Drehbewegungselemente

Drehbewegungselemente

Diese Gruppe umfasst Achsen und Wellen sowie deren Lagerung. Die Abdichtung dieser Elemente sowie auch Wellenkupplungen und -bremsen werden in diesem Kapitel zusammengefasst. Anhand von Ablaufplänen werden die Auslegung sowie notwendige Berechnungsschritte verständlich erklärt. Erläuterungen bezüglich der Vor- und Nachteile inklusive Eigenschaften der Drehbewegungselemente sind ebenfalls dargestellt.

  • Achsen und Wellen

    Achsen tragen ruhende oder umlaufende Maschinenteile, wie Riemenscheiben, Zahnräder, Laufräder, Trommeln u. dgl. Sie können stillstehen, sodass sich auf ihnen gelagerte Maschinenteile drehen, oder mit den auf ihnen sitzenden Maschinenteilen umlaufen. Achsen werden auf Biegung beansprucht, übertragen aber kein Drehmoment!

    Wellen tragen wie Achsen Maschinenteile, laufen aber stets um und übertragen immer ein Drehmoment! Sie werden auf Biegung und Torsion beansprucht.
    Wellen mit zentrischer Längsbohrung heißen Hohlwellen.

    Werkstoffe, Gestaltung

    Im Allgemeinen werden Achsen und Wellen aus S275JR (St 44-2) oder E295 (St 50-2) hergestellt, hochbeanspruchte aus E335 (St 60-2). Bei höheren Ansprüchen kommen auch C35E (CK 35), 28 Mn 6, 34 Cr 4, 41 Cr 4 u. dgl. infrage, im Fahrzeugbau auch 16 MnCr 5, 20 MnCr 5, 15 CrNi 6 u. dgl.

    Der Einsatz legierter Stähle lohnt sich bei Wechselbiegung nur, wenn die Kerbwirkungen weitgehend ausgeschaltet sind, weil die hochfesten Stähle äußerst kerbempfindlich sind. Für die Werkstoffwahl kann auch das Korrosionsverhalten ausschlaggebend sein.

    Biegemomente, Längskräfte und Torsionsmomente

    Die meisten Achsen und Wellen sind Träger auf zwei Stützen (auf Gleit- oder Wälzlagern). Durch die Belastungskräfte, das sind Zahnkräfte, Riemen- oder Kettenzugkräfte u. dgl., werden in den Lagerstellen die Stützkräfte FA und FB hervorgerufen.

    Wenn alle diese Kräfte nicht in einer Ebene wirken, werden sie in zwei senkrecht zueinander stehende Ebenen zerlegt (x- und y-Ebene). Die Biegemomente Mx und My in diesen beiden Ebenen werden jeweils zu einem resultierenden Biegemoment Mb geometrisch addiert.

    Dieses erzeugt in dem betreffenden Querschnitt die Biegespannung σb.
    Auch Längskräfte F1 können auftreten, z. B. hervorgerufen durch Axialkräfte Fa an Schrägzahn- oder Kegelrädern. Sie erzeugen in den von ihnen beanspruchten Querschnitten Zug- oder Druckspannungen σz bzw. σd.

    Achsen und Wellen gleicher Biegebeanspruchung

    Die Festigkeit eines Biegeträgers wird im Allgemeinen nur an der Stelle des größten Biegemoments ausgenutzt, während alle anderen Querschnitte ein höheres Moment aufnehmen könnten.

    Aus Gründen der Werkstoff- und Raumersparnis ist es mitunter besonders bei großen Achsen oder Wellen sinnvoll, diese so zu gestalten, dass alle Querschnitte gleichhoch beansprucht werden.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (15.3)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (15.1)

    Berechnung auf Gestaltfestigkeit (Dauerhaltbarkeit)

    Auf Gestaltfestigkeit werden die als gefährdet anzusehenden Querschnitte berechnet. Das sind die hochbeanspruchten und diejenigen, in denen Kerbwirkungen auftreten. Anhand der Konstruktion und des Verlaufes der Biegemomente kann man meistens schnell abschätzen, an welchen Stellen ein Bruch eintreten könnte. Hierbei ist in Betracht zu ziehen, dass die Naben der aufgesetzten Maschinenteile das System versteifen.

    Der Bruch einer Achse oder Welle innerhalb eines Nabensitzes ist deshalb unwahrscheinlich, sodass sich in der Regel die Gestaltfestigkeitsberechnung von Querschnitten innerhalb von Nabensitzen erübrigt. Die Nabenenden rufen jedoch Kerbwirkungen hervor, sodass ein Dauerbruch unmittelbar neben einer Nabe oder vor einem Nabenende nicht auszuschließen ist. Passfeder- oder Keilnuten über den Nabensitz hinaus sind deshalb nicht zweckmäßig.

    Ein Programm zur Berechnung von Achsen und Wellen befindet sich hier.

