Axiallager: Bauarten, Funktionsweise und Auswahl des passenden Lagers

Axialkugellager und Axialrollenlager gehören zu den Bauteilen, die meist erst dann Beachtung finden, wenn bereits eine Störung vorliegt – etwa wenn ein Getriebe überhitzt, eine Pumpenwelle wandert oder eine Turbine ungewöhnliche Schwingungen entwickelt.

Dann gewinnt die vor Monaten getroffene Entscheidung zur Lagerauswahl plötzlich enorme Bedeutung.

Dieser Leitfaden erläutert, was Axiallager sind, wie sie funktionieren, welcher Lagertyp zu welcher Belastungssituation passt und worauf bei der Auswahl für eine konkrete Anwendung zu achten ist.

Was ist ein Axiallager?

Ein Axiallager ist ein Wälzlager, das für die Aufnahme von Axialkräften ausgelegt ist – also von Kräften, die in Richtung der Wellenachse wirken.

Im Gegensatz zu Radiallagern, die Kräfte senkrecht zur Welle aufnehmen, verhindern Axiallager die Längsverschiebung von Wellen unter Belastung.

Die praktische Folge: Ohne Axiallager würde sich in einer Kreiselpumpe das Laufrad unter hydraulischem Schub in Richtung Gehäuse verlagern und sich innerhalb weniger Stunden selbst zerstören.

Im Fahrzeuggetriebe verhindern Axiallager, dass sich Zahnradstufen unter drehmomentbedingten Axialkräften trennen, die mehrere Kilonewton erreichen können.

Die Abgrenzung zu Radiallagern ist nicht nur geometrischer, sondern vor allem funktionaler Natur. Radiallager leiten über ihre Laufbahnen senkrecht wirkende Kräfte in das Gehäuse ab.

Axiallager nutzen ebene oder geneigte Laufbahnen, um parallel zur Welle wirkende Kräfte umzuleiten.

Die meisten Axiallager sind nicht für nennenswerte Radiallasten geeignet; die Verwechslung beider Lagerfunktionen in der Konstruktion ist ein häufiger und kostspieliger Fehler.

Wie funktioniert ein Axiallager?

Das Grundprinzip ist der Wälzkontakt zwischen den Laufbahnen.

Überträgt eine Welle eine Axialkraft, so wird diese über die Wälzkörper – Kugeln oder Rollen – auf eine feststehende Gehäusescheibe geleitet, die sie an das Maschinengehäuse weitergibt.

Ein typisches Axiallager besteht aus drei Hauptteilen: der Wellenscheibe, die auf oder an der rotierenden Welle sitzt; der Gehäusescheibe, die vom feststehenden Gehäuse abgestützt wird; und den Wälzkörpern – Kugeln oder Rollen –, die zwischen beiden abrollen. Die Axialkraft wird von der rotierenden Welle über die Wellenscheibe, durch die Wälzkörper, in die Gehäusescheibe und schließlich in das Gehäuse selbst eingeleitet.

Wälzkörper verringern die Reibung, indem sie Gleitkontakt in Wälzkontakt umwandeln; der Reibungskoeffizient sinkt dadurch von etwa 0,1–0,3 (Gleiten) auf 0,001–0,005 (Wälzen).

Lastverteilung und Lagerlebensdauer

Bei einem korrekt belasteten Axiallager verteilt sich die Axialkraft gleichzeitig auf alle Wälzkörper – im Gegensatz zu Radiallagern, bei denen nur die Wälzkörper in der Lastzone nennenswerte Kräfte aufnehmen.

Diese gleichmäßige Lastverteilung ermöglicht es Axiallagern, bezogen auf ihre Baugröße hohe statische Tragzahlen zu erreichen.

Eine Fehlausrichtung unterbricht diese Verteilung: Bereits eine Wellenneigung von 0.001 inches konzentriert die Last auf einer Seite der Laufbahn und verkürzt die Ermüdungslebensdauer deutlich.

Die Ermüdungslebensdauer eines Lagers folgt der ISO-281-L10-Formel: Für ein Axialkugellager gilt L10 = (C/P)³ × 10⁶ Umdrehungen, wobei C die dynamische Tragzahl und P die äquivalente dynamische Lagerbelastung ist.

