Kugellager
Englisch: ball bearing
Ein Lageraufbau, der Stahlkugeln als Wälzkörper nutzt; üblicherweise aus zwei Laufringen bestehend.
Kugellager: Wälzreibung in der Praxis
Ein Kugellager ist ein Wälzlager, in dem gehärtete Stahlkugeln zwischen zwei konzentrischen Ringen, den Laufbahnen, sitzen. Die innere Laufbahn wird auf einer Welle montiert, die äußere Laufbahn sitzt in einem Gehäuse. Wenn die Welle dreht, rollen die Kugeln entlang der gerillten Bahnen in beiden Laufbahnen und wandeln die hohe Reibung des Gleitkontakts in die viel niedrigere Reibung des Wälzkontakts um. Ein Käfig, meist aus Messing oder Stahl, verteilt die Kugeln gleichmäßig um den Umfang, sodass sie nicht zusammenstoßen.
Die Geometrie eines Kugellagers wirkt einfach, ist aber entscheidend. Die Kugeln bestehen typischerweise aus durchgehärtetem Lagerstahl und sind auf wenige Mikrometer genau geschliffen. Auch die Laufbahnen sind gehärtet und präzise mit kreisförmigen Nuten geformt, den Laufflächenrillen, die einen etwas größeren Radius als die Kugeln selbst haben. Diese Geometrie erzeugt einen Punktkontakt zwischen jeder Kugel und der Laufbahn, konzentriert die Last auf eine kleine Fläche und ermöglicht höhere Drehzahlen als Lager mit ebenen Laufbahnen. Einreihige Rillenkugellager, die häufigste Bauart, können Radialkräfte senkrecht zur Welle und gewisse Axialkräfte längs der Welle aufnehmen.
Größe und Tragfähigkeit folgen Normen nach ISO 15. Ein typisches Lager in einem Elektromotor könnte die Bezeichnung 6205 haben: ein Außendurchmesser von 52 Millimetern, eine innere Bohrung von 25 Millimetern und eine Breite von 15 Millimetern. Die dynamische Grundbelastbarkeit eines Lagers wird in Kilonewton angegeben und sagt aus, welche konstante Radialkraft es eine Million Umdrehungen lang tragen kann, bevor Abplatzungen an den Laufflächenoberflächen entstehen. Der Verschleiß beginnt meist als Ermüdung unter der Oberfläche im Stahl, wobei Spannungszyklen letztlich die Dauerfestigkeit des Werkstoffs übersteigen.
Verschleiß, Vorspannung und Montage
Lager verschleißen durch wiederholte Spannungszyklen, durch Verschmutzung oder Metallpartikel im Schmierstoff und durch unzureichendes oder degradiertes Fett. Dichtungen und Schutzbleche schützen vor Verschmutzung, aber keine Barriere ist vollkommen. In Anwendungen, bei denen Axialspiel vermieden werden muss, zum Beispiel bei Spindellagern in Werkzeugmaschinen, werden oft zwei Kugellager mit verstellbarer Vorspannung eingebaut, die die Kugeln leicht gegen die Laufbahnen drückt. Das erhöht die Steifigkeit und verringert Vibrationen, geht aber mit höherer Reibung und Wärmeentwicklung einher.
Der Name spiegelt Form und Funktion wider: Kugeln rollen, Reibung sinkt, Lasten laufen reibungslos. Kugellager bilden das Fundament von Drehmaschinen: Elektromotoren, Pumpen, Verdichter, Getriebe und Werkzeugmaschinen sind alle auf sie angewiesen. Sie arbeiten mit Drehzahlen von nahezu Null bis über 10.000 U/min bei kleinen Lagern und tragen Lasten von wenigen Newton bis zu Hunderten von Kilonewton. Nach der Montage und Schmierung benötigen sie kaum Wartung, was ihre Dominanz gegenüber älteren Gleitlager- und Wellenlager-Konstruktionen erklärt.