    Durchbiegung

    Achsen und Wellen werden durch die Belastungskräfte gebogen. Die gebogene Mittellinie heißt elastische Linie oder Biegelinie. Mitunter können lange und dünne Wellen durchaus genügend fest sein, sich aber funktionsstörend verformen, z. B. Eingriffsabweichungen in Zahnradgetrieben oder Heißlaufen von Lagern infolge Schiefstellens der Zapfen herbeiführen.

    In kritischen Fällen müssen daher die Durchbiegung an der maßgebenden Stelle und die Schiefstellung der Zapfen in den Lagern errechnet und auf Zulässigkeit geprüft werden.

    Verdrehung eines glatten Wellenstranges
    Verdrehung eines glatten Wellenstranges

    Verdrehwinkel

    Das Torsionsmoment verdreht die Wellenquerschnitte gegeneinander. Lange Wellen wie Transmissionswellen werden bereits durch ein verhältnismäßig kleines Torsionsmoment beachtlich verformt.

    Diese Formänderung kann infolge der Wellenelastizität zu unliebsamen Drehpendelungen der aufgesetzten Maschinenteile führen. Deshalb begrenzt man den Verdrehwinkel auf einen zulässigen Erfahrungswert.

    Kritische Drehzahlen

    Achsen und Wellen sind wie Federn biegeelastisch und bilden mit ihren aufgesetzten Maschinenteilen ein Schwingsystem. Durch einen Kraftanstoß geraten sie in gedämpfte Eigenschwingungen. Bei ihrem Umlauf oder dem Umlauf auf ihr sitzender Massen werden periodische Fliehkraftimpulse in Drehzahlfolge wirksam.

    Hat nun zufälligerweise die Betriebsdrehzahl die Höhe der Eigenfrequenz des Achsen- oder Wellen-Schwingsystems, dann tritt Resonanz auf. Unruhig laufend schwingt die Achse oder Welle bis zum Bruch weiter aus. Hinzu kommt, dass die Erschütterungen auf die Lager und Fundamente übertragen werden. Die Resonanzdrehzahl heißt biegekritische Drehzahl nK.

    Ein Excel-Arbeitsblatt für eigene Berechnungen:
    Excel-Arbeitsblatt

    Tragfähigkeitsberechnung von Wellen und Achsen nach DIN 743

    Vorbetrachtung: Zur Festigkeitsberechnung allgemein, also nicht nur für den (sehr wichtigen) Spezialfall Wellen und Achsen, gibt es generell zwei grundsätzlich unterschiedliche Vorgehensweisen:

    a) das Kerbspannungskonzept,
    b) das Nennspannungskonzept.

    Das Kerbspannungskonzept ist bekannt:

    Wesentliche Vorgehensschritte sind:

    1. Berechnung der Nennspannungen für Zug/Druck, Biegung und Torsion nach den elementaren Formeln der Technischen Mechanik.

    2. Korrektur dieser Normalspannungen mit den Formzahlen bzw. den Kerbwirkungszahlen, um die realen Spannungen im Kerbgrund, also die Kerbspannungen zu erhalten.

    3. Berechnung der statischen und der dynamischen Anteile der Vergleichsspannungen.

    4. Korrektur der aus dem Dauerfestigkeitsschaubild erhaltenen Werkstoffkennwerte um den Größen- und Oberflächeneinfluss.

    5. Sicherheitsnachweis: Ist der reale dynamische Anteil der Vergleichsspannungen kleiner als der korrigierte Werkstoffkennwert aus Schritt 4?
  • Tribologie: Reibung, Schmierung und Verschleiß

    Reibung, Schmierung und Verschleiß sind die drei Teilgebiete der Tribologie. Das ist die Wissenschaft von aufeinander einwirkenden Berührungsflächen in Relativbewegung. Bei mangelhafter Schmierung kommt es infolge der Reibung zum Verschleiß dieser Flächen.

    Reibung

    Unter Reibung versteht man den Widerstand, der in den Paarungsflächen zweier Körper auftritt und einer Relativbewegung durch Gleiten, Rollen oder Abwälzen entgegenwirkt oder sie unmöglich macht.

    Verschleiß

    Verschleiß ist der fortschreitende Materialverlust an der Oberfläche eines festen Körpers (Grundkörper), hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. Kontakt- und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Grundlegende Verschleißmechanismen sind dabei:

    1. Oberflächenzerrüttung: Die Beanspruchung durch Normal- und Tangentialspannungen in den Mikrokontakten erfolgt häufig periodisch, sodass es zu einer Schadensakkumulation mit Werkstoffermüdung kommt.

    2. Abrasion: Hier werden entweder durch den härteren Gegenkörper oder durch harte Fremdpartikel (z. B. Stahlabrieb im Öl, der in die Gleitlager eingeschwemmt wird) Furchen in den tribologisch beanspruchten Körper gezogen (Mikropflügen, wird Material abgespant, so nennt man dies Mikrospanen).

