mini|Rillenkugellager (beispielhafter Aufbau und Bezeichnung der Komponenten nach DIN 625) 1. Innenring2. Käfig3. Dichtscheibe4. Wälzkörper5. Außenring mini|Kugellager mit stehendem Außenring mini|Kegelrollenlager
Das Wälzlager ist neben dem Gleitlager die im Maschinen- und Gerätebau am häufigsten gebrauchte Lagerbauart. Wälzlager sind Lager, bei denen zwischen einem Innenring und einem Außenring rollende Körper den Reibungswiderstand verringern. Sie dienen als Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie, je nach Bauform, radiale und/oder axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation der Welle oder der so auf einer Achse gelagerten Bauteile (z. B. ein Rad) ermöglichen.Bernd Künne: Einführung in die Maschinenelemente – Gestaltung, Berechnung, Konstruktion. 2. Auflage. Teubner, 2001, S. 147.
Wälzlager sind leichtgängig, da im Gegensatz zur Gleitreibung in Gleitlagern zwischen Innenring, Außenring und Wälzkörpern hauptsächlich Rollreibung auftritt. Die Kontaktflächen bestehen meist aus gehärtetem Stahl oder Keramik. Gewöhnlich befindet sich ein Schmierfilm zwischen den Kontaktflächen von Wälzkörpern und Laufringen, der Reibung, Verschleiß und das Auftreten von Wälzlagerschäden vermindert.
Wälzlager werden nach der Art des Wälzkörpers (Kugel, Rolle, Nadel usw.) unterschieden, siehe Abschnitt Wälzlager-Bauformen. Umgangssprachlich werden meist sämtliche Arten von Wälzlagern als Kugellager bezeichnet. Kugellager haben die größte Verbreitung, da sie sich einfach fertigen lassen, sind aber deutlich weniger belastbar als andere Bauformen.
Heute wird meist vorausgesetzt, dass es sich bei einem Wälzlager oder Kugellager um eine kompakte Einheit aus innerem und äußerem Lagerring und Wälzkörpern handelt, da Anwendungen mit separat montierten Wälzkörpern bzw. Wälzkörper-Käfigen, Laufringen und Dichtringen selten geworden sind.
Geschichte des Wälzlagers
Die Geschichte des Wälzlagers reicht über 2700 Jahre zurück. Bei Ausgrabungen eines keltischen Streitwagens wurden kleine zylinderförmige Buchenholzstücke in der Nähe der Radnaben der Fahrzeuge entdeckt. Forscher schließen daraus, dass die Kelten bereits gegen 700 v. Chr. das Zylinderrollenlager kannten. mini|Zeichnung von da Vinci mini|Modell eines Wälzlagers basierend auf der obigen Zeichnung Im römischen Reich wurden Wälzlager von Vitruv beschrieben und gegen Ende der Republik Kugellager in Hebezeugen verwendet. Bei der Bergung der Nemi-Schiffe des Kaisers Caligula (Amtszeit: 37–41 n. Chr.) wurde ein Drucklager gefunden, das möglicherweise zu einer drehbaren Statuenbasis gehörte.
Im Zuge der Industrialisierung entstand der Bedarf nach einer Lagerung, die sich bei niedriger Drehzahl besser verhielt als Gleitlager. Das Gleitlager verschleißt bei niedriger Drehzahl und/oder bei unzureichender Schmierung sehr schnell. In alten Dampflokomotiven etwa wurden diese Radlager häufig ersetzt.
mini|Eingebautes Wälzlager (1904)
1759 erfand der Uhrmacher John Harrison für sein drittes Marine-Chronometer H3 ein Rollenlager mit Käfig. 1794 erhielt der Engländer Philip Vaughan das erste Patent für Achsen, hier kann man die ersten Rillenkugellager finden. 1869 erhielt der Franzose Jules Suriray ein Patent für Kugellager am Fahrrad. 1883 baute Friedrich Fischer in Schweinfurt die erste Kugelschleifmaschine. Fischer und Wilhelm Höpflinger entwickelten die Kugelschleifmaschine entscheidend weiter. Nun konnten Kugeln mit sehr geringer Abweichung von der Idealform produziert werden. Diese Idee gilt als historischer Beginn der Wälzlagerindustrie. 1890–1910: Kugellagerpatente von den Schweinfurter Industriellen Friedrich Fischer, Wilhelm Höpflinger, Ernst Sachs sowie von August Riebe 1898 meldete Henry Timken in den USA ein Patent für das Kegelrollenlager an. Heute Timken Company. 1898–1901: Die Grundlagen der Wälzkörpertechnik wurden von der Technischen Versuchsanstalt Potsdam-Neubabelsberg unter der Leitung von Richard Stribeck erstmals wissenschaftlich untersucht. 1907: Sven Gustaf Wingqvist erfand das Pendelkugellager und gründete in Göteborg die Firma Svenska Kullagerfabriken – SKF. 1934: Erich Franke erfand das Drahtwälzlager nach dem Prinzip der eingelegten Laufdrähte.
