufbahn)

Gleicher grundsätzlicher Rollen- und Laufbahnentwurf wie bei TTHDFL-V-Flat, jedoch ist die untere Laufbahn in zwei Teile geteilt, deren sphärisch geschliffene Flächen eine Selbstausrichtung unter Anfangslast Fehlausrichtung – eine Welle oder ein Gehäuse, das von Anfang an leicht versetzt ist.

Die Katalogempfehlung zieht hier eine klare Grenze: TTHDFLSA sollte nicht dort eingesetzt werden, wo mit einer dynamischen Fehlausrichtung zu rechnen ist – also einer Fehlausrichtung, die sich unter Last verändert und nicht auf einen festen Montagesatz zurückgeht. Eine repräsentative Baugröße, B-8824-C, deckt eine Bohrung von 200 mm (7.873 in) ab; ihre Kennwerte sind in der folgenden Lasttabelle zusammen mit den übrigen Ausführungen mit statischer und dynamischer Tragzahl aufgeführt.

Selbstausrichtung ist zudem kein Alleinstellungsmerkmal der Kegelrollenbauart. Wenn sich die Fehlausrichtung während des Betriebs voraussichtlich weiter verändert statt konstant zu bleiben, Pendelrollen-Axiallager kommt eine andere Rollen- und Laufbahngeometrie zum Einsatz, die speziell darauf ausgelegt ist, sich auch unter Last fortlaufend auszurichten und nicht nur bei der Erstmontage.

TTSP (mit Außenhalterung)

Ergänzt eine Ausführung mit zwei kegelförmigen Laufbahnen und Käfig um eine Außenhalterung – deren Aufgabe besteht lediglich darin, die Bauteile während Versand und Montage zusammenzuhalten, nicht darin, Lasten aufzunehmen. Die Rollen sind nicht in einer echten Scheitelgeometrie angeordnet, sondern in einer von der Scheitelspitze versetzten Anordnung, wie sie bei TTHD- und TTHDFL-Ausführungen verwendet wird.

Dies ist eine Leichtbauausführung, deren Bemessung auf einer Lenkgelenk-Bemessung Lenkgelenk-Bemessung basiert und nicht auf den in diesem Katalog andernorts verwendeten statischen und dynamischen Axiallastwerten – einen konkreten Wert finden Sie für die Baugröße T94W-904A4 in der folgenden Tabelle. Wie der Name bereits erkennen lässt, werden TTSP-Lager vor allem in den Lenkgelenkstellen von Fahrzeugen und anderen Industrieanlagen eingesetzt.

TTC (ohne Käfig, mit Außenhalterung)

Verzichtet vollständig auf den Käfig zugunsten einer vollrolligen, käfiglosen Rollenanordnung, die während Versand und Montage wiederum durch eine Außenhalterung zusammengehalten wird. Durch den Wegfall des Käfigs lassen sich mehr Rollen im gleichen Bauraum unterbringen; vollrollige Ausführungen erkaufen diese höhere Tragfähigkeit jedoch in der Regel mit einer geringeren Hochgeschwindigkeitsfähigkeit.

TTC-Lager sind speziell für oszillierende Anwendungen und nicht für den Dauerlauf ausgelegt. Wie bei TTSP wird die Tragfähigkeit hier als Lenkgelenk-Bemessung angegeben; die unten aufgeführte Baugröße T178-90011 erreicht bei größerer Bohrung etwa das 2,7-Fache der Lenkgelenk-Bemessung des kleineren TTSP-Beispiels T94W-904A4.

Bei jeder Ausführung nimmt das Lager die Axiallast nur in einer Richtung auf. Keine der fünf Ausführungen besitzt einen Lastpfad für die Gegenrichtung, und keine ist dafür ausgelegt, nennenswerte Radiallasten aufzunehmen.

Tragzahlen von Kegelrollen-Axiallagern nach Baugröße

Echte Katalogdaten über drei Baugrößen zeigen, wie stark die Tragfähigkeit mit dem Bohrungsdurchmesser ansteigt – und wie sich der Abstand zwischen statischen und dynamischen Tragzahlen mit größeren Lagern vergrößert.