    3. Adhäsion: Durch stoffliche Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene entstehen bei tribologischer Beanspruchung aufgrund hoher lokaler Flächenpressungen Verletzungen der schützenden Oberflächenschichten. Es kommt zu Grenzflächenbindungen. Bei Metallen sind diese Grenzflächenbindungen Kaltverschweißungen.

    4. Tribochemische Reaktionen: Durch Reaktion der tribologisch beanspruchten Oberflächen mit dem Umgebungsmedium entstehen Reaktionsprodukte, die abgerieben werden.

    Schmierstoffe sind Maschinenelemente!

    Schmierstoffe sind Maschinenelemente!
    Reibung tritt in den Lagern von Achsen und Wellen, an den Flanken von Bewegungsschrauben, Zahn- und Kettenrädern u. dgl. auf. Um das Gleiten der Paarungsflächen zu erleichtern und um den Verschleiß zu vermindern oder sogar zu verhindern, werden Schmierstoffe verwendet.

    Diese sollten die Gleitstellen benetzen, an den Werkstoffen haften, die Unebenheiten der Paarungsflächen voneinander trennen, selbst geringe innere Reibung haben, die Werkstoffe nicht angreifen und diese vor Korrosion schützen, womöglich noch kühlen, Druck übertragen, abdichten und die Schmierstellen vor Schmutz und Wasserzutritt bewahren.

    Schmieröle

    Öle sind die wichtigsten Schmiermittel für Lager. Meistens werden die relativ preiswerten Mineralöle gegenüber den synthetischen Ölen bevorzugt. Mit DIN 51502 ist die Bezeichnung der Schmieröle und deren Kennzeichnung genormt, z. B.:

    Normalschmieröle AN, ATF (Automatic Transmission Fluid), bitumenhaltige Schmieröle B, Umlaufschmieröle C, Gleitbahnöle CG, Druckluftöle D, Luftfilteröle F, Hydrauliköle H und HV, Hypoidöle HYP, Motoröle HD, Kältemaschinenöle K, Korrosionsschutzöle R, Luftverdichteröle V u. a. Synthese- oder Teilsyntheseöle: Esteröle E, Fluorkohlenwasserstofföle FK, Polyclycoöle PG, Silikonöle SI.

    Dazu können noch Zusatzbuchstaben kommen, z. B. für Schmieröle in Mischung mit Wasser (Emulsionen) E, für Festschmierstoffzusätze wie Graphit oder Molybdändisulfid F, für Wirkstoffzusätze zum Erhöhen des Korrosionsschutzes und/oder der Alterungsbeständigkeit L, für Wirkstoffe zum Herabsetzen der Reibung und des Verschleißes im Mischreibungsgebiet oder zur Erhöhung der Belastbarkeit P.

    Schmierfette

    Schmierfette sind durch Metallseifen eingedickte Öle. Ein Seifengerüst (ein fester Seifenschaum) umschließt die Öltröpfchen und gibt diese zur Schmierung nur in kleinsten Mengen frei. Schmierwirksam ist also im Wesentlichen das Öl, das während der Bewegung aus den Poren gedrückt wird.

    Unter Verseifung versteht man allgemein die Behandlung von Fetten oder Fettsäuren mit anorganischen Laugen, hier vorwiegend mit den Hydroxiden von Calcium, Natrium oder Lithium. Man kennt daher Calcium- (Kalk-), Natrium- und Lithiumfette.

    Schmierpasten

    Schmierpasten sind konsistente Schmierstoffe. Sie bestehen aus einem Grundöl, d. h. Mineralöl und/oder Syntheseöl, Additiven sowie einem Festschmierstoffanteil. Die Anwendung erfolgt hauptsächlich bei extremen Bedingungen.

    Die Pasten wirken gegen Tribokorrosion, (Passungsrost), verhindern Stick-Slip-Effekte sowie Fressen. Bei Verwendung von metallhaltigen Pasten werden Gebrauchstemperaturen bis 1200 °C beherrscht.

    Schmierwachse

    Schmierwachse bestehen aus synthetischen Kohlewasserstoffen und weiteren Wirkstoffen. Als Schmierwachs-Emulsion enthalten sie zusätzlich Emulgatoren und Wasser.

    Festschmierstoffe

    Als Festschmierstoffe haben Graphit und Molybdändisulfid als Stoffe mit Schichtgitterstruktur (in Schichten angeordnete kleinste lamellenartige Teilchen) die größte Bedeutung. Sie werden dort angewendet, wo keine hydrodynamische Schmierung erreicht werden kann, d. h. bei kleiner Gleitgeschwindigkeit, hin- und hergehender Bewegung oder bei Stoßbelastung, die den Schmierfilm durchbrechen würde.

    Auch bei ungünstigen Werkstoffpaarungen wie Stahl auf Stahl ist die Trennwirkung durch Festschmierstoffe vorteilhaft. Die festhaftenden Gleitfilme werden nicht so leicht weggequetscht wie ein Ölfilm, vor allem auch unter sehr hohen Temperaturen nicht, unter denen sogar synthetische Öle versagen.