Bei Axialrollenlagern ändert sich der Exponent auf 10/3.

Ein Lager mit einer dynamischen Tragzahl von 20 kN, das lediglich mit 10 kN belastet wird, hat theoretisch die achtfache Lebensdauer eines Lagers, das unter voller Nennlast betrieben wird.

Bauarten von Axiallagern

Die geeignete Bauart hängt von der Höhe der Belastung, der Drehzahl, dem Vorhandensein radialer Lasten und den verfügbaren Einbauraum ab.

Im Folgenden werden die wichtigsten Axiallagerbauarten verglichen und anschließend im Einzelnen erläutert.

Die meisten dieser Bauarten sind außerdem in einseitiger Ausführung (axiale Last in nur eine Richtung) oder in doppelseitiger Ausführung (axiale Last in beide Richtungen) erhältlich. Wie sich diese Auswahl auf Auslegung und Einbau auswirkt, zeigt der folgende Abschnitt zu Axialkugellagern.

Axialkugellager

Axialkugellager verwenden Stahlkugeln, die zwischen zwei ebenen Scheiben in profilierten Laufbahnen laufen — einer Wellenscheibe, die sich mit der Welle dreht, und einer Gehäusescheibe, die stationär bleibt.

Die Konstruktion ist einfach, kompakt und für reine Axiallasten von gering bis mittel bei vergleichsweise hohen Drehzahlen wirkungsvoll ausgelegt.

Einseitige Axialkugellager tragen axiale Belastungen nur in einer Richtung und gehören zu den am häufigsten eingesetzten Ausführungstypen von Axiallagerungen.

Zweireihige Axialkugellager ergänzen eine zweite Kugelreihe und eine mittlere Wellenlasche, sodass Belastungen in beiden Axialrichtungen aufgenommen werden können — vorteilhaft in Anwendungen mit umkehrender Axialkraft, etwa bei hin- und hergehenden Mechanismen oder bestimmten Ventilantrieben.

Diese Eigenschaften — geringes Gewicht, hohe Drehzahlfähigkeit und einfache Montage — machen ein- und zweirichtungsfähige Axialkugellager für die meisten der später in diesem Leitfaden behandelten Anwendungen zur bevorzugten Wahl.

Miniatur-Axialkugellager folgen demselben Prinzip bei Bohrungen ab 3 mm und werden in Präzisionsinstrumenten, zahnmedizinischen Handstücken und optischen Positionierachsen eingesetzt, wo der Bauraum stark begrenzt ist.

Keramische Axialkugellager und Axialkugellager aus Edelstahl sind für spezielle Einsatzumgebungen ausgelegt.

Keramische Wälzkörper aus Si₃N₄ reduzieren das Gewicht gegenüber Stahl um rund 40 %, laufen bei hohen Drehzahlen kühler und sind ohne Beschichtung korrosionsbeständig.

Edelstahl 316L ist die Standardwahl für washdown-taugliche oder leicht korrosive Umgebungen; Edelstahl 440C bietet eine höhere Härte und Tragfähigkeit, wenn die Korrosionsbeanspruchung geringer ausfällt.

Axial-Schrägkugellager

Schrägkugellager vereinen konstruktive Merkmale von Radial- und Axiallagerungen.

Ihr Kontaktwinkel — typischerweise 15°, 25° oder 40° — bestimmt die Lastverteilung zwischen axialer und radialer Richtung.

Ein Kontaktwinkel von 40° ermöglicht bei gleicher Lagergröße eine deutlich höhere axiale Tragfähigkeit als eine Ausführung mit 15°, allerdings bei geringerer radialer Belastbarkeit.

Typische Anwendungen sind Wellen in Kreiselpumpen, Schraubenkompressoren und Kegelradgetrieben an der Ritzelposition — überall dort, wo die Welle gleichzeitig axiale und radiale Kräfte erzeugt.

Bei beidseitig wirkenden Axiallasten werden diese Lager paarweise in O-Anordnung (DB) oder X-Anordnung (DF) montiert, um Kräfte aus beiden Richtungen aufzunehmen und gleichzeitig eine präzise Wellenführung sicherzustellen.

Das Verständnis von Lager-Vorspannung ist bei der Auslegung von paarweise angeordneten Schrägkugellagern unerlässlich.