Im Laufe der Zeit kamen zahlreiche weitere Varianten hinzu. Insbesondere entwickelten sich die Fertigungsgenauigkeit und die Schmierstoffentwicklung weiter. Zahlreiche Normen legten auch gängige Standardabmessungen fest und vereinfachten so Konstruktion und Fertigung. Heute werden Lager mit integrierten Sensoren wie elektronischer Kraft- und Verschleißermittlung angeboten.
Geschichte der deutschen Wälzlagerindustrie mini|Hauptverwaltung FAG Kugelfischer in Schweinfurt (bis 2001), heute Schaeffler mit der Marke FAG mini|Hauptverwaltung SKF Deutschland GmbH in Schweinfurt
1883 baute Friedrich Fischer in Schweinfurt die erste Kugelschleifmaschine und legte damit den Grundstein für die industrielle Fertigung von runden Stahlkugeln hinreichender Genauigkeit und der Wälzlagerindustrie. Im selben Jahr gründete er die Firma Kugelfischer. Sein Mitarbeiter Wilhelm Höpflinger entwickelte die Kugelschleifmaschine entscheidend weiter. Höpflinger machte sich 1890 selbständig und gründete gemeinsam mit Engelbert Fries ebenfalls in Schweinfurt das Unternehmen Fries & Höpflinger. Die großen Drei Kugelfischer, Fries & Höpflinger und Fichtel & Sachs begründeten die Stellung Schweinfurts als Zentrum der deutschen, wie auch der europäischen Wälzlagerindustrie. Um 1910: Weitere deutsche Wälzlagerproduzenten waren die Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken AG Berlin-Karlsruhe (DWM), die Maschinenfabrik Rheinland (Düsseldorf), die Riebe-Werk (Berlin), die Deutsche Kugellagerfabrik (DKF, Leipzig), Fritz Hollmann (Wetzlar), G. u. J. Jäger (Wuppertal). 1912: SKF beteiligte sich an der von Albert Hirth gegründeten Norma-Compagnie in Stuttgart-Cannstatt. 1929: Unter dem Druck von SKF schlossen sich sechs deutsche Wälzlagerproduzenten (Wälzlagerabteilung von Fichtel & Sachs, Wälzlagerabteilung von Berlin-Karlsruher Industriewerke (DWF), Fries & Höpflinger, Maschinenfabrik Rheinland, Riebe-Werke und SKF-Norma) unter schwedischer Führung zu den Vereinigten Kugellagerfabriken AG (VKF, Schweinfurt), zusammen. Als einziger deutscher Wälzlagerhersteller von Rang blieb FAG Kugelfischer selbständig. Die beiden Schweinfurter Firmen VKF und FAG Kugelfischer waren für die nächsten Jahrzehnte die dominierenden deutschen Wälzlagerhersteller. 1933: Kugelfischer übernimmt G. u. J. Jaeger G.m.b.H., Wuppertal-Elberfeld. 1943–1945: Im Zweiten Weltkrieg fügten 15 größere Luftangriffe der Briten und US-Amerikaner der Stadt Schweinfurt und deren Produktionsstätten der Wälzlagerindustrie schwere Schäden zu. 1946: Georg und Wilhelm Schaeffler gründeten in Herzogenaurach die Firma INA-Nadellager. 1949 gründeten Erich Franke und Gerhard Heydrich die Firma Franke & Heydrich KG – inzwischen Franke GmbH – in Aalen. Erich Franke erfand 1934 das Drahtwälzlager nach dem Prinzip der eingelegten Laufdrähte. 1953: Umbenennung der Vereinigten Kugellagerfabriken AG (VKF) in SKF Deutschland GmbH mit Sitz in Schweinfurt. 1991: FAG Kugelfischer übernahm von der Treuhand den DDR-Wälzlagerproduzenten DKF in Leipzig. Dieses Engagement erwies sich als wirtschaftlich nicht tragfähig, FAG Kugelfischer geriet dadurch 1993 in eine existenziell gefährliche Schieflage. 2001: Die bis dahin allgemein unbekannte INA-Holding Schaeffler KG erwarb im Rahmen der ersten feindlichen Übernahme Deutschlands nach dem Krieg den mittlerweile sanierten DAX-Konzern FAG Kugelfischer. 2006: FAG Kugelfischer und INA werden in der Schaeffler KG zusammengefasst und dadurch zum zweitgrößten Wälzlagerkonzern der Welt; nach SKF, dessen weltweit größtes Werk sich ebenfalls in Deutschland (Schweinfurt) befindet.
Wälzkörper und Wälzkörperkäfig mini|Kugellager:1. Außenring 2. Führung 3. Wälzkörper 4. Käfig 5. Führung 6. Innenring Die umgangssprachlich bekannten Kugellager sind eine Untergruppe der Wälzlager, bei denen Kugeln als Wälzkörper dienen.