    Gleitlacke

    Gleitlacke bestehen aus Festschmierstoffen, Bindern und Lösemitteln. Das tribologische Verhalten wird von der Art und der Menge der Festschmierstoffe bestimmt.

  • Gleitlager

    Gleitlager nehmen die Laufzapfen von Achsen oder Wellen auf. Man unterscheidet Radiallager für Querkräfte (auch Traglager genannt) und Axiallager für Längskräfte (auch Stützlager genannt). Außerdem kennt man noch Führungslager, die die Welle lediglich in ihrer Lage führen und keine definierbaren Kräfte aufzunehmen haben. Die einzelnen Lagerarten lassen sich auch zu Baueinheiten kombinieren. Die Zapfen laufen mit Gleitreibung unter Öl-, Fett- oder Feststoffschmierung in Lagerbuchsen oder -schalen um.

    Die große Schmierfläche der Gleitlager wirkt schwingungs- und geräuschdämpfend, sodass Gleitlagerungen allgemein ruhiger als Wälzlagerungen laufen. Gleitlager können ohne Schwierigkeiten auch geteilt hergestellt werden, was z. B. für Mehrzylinder-Verbrennungsmotoren mit einteiligen Kurbelwellen unabdingbar ist. Bei reiner Flüssigkeitsreibung erreichen sie eine fast unbegrenzte Lebensdauer und können mit höchsten Drehzahlen laufen.

    Hydrostatisch und hydrodynamisch geschmierte Gleitlager

    Ideale Verhältnisse bietet die Flüssigkeitsreibung, bei der sich die gleitenden Flächen nicht berühren, weil ein tragender Ölfilm die Kämme der Oberflächenrauigkeiten voneinander trennt. Dazu ist ein entsprechender Öldruck erforderlich, um den Belastungskräften das Gleichgewicht zu halten.

    Bei hydrostatisch geschmierten Gleitlagern wird das Schmieröl unter hohem Druck (bis zu 200 bar) zwischen die gleitenden Teile gepresst, sodass diese in einem bestimmten Abstand von wenigen Hundertstel Millimetern gehalten werden, unabhängig davon, ob die Gleitflächen bewegt werden oder stillstehen. Die Gleitflächen können sich daher nicht abnutzen. Der Öldruck wird in einer Pumpe außerhalb des Lagers erzeugt.

    Bei hydrodynamisch geschmierten Gleitlagern bildet sich ein tragender Schmierfilm, wenn sich die Gleitflächen aufeinander bewegen, keilförmig angestellt sind und die Gleitgeschwindigkeit u groß genug ist. Das "Aufschwimmen" lässt sich mit den Vorgängen beim Wasserskifahren vergleichen. Nur durch die Bewegung und die schräg zur Wasseroberfläche angestellten Skibretter wird ein genügend hoher Wasserdruck erzeugt, der den Fahrer tragen kann.

    Hydrodynamische Schmierung: a) bei gekrümmten Gleitflächen, b) bei geraden Gleitflächen
    Hydrodynamische Schmierung

    Schmierstoffzufuhr, Schmiersysteme

    Der Gleitraum muss ständig mit Schmierstoff versorgt werden. Für die Zuführung sind Kanäle (Bohrungen, Löcher) in den Lagerkörpern erforderlich, die in achsparallelen Schmiernuten münden, von denen der Schmierstoff über die Lagerbreite verteilt wird. Sie unterbrechen die Gleitflächen und gehen gut gerundet in diese über.

    Abweichungen von der Lagergeometrie

    Die an den Zahnrädern, Riemen, Rollen, Walzen, Ketten u. dgl. wirkenden Kräfte biegen die Welle, sodass sich die Zapfen neigen. Ein derartiges Neigen kann auch durch nicht fluchtende Bohrungen der beiden Lager einer Welle hervorgerufen werden. Auch der Zapfen kann durchgebogen sein, wenn er sich in einem Wellenstrang befindet.

    Kantenpressung in starren Lagern: a) bei Schiefstellung des Zapfens, b) bei Krümmung des Zapfens
    Kantenpressung in starren Lagern

    Gleitwerkstoffe

    Am Gleitvorgang sind der Zapfenwerkstoff, der Lagerwerkstoff (der Gleitwerkstoff) und der Schmierstoff beteiligt. Diese drei bilden ein Tribosystem (von grch. tribo = reiben). Die hydrodynamisch geschmierten Lager laufen beim Anfahren und Anhalten unter Last mit Mischreibung, die fettgeschmierten stets mit Mischreibung.

    Hierbei kommt es darauf an, dass eine schützende Schmierstoff-Grenzschicht haften bleibt und nicht weggedrückt wird, d. h. die Gleitflächen den Schmierstoff mit molekularen Kräften binden.