Axialrollenlager

Während Kugellager mit ihren Laufbahnen eine Punktberührung aufweisen, erreichen Rollen eine Linienberührung – ein längerer Kontaktbereich, der die Last auf eine größere Fläche verteilt und die Tragfähigkeit deutlich erhöht.

Der Kompromiss besteht in höherer Reibung bei Drehzahl sowie einer geringeren maximalen Drehzahl im Vergleich zu entsprechenden Kugellagerausführungen.

Axialnadellager verwenden Rollen mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von mehr als 3:1 und vereinen eine hohe Tragfähigkeit in einer extrem flachen axialen Bauform.

Kupplungspakete in Automatikgetrieben verwenden beispielsweise häufig gestapelte Axialnadellager mit einer axialen Baubreite von unter 5 mm.

Pendelrollen-Axiallager verwenden tonnenförmige Rollen, die eine Selbstausrichtung des Lagers ermöglichen – und damit Wellendurchbiegungen sowie Gehäusefehlstellungen von bis zu etwa 3° ohne nennenswerte Verringerung der Lebensdauer tolerieren.

Damit sind sie die bevorzugte Lösung für schwere, langsam laufende Anwendungen: große Extruderschnecken, Kranhaken, Schiffspropellerwellen und Walzwerkanlagen, bei denen Axiallasten 500 kN überschreiten können.

Einen vertieften Vergleich der Rollenbauarten finden Sie unter Pendelrollenlager vs. Zylinderrollenlager.

Kegelrollen-Axiallager haben Rollen, die in einem Winkel zur Wellenachse ausgerichtet sind, wodurch eine größere Kontaktfläche als bei Zylinderrollen entsteht.

Sie nehmen kombinierte hohe Axial- und Radiallasten auf – deshalb dominieren sie in Radnaben und Kegelrad-Pinionlagerungen im Automobilbau, wo sich Kurvenkräfte und Antriebsschub kontinuierlich überlagern.

Axiallager-Anwendungen nach Branche

Axiallager kommen überall dort zum Einsatz, wo rotierende Wellen Axialkräfte erzeugen oder aufnehmen müssen.

Lasten, Drehzahlen und Umgebungsbedingungen unterscheiden sich je nach Branche so deutlich, dass nahezu jeder Axiallagerbauart irgendwo eine passende Anwendung zugeordnet werden kann.

Schrägverzahnungen und Kegelradstufen sind eine häufige Ursache solcher Axialkräfte: Durch den schrägen Zahnkontakt wird die Welle nicht nur in Umfangsrichtung, sondern auch axial belastet, und ein Axiallager nimmt diese Kraft auf. Dasselbe gilt für Kugelgewindetriebe und andere Schraubantriebe, Werkzeugmaschinenspindeln und Rundtische sowie Brecher – überall dort, wo eine rotierende oder oszillierende Welle als Nebenprodukt ihrer eigentlichen Funktion Axialkräfte erzeugt.

So wählen Sie das richtige Axiallager

Die Auslegung beginnt mit drei Kennwerten: Axiallast (N oder kN), Wellendrehzahl (RPM) und geforderter Lebensdauer (Stunden oder L10 in Millionen Umdrehungen).

Alle weiteren Faktoren — Bauart, Abmessungen, Werkstoff und Schmierung — ergeben sich aus diesen Eingangsgrößen und bilden zusammen die vollständige Lagerauslegung.

Wichtige Auslegungsparameter

Diese fünf Parameter bilden auch den Ausgangspunkt für die Auslegung eines Axiallagers in einer Neumaschine — sind sie korrekt definiert, ergibt sich die restliche Spezifikation daraus.

Die Bohrungs-, Außendurchmesser- und Höhenabmessungen gängiger Axialkugellager-Baureihen finden Sie im Abmessungstabelle für Axiallager Abschnitt unseres Leitfadens „Bearing Size Chart“. Das vollständige Sortiment verfügbarer Größen und Ausführungen finden Sie im Kategorie Axialkugellager.

Montage und Wartung

Die meisten Ausfälle von Axiallagern sind auf Montagefehler zurückzuführen und nicht auf Werkstoff- oder Konstruktionsmängel.