Bei modernen Wälzlagern werden die Wälzkörper (Kugeln, Zylinder, Nadeln, Tonnen oder Kegel) durch einen Käfig in gleichem Abstand gehalten. Ältere Wälzlagertypen und Sonderausführungen kommen ohne Käfig aus. Vor allem Wälzlager in Steuerungssystemen von Flugzeugen haben keinen Käfig. Dadurch können mehr Wälzkörper pro Lager eingesetzt werden, was die Belastbarkeit deutlich erhöht. Jedoch eignen sie sich nur bedingt für höhere Drehzahlen.
Käfigwerkstoff war früher wegen der erhöhten Laufruhe Messing. Heute wird der Käfig aus Kosten- und Gewichtsgründen oft aus (meist glasfaserverstärktem) Kunststoff (Polyamid) gefertigt. Bei vielen Wälzlagertypen wird ein Käfig aus niedriglegiertem, ungehärtetem Stahl verwendet. Messingkäfige gibt es weiterhin; insbesondere für größere Lager, bei denen sich die Werkzeugkosten für Kunststoff- oder Stahlblechkäfig nicht lohnen.
Zusammenbau eines Kugellagers Ein einfaches Radialrillenkugellager wird wie folgt zusammengesetzt: Montage-schritt Abbildung Beschreibung 1. 130px Die Kugeln werden aneinander anliegend in den Außenring eingebracht. 2. 130px Der Innenring wird zunächst aus einer exzentrischen Position eingefügt. Die Anzahl der Kugeln wird im Wesentlichen dadurch begrenzt, dass in dieser Konstellation mit aneinander anliegenden Kugeln der Innenring eingefügt werden kann. 3. 130px Der Innenring wird nach unten gedrückt, so dass er in etwa konzentrisch steht. 4. 130px Die Kugeln werden so verteilt, dass sie gleiche Abstände zueinander haben. 5. 130px Der Käfig wird eingefügt. Der Käfig ist entweder elastisch und einteilig oder er wird aus zwei Teilen zusammengesetzt, die von beiden Seiten her eingeführt und durch ein geeignetes Verfahren miteinander verbunden werden.
Anschließend werden die Kugellager gefettet oder geölt und gegebenenfalls mit Deck- oder Dichtscheiben versehen.
Lagerwerkstoffe Üblicherweise werden Wälzlager aus Chromstahl gefertigt, sehr hart, aber leicht rostend, in der Stahlsorte 100Cr6 (Werkstoff-Nr. 1.3505), ein Stahl mit einem Gehalt von ca. 1 % Kohlenstoff und 1,5 % Chrom. Weitere Stähle sind zum Beispiel 100CrMnSi6-4 und 100CrMo7, die Legierungselemente Mangan (Mn) und Molybdän (Mo) dienen der besseren Durchhärtbarkeit.
Für Anwendungen in korrosiver Umgebung werden auch die hochlegierten Stähle X65Cr13 (Werkstoff-Nr. 1.4037) und X30CrMoN15-1 (Werkstoff-Nr. 1.4108) verwendet. Letzterer kann, zumindest für einige Tage, auch im menschlichen Organismus zum Einsatz kommen. Härtbare Stähle sind nie vollkommen „rostfrei“, sondern nur für einen gewissen Zeitraum erhöht korrosionsbeständig.
Für besondere Betriebsbedingungen gibt es folgende Wälzlager in folgenden Ausführungen: Aus rostfreiem Stahl (zum Beispiel Kugellager S6204 oder W6204) Hybridlager (zwei Werkstoffe), bei denen die Lagerringe aus Stahl, die Wälzkörper aus Keramik (Siliciumnitrid oder Zirkondioxid) bestehen, zum Beispiel bei Spindellagern für Werkzeugmaschinen Keramiklager, bei denen sowohl die Lagerringe als auch die Wälzkörper aus Siliciumnitrid, Zirconiumoxid oder Siliciumcarbid bestehen Kunststofflager mit Wälzkörpern aus Glas oder Keramik gegen aggressive Säuren oder Laugen in Chemie- und Lebensmittelindustrie Lager mit Kunststoff-Käfig (zum Beispiel Kugellager 6205 TN9.C3) für geräuscharmen Lauf Lager mit einer stromisolierenden Beschichtung des Außen- bzw. Innenringes, um einen ungewollten Stromdurchgang durch das Lager und damit die Entstehung von Schäden durch Elektroerosion zu verhindern, zum Beispiel bei Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Drehstrommotoren
Lebensdauer von Wälzlagern mini|Beschädigter innerer Laufring („Konus“) des Konuslagers eines Fahrrads. Zunächst bilden sich die rechts auf der konkav geformten Lauffläche zu sehenden kleinen Narben. Auf dem Bild hat sich die durch Oberflächenhärtung spröde Lauffläche bereits schalenförmig abgelöst.
Zur Berechnung der Lebensdauer von Wälzlagern siehe: Lebensdauer nach ISO 281.