    Wärmewirkungen, Kühlung

    Jedes Gleitlager erwärmt sich durch die Reibung an den Gleitflächen mehr oder weniger je nach Größe der Reibzahl und der Gleitgeschwindigkeit. Lager, die mit niedrigen Gleitgeschwindigkeiten laufen, bedürfen meistens keiner besonderen Kühlung.

    Die entstandene Reibwärme wird über die Lager- und Gehäuseoberfläche an die umgebende Luft abgeführt. Die Kühlwirkung kann durch oberflächenvergrößernde Rippen am Lagergehäuse wesentlich erhöht werden. Siehe auch Gehäusegleitlager DIN 31693.

    Lagerbuchsen ohne Bund
    Lagerbuchsen ohne Bund

    Gestaltung der Radiallager

    Bei hohen Flächenpressungen, wie sie bei hydrodynamischer Schmierung örtlich auftreten, sind dichte und porenfreie Gleitwerkstoffe Voraussetzung.
    Lässt sich die Welle durch seitliches Einschieben montieren, so sind ungeteilte Lager mit Massivbuchsen nach DIN ISO 4379 das Gegebene, für Schienenfahrzeuge als Einpressbuchsen oder Aufpressbuchsen nach DIN 1552.

    Aus kaltgewalzten Bändern gerollte Buchsen DIN ISO 3547 werden in der Serienfertigung bevorzugt. Alle diese Buchsen bestehen z. B. aus Bronze oder Kunststoff oder aus Stahl mit einer Laufschicht aus Blei- oder Zinnlegierung oder Bleibronze und werden mit Schmiernuten oder -taschen für Flüssig- oder Feststoffschmierung ausgestattet.

    Berechnung der hydrodynamisch geschmierten Radiallager

    Prinzip des Radial-Gleitlagers: a) absolutes Lagerspiel, b) belastete Projektionsfläche
    Prinzip des Radial-Gleitlagers

    Für die Berechnung von Radial-Gleitlagern im stationären Betrieb liegen mehrere Normen vor, und zwar für hydrostatische ölgeschmierte Lager ohne Zwischennuten DIN 31655, mit Zwischennuten DIN 31656, für hydrodynamische Lager als Mehrflächen- und Kippsegmentlager DIN 31657, als Kreiszylinderlager DN 31652. Die Berechnungen dieses Abschnitts erfolgen nach DIN 31652.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (17.2)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (9.2)
    Tabelle (17.3)
    Tabelle (17.7)
    Tabelle (17.10)
    Tabelle (17.14)
    Tabelle (17.19)
    Diagramm (16.1)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

    Ein Programm zur Berechnung von Gleitlagern befindet sich hier.

    Gestaltung der Axiallager

    Die einfachste Ausführung eines Axiallagers ist das Ringspurlager mit ebenen Gleitflächen. Die Stirnfläche des Zapfens läuft auf einer Spurplatte aus Gleitwerkstoff. Der Schmierstoff (meistens Fett, seltener Öl) wird von innen zugeführt. Die Lauffläche der Spurplatte ist durch radiale Schmiernuten oder durch eine exzentrische Ringnut unterbrochen, die das Schmiermittel über die Breite der Ringfläche verteilen.

    Der Schmierstoff wird über entspr. Bohrungen in der Spurplatte zugeführt. Ringspurlager sind nur für geringe Gleitgeschwindigkeiten und geringe Flächenpressungen geeignet. Sie arbeiten im Mischreibungsgebiet. Spurplatten aus Kunststoff oder mit eingelagerten Festschmierstoffen kommen wie die entsprechenden Radiallager auch ohne Schmierung aus.

    Einfaches Ringspurlager: a) mit radialen Schmiernuten, b) mit exzentrischer Ringschmiernut (z Zapfen, p Spurplatte)
    Einfaches Ringspurlager

    Wartungsfreie Gleitlager

    Wartungsfreie Gleitlagerbuchse (Werkbild KS Gleitlager)
    Wartungsfreie Gleitlagerbuchse

    Wartungsfreie Gleitlager sind Gleitlager, die ohne fremde Schmierung auskommen und bei denen der Schmierstoff bereits in das Lager eingebettet ist. Ein breites Einsatzfeld finden solche Lager im Automotive-Bereich (z. B. in Sitzverstellungen, Pedallagerungen, Lenkwellen, Schaltgabeln, Drosselklappen, Schaltsaugrohren, Querlenkern, Achsschenkellagerungen, Bremssattellagerungen, Sattelkupplungen, Türscharnieren) (nach igus) und der Konsumgüterindustrie (z. B. in Haushaltsmaschinen, Unterhaltungselektronik, Sportgeräten und Spielzeugen).

    Diese Gleitlager sind heute hoch spezialisiert, Konstrukteure sollten hierzu die einschlägigen Hersteller konsultieren. Normen und Richtlinien können an dieser Stelle nur ergänzende Informationen liefern. Die Hersteller liefern nicht nur fertige Buchsen, Buchsen mit Bund und Anlaufscheiben, sondern bei Abnahme entsprechender Stückzahlen fast beliebige Sonderbauformen.