Fehlausrichtung, falsche Passung und Verunreinigungen während der Montage verursachen in industriellen Anwendungen einen erheblichen Anteil vorzeitiger Lagerausfälle.

Montage-Checkliste

Die folgenden Schritte beschreiben die Montage eines einseitig wirkenden Axialkugellagers auf einer Welle – die gebräuchlichste Ausführung. Axialrollenlager, Kegelrollen-Axiallager und Pendelrollen-Axiallager werden in derselben Reihenfolge montiert, unterscheiden sich jedoch in der Geometrie der Scheiben; die jeweiligen Abweichungen sind im Abschnitt „Types of Thrust Bearings“ oben dargestellt.

Wartung und Zustandsüberwachung

Die Nachschmierintervalle hängen von Drehzahl, Temperatur und Lagergröße ab.

Als grober Richtwert gilt: Verkürzen Sie das Nachschmierintervall um die Hälfte für jeweils 15 °C Temperaturerhöhung über 70 °C oder für jede Verdopplung der Wellendrehzahl oberhalb von der Hälfte der Grenzdrehzahl des Lagers.

Die Schwingungsüberwachung erkennt die meisten entstehenden Probleme, bevor es zu einem Ausfall kommt.

Ein Axiallager in gutem Zustand erzeugt bei konstanter Drehzahl ein gleichmäßiges Schwingungsbild.

Ein ansteigendes breitbandiges Geräusch oberhalb von 1 kHz weist in der Regel auf einen fortschreitenden Schmierstoffabbau hin.

Einzelne Frequenzspitzen bei der Kugel- oder Rollenüberrollfrequenz (BPFO/BPFI) weisen auf Schäden an der Laufbahn hin — der Austausch des Lagers kostet in diesem Stadium nur einen Bruchteil der Kosten, die in den meisten Produktionsumgebungen durch ungeplante Stillstände entstehen.

Häufige Schadensbilder und Fehlerbehebung

Die nachstehende Tabelle zeigt die häufigsten Ausfallerscheinungen und deren wahrscheinliche Ursachen.

Für einen umfassenderen Überblick über Verschleißbilder von Wälzlagern über alle Lagerbauarten hinweg bietet der verlinkte Artikel weiterführende Details.

Häufig gestellte Fragen

Welche Funktion hat ein Axiallager?

Ein Axiallager nimmt die entlang der Welle wirkende Axiallast auf – etwa von einem Pumpenlaufrad, einem Getriebe oder durch das Eigengewicht der Welle – und ermöglicht zugleich eine Drehung mit minimaler Reibung. Der Wälzkontakt zwischen den Scheiben sowie den Kugeln oder Rollen ersetzt den Gleitkontakt; dadurch hält das Lager die Welle in ihrer vorgesehenen axialen Position und verhindert ein Verschieben unter Schubbelastung. Kurz gesagt besteht die Aufgabe eines Axiallagers darin, Axiallasten aufzunehmen und die Längsbewegung der Welle zu begrenzen, während die Rotation erhalten bleibt – eine Aufgabe, für die ein Rillenkugellager oder Radiallager, das für Kräfte quer zur Welle ausgelegt ist, nicht bestimmt ist.

Wofür wird ein Axiallager eingesetzt?

Axiallager kommen überall dort zum Einsatz, wo eine rotierende Welle in axialer Richtung geführt werden muss – zu den häufigsten Anwendungen zählen Wellen in Kreiselpumpen, Getrieben und Untersetzungsgetrieben, Rotoren in Strahltriebwerken und Turbinen, Propellerwellen, Drehverbindungen von Kränen sowie Extruderschnecken. In den oben genannten Branchenanwendungen für Axiallager finden Sie Lastbereiche und Empfehlungen für geeignete Lagertypen je Branche.

Kann ein Axiallager Radiallasten aufnehmen?

Standardmäßige Kugel- und Rollen-Axiallager mit Planscheiben nehmen keine Radiallast auf – bereits geringe radiale Kräfte führen zu Schlupf und raschem Käfigverschleiß. Ausnahmen bilden Schrägkugellager und Kegelrollenlager: Sie können nennenswerte kombinierte Lasten aufnehmen, da ihre Kontaktgeometrie die Kräfte gleichzeitig in axiale und radiale Ebene umlenkt.