Das Verhältnis zwischen statischer und dynamischer Tragzahl ist nicht fest vorgegeben: Über diese vier Baugrößen steigt es von rund 11:1 bei der kleinsten bis auf nahezu 18:1 bei der größten Ausführung. Das ist bei der Auslegung eines unter Last rotierenden Lagers wichtig: Der statische Wert wirkt zunächst beruhigend, maßgeblich für die Ermüdungslebensdauer ist jedoch die dynamische Tragzahl. Bei großen Bohrungsdurchmessern macht sie zudem einen geringeren Anteil des statischen Werts aus, als man vermuten könnte.

Ein Maßdetail bleibt trotz der enormen Spannweite der Tragfähigkeit über alle vier Größen unverändert: Jede Ausführung weist denselben Bohrtoleranzbereich von +0.001 in / –0 auf. Die Tragfähigkeit steigt um Größenordnungen, die Maßgenauigkeit jedoch nicht.

Weitere über die gesamte Baureihe hinweg einheitliche Spezifikationen: ABEC-1-Genauigkeit als Standardklasse, ein Betriebstemperaturbereich von -30°C bis 110°C sowie Schmierung, die in jedem einzelnen Katalogeintrag als erforderlich — nicht optional — ausgewiesen ist.

Die obige Tabelle umfasst TTHD, TTHDFL-V-Flat und TTHDFLSA — drei Konstruktionen mit demselben System zur Bewertung der statischen und dynamischen Axialtragzahl. TTSP und TTC verwenden dagegen eine andere Kennzahl, die Lenkzapfenbewertung, was ihrer leichten, anwendungsspezifischen Funktion und nicht einer allgemeinen industriellen Axialtragfähigkeit entspricht:

Einsatzbereiche von Kegelrollen-Axiallagern

Anstelle einer pauschalen Beschreibung als „Schwerindustrie“ nennt die eigene Kategorisierung der TTHD-Bauart konkrete Einsatzfälle: Bohrloch-Drehgelenke, Zellstoffraffinerien, Extruder und Axialblöcke in Durchstoßwalzwerken.

Allen vier Anwendungen ist dasselbe Lastprofil gemeinsam: dauerhafte, einseitig wirkende Axiallast, häufig bei erhöhter Drehzahl, in Maschinen, bei denen sich der Einsatz eines speziell für diese Aufgabe ausgelegten Lagers durch die hohen Stillstandskosten rechtfertigt.

Aktuelle Teilenummern für Kegelrollen-Axiallager für Spezifikationen nach Abmessung.

Kegelrollen-, Zylinderrollen- und Kugellager im Vergleich bei gleicher Bohrung

Kegelrollen-Axiallager sind nicht auf große Industrieabmessungen beschränkt – wie das obige Beispiel T135-902A1 zeigt, reicht die TTHD-Bauart in diesem Katalog bis zu einer Bohrung von 34,9 mm. Das folgende Beispiel, 30TTHD013, liegt mit einer Bohrung von 76,2 mm bereits höher und verdeutlicht dennoch, wie viel höhere Tragfähigkeit selbst ein mittelgroßes Kegelrollenlager im Vergleich zu einem Kugel- oder Zylinderrollen-Axiallager bei vergleichbarer Baugröße bietet.

Der Unterschied ist erheblich: Bei einer Bohrung von rund dem 2,5-Fachen der Kugel- und Zylinderrollenbeispiele erreicht 30TTHD013 nahezu das 39-Fache der statischen Tragzahl des Kugellagers.

Eine umfassende Einführung in die Kategorie der Axiallager finden Sie unter Was ist ein Axiallager? Für die Variante mit der geringsten Bauhöhe und einer passenden Bohrung von 30 mm siehe Was ist ein Axial-Zylinderrollenlager?

Häufig gestellte Fragen

Worin besteht der praktische Unterschied zwischen den fünf Bauarten?

TTHD und TTHDFL-V-Flat sind die beiden universell einsetzbaren, hoch belastbaren Bauarten; die Wahl zwischen ihnen hängt davon ab, ob die Drehzahlgrenze oder die Ausrichtbarkeit Vorrang hat. TTHDFLSA bietet zusätzlich eine Selbstausrichtung für einen festen Einbauversatz, ist jedoch nicht für eine sich während des Betriebs ändernde Fehlausrichtung ausgelegt.