  • Wälzlager

    Wälzlager nehmen wie Gleitlager die Zapfen von Achsen oder Wellen auf. Zwischen stählernen Ringen oder Scheiben rollen Wälzkörper. Wegen der Rollreibung ist die Reibzahl 25...50% niedriger als bei hydrodynamisch geschmierten Gleitlagern, sodass sie sich weniger erwärmen und mit geringeren Energieverlusten arbeiten.

    Weiterhin werden sie mit einem kleineren Betriebsspiel ausgestattet, sodass sie genauer als Einflächen-Gleitlager laufen, was besonders im Elektro- und Werkzeugmaschinenbau wichtig ist. Sie beanspruchen wenig Raum, sind in Wartung und Schmiermittelbedarf anspruchslos und bedürfen keines Einlaufs. Ihre internationale Normung gewährleistet die Austauschbarkeit.

    Als nachteilig müssen gegenüber Gleitlagern ihre Stoßempfindlichkeit und ihr geräuschvollerer Lauf genannt werden. Sie können nicht mit so hohen Drehzahlen laufen wie Gleitlager mit Flüssigkeitsreibung. Gegenüber einfachen Gleitlagern sind sie teurer. Der Ein- und Ausbau der einteiligen Wälzlager ist meistens schwieriger als der von ungeteilten oder geteilten Gleitlagern.


    Film: Wälzlager

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    Aufbau, Kennzeichen

    Radiallager (Ringlager) und Axiallager (Scheibenlager) (Darstellung nach [SKF]): a) Radial-Rillenkugellager, b) Zylinderrollenlager, c) Axial-Rillenkugellager
    Radiallager (Ringlager) und Axiallager (Scheibenlager)

    Es werden zwei Hauptbauformen unterschieden:

    1. Radiallager, bei denen die Wälzlager zwischen einem Innenring und einem Außenring laufen. Man nennt sie deshalb auch Ringlager.

    2. Axiallager, bei denen die Wälzkörper zwischen zwei Scheiben laufen. Sie heißen deshalb auch Scheibenlager.

    Belastungsmöglichkeiten, Einbaurichtlinien

    Alle Radialkugellager sind zur Aufnahme von radialen und axialen Kräften geeignet, da sich die Kugeln an den Schultern der Ringe abstützen.


    Film: Kegelrollenlager Lagerreaktion


    Film: Lagerreaktion Fest-Loslagerung


    Film: Lagerreaktionen Kugel- und Zylinderrollenlager

    Besondere Ausführungen von Wälzlagern

    Bei Korrosionsgefahr durch aggressive Medien werden auch Rillenkugellager aus Kunststoff verwendet. Innen- und Außenring bestehen aus Polyacetal, der Käfig aus Polyamid und die Kugeln aus Glas.

    Derartige Lager eignen sich aber nur für kleine Drehzahlen, geringe Belastungen (4...5% der Stahllager) und Betriebstemperaturen bis 100 °C. Sie zeichnen sich durch geräuscharmen Lauf aus und bedürfen keiner Wartung (kein Schmiermittel erforderlich).

    Tragfähigkeit und Lebensdauer

    Je nach ihrer Aufgabe haben die Wälzlager während ihres Laufs radiale Kräfte Fr oder axiale Kräfte Fa oder beide gleichzeitig aufzunehmen. Im letzten Fall spricht man von kombinierter Belastung.

    Für die Berechnung denkt man sich eine kombinierte Belastung durch eine äquivalente (gleichwertige) Belastung P ersetzt, die allein wirkend die gleiche Werkstoffermüdung hervorrufen würde wie Radial- und Axialbelastung zusammen.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (18.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (18.3)

    Ein Excel-Arbeitsblatt:
    Excel-Arbeitsblatt

    Belastung von Kegelrollen- und Schrägkugellagern

    Wenn eine Welle in Kegelrollenlagern oder Schrägkugellagern aufgenommen wird, so müssen die radialen Belastungskräfte FrA und FrB im Schnittpunkt der Drucklinien der Lager mit der Wellenachse angesetzt werden.

    Anordnung von Kegelrollen- und Schrägkugellagern: a) und b) Drucklinien nach außen (O-Anordnung)
    Anordnung von Kegelrollen- und Schrägkugellagern

    Grenzdrehzahl

    Je höher die Rollgeschwindigkeit der Wälzkörper ist, umso mehr steigen die Reibverluste und die Erwärmung, und umso mehr machen sich Fliehkräfte unliebsam bemerkbar, die die Wälzkörper nach außen drücken. Dadurch ist jedes Lager in seiner Drehzahl nach oben begrenzt.