Worin besteht der Unterschied zwischen Axiallager und Radiallager?

Die jeweilige Lastrichtung, für die sie ausgelegt sind. Radiallager tragen Kräfte quer zur Welle – beispielsweise das Gewicht eines Zahnrads. Axiallager tragen Kräfte in Richtung der Wellenachse – etwa den Vortrieb einer Propellerwelle oder die Trennkraft in einem Schrägverzahnungsgetriebe. Die meisten rotierenden Wellen benötigen beide Lagerarten: ein Radiallager zur Abstützung des Wellengewichts und ein Axiallager zur Kontrolle der axialen Position.

Wie wird ein Axiallager auf einer Welle montiert?

Schieben Sie zunächst die Wellenscheibe auf die Welle, setzen Sie anschließend die Kugel- und Käfigeinheit dagegen und montieren Sie dann die Gehäusescheibe auf der feststehenden Seite. Sichern Sie die Baugruppe mit dem passenden Halteelement – Wellenschulter, Mutter mit Scheibe oder Sicherungsring – und drehen Sie die Welle vor dem Anfahren der Maschine von Hand, um einen gleichmäßigen Lauf zu prüfen. Die vollständige Reihenfolge einschließlich Passungen, Reinigung und Fettfüllung finden Sie in der obigen Montage-Checkliste.

Woran erkenne ich, dass ein Axiallager ausgetauscht werden muss?

Drei verlässliche Anzeichen: (1) eine Schwingungsanalyse mit Lagerfrequenzspitzen bei BPFO oder BPFI, (2) eine Betriebstemperatur, die ohne Änderung von Last oder Drehzahl um mehr als 15°C über den festgelegten Referenzwert ansteigt, und (3) sichtbarer Verschleiß – Spiel, rauer Lauf bei manueller Drehung oder Verfärbungen auf den Laufbahnen. Wer erst auf hörbare Ausfallgeräusche wartet, nimmt in Kauf, dass sich das Lager bereits selbst zerstört und möglicherweise auch angrenzende Bauteile beschädigt.

Welche Axiallagerbauart besitzt die höchste Tragfähigkeit?

Für reine Axiallasten erreichen Pendelrollen-Axiallager die höchsten Tragfähigkeitswerte – einige Kataloggrößen liegen bei einer statischen Tragzahl von über 3.000 kN. Für kombinierte Axial- und Radiallasten bei mittleren Drehzahlen bieten Kegelrollenlager das beste Gleichgewicht. Kugel-Axiallager haben die geringste Tragfähigkeit, verfügen jedoch über die höchste Drehzahlfähigkeit und sind damit die richtige Wahl, wenn die Last moderat und die Drehzahl hoch ist.

Können Drucklager im Betrieb nachgeschmiert werden?

Ja, sofern das Lagergehäuse über einen Schmiernippel und eine Entlastungsöffnung verfügt. Das neue Fett sollte langsam eingebracht werden – bei laufender Maschine, wenn dies gefahrlos möglich ist – und das verbrauchte Fett muss ungehindert austreten können. Wird weiteres Fett ohne Abführung des alten Fetts eingepresst, steigt lediglich die Walkwärme, und der Verschleiß wird beschleunigt.

Fazit

Drucklager erfüllen eine Aufgabe – die Aufnahme von Axiallasten – und zwar in einem enormen Größenspektrum: vom 3 mm Miniatur-Kugellager in einem Präzisionsinstrument bis zum Pendelrollenlager mit einer Tragfähigkeit von über 3,000 kN in einem Stahlwerk. Die Auswahl des geeigneten Typs, die Auslegung auf die L10-Zielvorgabe, der Einbau ohne Schiefstellung oder Verunreinigung sowie die Überwachung im Betrieb decken den weitaus größten Teil der Faktoren ab, die darüber entscheiden, ob ein Drucklager seine Auslegungslebensdauer erreicht oder vorzeitig ausfällt.

Wenn Sie Unterstützung bei der anwendungsspezifischen Auswahl benötigen oder Tragzahlen einer bestimmten Baureihe prüfen möchten, wenden Sie sich an das technische Team von LILY Bearing direkt.