TTSP und TTC bilden dagegen eine eigenständige Kategorie: leichte, anwendungsspezifische Bauarten, die nach dem Steering Pivot Rating und nicht nach der Axiallast ausgelegt sind. Sie sind für Lenkdrehpunkt- und Schwenkbewegungsanwendungen konzipiert und nicht für den allgemeinen industriellen Axialbetrieb.

Ist ein Axialkegelrollenlager dasselbe wie ein Standard-Kegelrollenlager?

Nein. Ein Standard-Kegelrollenlager – wie es beispielsweise in Radnaben eingesetzt wird – besitzt zwei schräg angeordnete kegelige Laufbahnen und nimmt Radiallast sowie Axiallast aus einer Richtung auf. Ein Axialkegelrollenlager verzichtet vollständig auf die Radialtragfähigkeit und bietet im gleichen Bauraum eine höhere Axialtragzahl in einer Richtung.

Worin besteht der Unterschied zwischen der statischen und der dynamischen Axialtragzahl?

Die statische Tragzahl (ISO 76) bezeichnet die Last, die ein stehendes Lager aufnehmen kann, bevor sich die Wälzkörper die Laufbahn dauerhaft eindrücken. Die dynamische Tragzahl (ISO 281) ist eine ermüdungsbasierte Kennzahl, die auf eine definierte Anzahl von Umdrehungen bezogen ist und die Rotation des Lagers unter Last über die gesamte Gebrauchsdauer berücksichtigt.

Ermüdungsausfälle treten deutlich unterhalb der Verformungsgrenze auf. Deshalb ist die dynamische Tragzahl stets der kleinere der beiden Werte – und deshalb wird, wie die obige Tabelle zeigt, dieser Abstand bei größeren Baugrößen noch größer.

Kann ein Kegelrollen-Axiallager überhaupt Radiallast aufnehmen?

Nein, konstruktiv ist das bei keiner Ausführung vorgesehen. Für kombinierte Belastungen ist ein separates Radiallager erforderlich, das die Welle führt, während das Kegelrollen-Axiallager ausschließlich die Axialkraft übernimmt.

Warum benötigen diese Lager überhaupt eine Schmierung?

Kegelrollen-Axiallager arbeiten an den Kontaktstellen zwischen Rollen und Laufbahnen unter einer Schmierung im Dünnfilmregime, obwohl ihre Geometrie auf Wälz-, nicht auf Gleitbewegung ausgelegt ist. Wird dieser Öl- oder Fettfilm unterbrochen, kommt es unter Volllast zu Metall-auf-Metall-Kontakt. Das führt zu Laufbahnschäden und verkürzt die Lebensdauer des Lagers erheblich, noch bevor die Tragzahlen dies erwarten ließen.

Deshalb ist in jedem Katalogeintrag eine Schmierung als erforderlich gekennzeichnet.

Wie wähle ich die richtige Baugröße aus?

Gehen Sie von der tatsächlich in Ihrer Anwendung auftretenden Axiallast aus, berücksichtigen Sie einen Sicherheitsfaktor für Stoß- oder Spitzenbelastungen, und vergleichen Sie diese mit der dynamischen Tragzahl – nicht mit der statischen –, sofern sich das Lager im Betrieb dreht.

Die Bohrungsgröße ergibt sich anschließend aus dem Wellendurchmesser. Das kleinste verifizierte TTHD-Beispiel in diesem Katalog verfügt über eine Bohrung von 34.9 mm. Für sehr kleine Wellen sind daher möglicherweise ein Kugel- oder Zylinderrollen-Axiallager oder die kleineren TTSP-/TTC-Ausführungen mit Steering Pivot Rating die bessere Wahl.

Warum weisen TTSP und TTC ein Steering Pivot Rating anstelle von Axialtragzahlen aus?

TTSP und TTC sind Leichtbauausführungen für einen klar definierten Einsatzbereich konzipiert – Lenkdrehpunkte und oszillierende Gelenke – und nicht für den allgemeinen industriellen Axiallastbetrieb. Es ist daher sachgerechter, sie nach dem für diese Anwendung relevanten Ausfallmechanismus zu bewerten, statt sie in dasselbe statische und dynamische Axialtragzahl-Schema einzuordnen, das für die hochbelastbaren TTHD- und TTHDFL-V-Flat-Lager mit kontinuierlicher Rotation unter Dauerlast verwendet wird.