    Schmierung der Wälzlager

    Einer vollständigen Trennung der Paarungsflächen Wälzkörper/Rollbahnen durch einen tragfähigen Schmierfilm kommt wegen der Abwälzbewegung der Rollkörper bei weitem nicht die Bedeutung zu wie bei Gleitlagern. In den meisten Fällen wird eine betriebssichere Schmierung mit Fetten oder Ölen beliebiger Konsistenz bzw. Viskosität erreicht.

  • Lager- und Wellendichtungen

    Dichtungen verhindern den Austritt von Schmiermitteln und das Eindringen von Fremdkörpern, Staub usw. in das Lager oder den Lagerraum. Hierzu können schleifende Dichtungen oder berührungsfreie Dichtungen dienen.

    Schleifende Dichtungen verursachen eine zusätzliche Reibung und damit Erwärmung und Energieverluste, berührungsfreie können jedoch nicht ohne Weiteres gegen Über- oder Unterdruck abdichten und sind nicht immer sicher gegen das Eindringen von Staub.

    Schleifende Dichtungen

    Für untergeordnete Anwendungen genügen Filzringe DIN 5419. Vor dem Einbau werden sie mit heißem Öl oder Fett getränkt. Die trapezförmigen Gehäuserillen verformen den Rechteckquerschnitt des Ringes und drücken ihn mit Spannung auf die Welle.

    Filzringdichtungen: a) mit einem Ring, b) mit hintereinander angeordneten Ringen, c) mit drei Ringen in einer Stopfbuchse
    Filzringdichtungen

    Berührungsfreie Dichtungen

    Berührungsfreie Dichtungen wirken durch austrittsverhindernde Wirbelbildungen oder Stauungen des Schmiermittels in einem Spalt. Die einfache Spaltdichtung darf nur bei kleinen Drehzahlen und geringer Erwärmung angewendet werden, weil das im Spalt befindliche Fett zäh bleiben muss.


    Film: Simulation des Strömungsverlaufs in einer Volllabyrinth Dichtung

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  • Wellenkupplungen und -bremsen

    Wellenkupplungen dienen zur Verbindung zweier Wellen, z. B. der Wellen von Kraft- und Arbeitsmaschinen (der Antriebs- und Lastseiten) oder von Transmissionswellen oder zum Verbinden einer Welle mit einem auf ihr drehbeweglich sitzenden Maschinenteil, wie Zahnrad, Riemenscheibe oder Kettenrad, um dieses nach Belieben zu- oder abschalten zu können.

    Bremsen dienen zum Anhalten von sich bewegenden Massen, z. B. der Hublasten von Kranen. Sie sind prinzipiell Abwandlungen von Reibkupplungen.

    Einteilung der Wellenkupplungen

    Je nach den Aufgaben und Bauarten von Kupplungen unterscheidet man nach der Richtlinie VDI 2240:

    1. Nichtschaltbare Kupplungen, die form- oder kraftschlüssig starr oder formschlüssig nachgiebig sein können, und zwar längs-, quer- und winkelnachgiebig. Sie dienen zum Ausgleich von Wellenverlagerungen (Ausgleichskupplungen). Zusätzlich drehnachgiebige Kupplungen mildern Stöße oder dämpfen Schwingungen und wirken gleichzeitig als Ausgleichskupplungen. Auch kraftschlüssig drehnachgiebige Kupplungen werden mitunter eingesetzt. Das sind Schlupfkupplungen, die beispielsweise hydrodynamisch wirken (Strömungskupplungen) oder elektrodynamisch (Induktionskupplungen) und das Drehmoment durch Drehzahlschlupf der beiden Kupplungshälften übertragen.

    2. Schaltbare Kupplungen, die fremdbetätigt (Schaltkupplungen), drehzahlbetätigt (Fliehkraftkupplungen), momentbetätigt (Sicherheitskupplungen) oder richtungsbetätigt (Freilaufkupplungen) sein können. Diese Kupplungen können jeweils für Form- oder Kraftschluss ausgebildet sein.

    Starre Kupplungen

    Da starre Kupplungen keine Drehmomentstöße mildern, werden sie nur bei geringen Drehmomentschwankungen verwendet. Sie kommen ausschließlich bei fluchtenden Wellenenden in Betracht, was in der Praxis selten vorkommt.

    Solche starren Kupplungen sollten bei modernen Konstruktionen nicht oder nur nach genauester Überprüfung der Verhältnisse eingesetzt werden.

    Einsatz einer Ausgleichskupplung
    Einsatz einer Ausgleichskupplung

    Drehsteife Ausgleichskupplungen

    Antriebsmaschine und Arbeitsmaschine müssen über eine Ausgleichskupplung miteinander verbunden werden, um Fundament- und Montageungenauigkeiten sowie Temperaturdehnungen auszugleichen.

    Formschlüssig nachgiebige, drehelastische Wellenkupplungen

    Wellenkupplungen dieser Art besitzen elastische Bindeglieder (Zwischenglieder), die außer dem Ausgleich von Wellenverlagerungen auch Drehmomentspitzen abbauen. Die Bindeglieder können metallelastisch (Metallfedern) oder gummielastisch (Gummifedern) sein.

    Drehmomentspitzen treten beim Anfahren von Maschinen auf, besonders beim schnellen Hochfahren. Periodische Drehmomentschwankungen treten bei allen Kolbenmaschinen als Kraft- oder Arbeitsmaschinen auf, umso stärker, je weniger Zylinder die Kolbenmaschinen besitzen.

    Ein Berechnungsbeispiel:
    Beispielaufgabe (20.1)

    Materialien zur Beispielaufgabe:
    Tabelle (20.1)
    Tabelle (20.2)
    Tabelle (20.3)

    Das Berechnungsprogramm für elastische Kupplungen befindet sich hier.

    Kraftschlüssig drehnachgiebige Kupplungen

    Mit diesen Kupplungen kann auf die Eigenart der Antriebe, insbesondere solcher mit Kolbenmaschinen, besonders gut eingegangen werden, da sie den jeweiligen Verhältnissen durch die Flüssigkeitsmenge oder die elektrische Stromstärke angepasst werden können. Durch sie wird ein besonders sanfter Anlauf der Arbeitsmaschinen erreicht.

    Formschlüssige Schaltkupplungen

    Schaltkupplungen ermöglichen auf schnelle Weise das Verbinden oder Trennen von Wellen oder von auf Wellen gelagerten Maschinenteilen.

    Schaltbare Klauenkupplung
    Schaltbare Klauenkupplung

    Reibkupplungen als kraftschlüssige Schaltkupplungen

    Mechanisch betätigte Lamellenkupplung (Werkbild Ortlinghaus)
    Mechanisch betätigte Lamellenkupplung

    Reibkupplungen als kraftschlüssige Schaltkupplungen bieten den Vorteil, dass sie in der Bewegung ein- und ausgerückt werden können und durch die Reibkraft in ihrem Drehmoment begrenzt sind. Dadurch arbeiten sie sanft und wirken gleichzeitig als Sicherheitskupplungen.

    Steuerungen in Produktions- und Baumaschinen aller Art sind ohne die schaltbaren Reibkupplungen, insbesondere der fernschaltbaren, im Zeitalter der Automation unentbehrlich. Die Schaltkraft wird dann mit Druckluft, Pressöl oder Magnetismus erzeugt, sodass man pneumatische, hydraulische und elektromagnetische Kupplungen kennt.

    Ein Programm zur Berechnung von Schaltkupplungen befindet sich hier.

    Fliehkraftkupplungen als drehzahlbetätigte Kupplungen

    Selbstverstärkende Fliehkraftkupplung (Werkbild SUCO)
    Selbstverstärkende Fliehkraftkupplung

    Hochtourige Elektromotoren laufen unter Last schwer an. Die hohen Anlaufmomente würden sehr große Motoren erfordern. Das wäre besonders bei großen umlaufenden Massen unwirtschaftlich, weil die hohe Motorleistung während des Betriebes nicht benötigt wird. Aus diesem Grunde werden in die Antriebe Anlaufkupplungen eingebaut, die den Motor (meistens Kurzschlussläufer) ohne Last hochlaufen lassen und danach die lastseitigen Massen mit begrenztem Drehmoment der Kupplung beschleunigen. Die Rotationsenergie des Motorankers unterstützt den Anfahrvorgang.

    Momentbetätigte Kupplungen als Sicherheitskupplungen

    Sicherheitskupplungen schützen nachfolgende Getriebeteile, Maschinen und Geräte bei Überlastungen vor Beschädigungen oder Bruch. Überlastungen können z. B. durch eingedrungene Fremdkörper (Steine, Metallteile) in Misch-, Mahl- oder Brechwerken auftreten, ferner durch Hemmungen wie Lagerfestlauf u. dgl.

    Richtungsbetätigte Kupplungen als Freilaufkupplungen

    Freiläufe sind drehrichtungsgeschaltete Kupplungen. Sie sind geeignet als

    1. Vorschubfreiläufe
    2. Überholkupplungen
    3. Rücklaufsperren
    Kraftfahrzeug-Scheibenbremse
    Kraftfahrzeug-Scheibenbremse

    Bremsen

    Überall, wo angetrieben wird, muss zwangsläufig auch wieder irgendwann gebremst werden. Bremsen sind sehr wichtige Komponenten in der Antriebstechnik. Man unterscheidet heute meist nach der Anordnung der Reibflächen

    1. Trommelbremsen und
    2. Scheibenbremsen

    Mehrmassen-Torsionsschwinger

    Viele Drehschwinger lassen sich bei ihrer Betrachtung auf Ein- oder Zweimassen-Dreh-schwinger reduzieren. Bei Vier- oder Sechszylinder-Kurbelwellen, evtl. noch kombiniert mit Schaltkupplung, Getriebe, Differenzial und Fahrzeugmasse zu einem Gesamtsystem, wird man zum Ansatz des Mehrmassen-Torsionsschwingers greifen.