Lager (Maschinenelement)

Als Lager bezeichnet man im Maschinen- und Gerätebau ein Element (Maschinenelement) zum Führen gegeneinander beweglicher Bauteile.

Antriebswelle einer Schiffsschraube in zwei radialen Gleitlagern

Prinzipielle Unterscheidung von Lagern

Lager ermöglichen Bewegungen in erwünschten Freiheitsgraden und verhindern Bewegungen in den unerwünschten Freiheitsgraden. Die häufigsten Lager sind einfache Drehlager (Radiallager) und Linearlager. Der erwünschte Freiheitsgrad ist in beiden Fällen f = 1. Beim Radiallager ist nur eine Rotation, beim Linearlager nur eine Translation gewollt (frei). Manche Radiallager lassen zusätzlich die Translation in Richtung der Drehachse zu, haben somit f = 2 (Beispiel: radiales Gleitlager). Radiallager, die diese Translation nicht erlauben, haben die gängige Bezeichnung Radial-Axial-Lager (Radiaxlager). Ein häufiges Drehlager, das drei Rotationen zulässt, ist das sogenannte Kugelgelenk mit f = 3 (zwei der drei Rotationen sind in der Praxis aber nicht „durchdrehbar“, ihr Drehwinkel ist < 360°).

Je nach angewendetem Wirkprinzip wird in Gleit- und Wälzlager unterschieden. Beim Gleitlager berühren sich die gegeneinander beweglichen Teile oder sind mehr oder weniger durch einen Schmierfilm (flüssig, seltener gasförmig) voneinander getrennt. Beim Wälzlager befinden sich Wälzkörper (Kugeln oder Rollen), die eine Wälzbewegung durchführen, zwischen den Teilen.

Unterscheidung nach Freiheitsgrad

Die meisten gängigen Lager-Namen deuten nicht auf die vorhandenen Freiheiten hin, sondern auf die unterbundenen Freiheiten in der relativen Bewegung zwischen den beiden Lagerteilen.

Radiallager

Ein Radiallager ist ein Drehlager, wobei das drehende Teil in der Regel eine axial ausgedehnte Welle ist. Es unterbindet zwei Freiheiten in radialer Richtung ihres kreisförmigen Querschnitts oder quer zur Wellenachse und wird deshalb auch Querlager genannt. Der gewünschte Freiheitsgrad ist f = 1, drei weitere Freiheiten sind zu verhindern. In der Regel werden der Welle nur die beiden anderen Rotationen verwehrt, in dem das Lager deutlich axial ausgedehnt gestaltet wird. Die entsprechende Kipp-Beanspruchung wird aber vermieden, wenn die Welle an beiden Enden mit je einem Lager ausgestattet wird. Die dritte Translation in Richtung der Drehachse ist üblicherweise nur beim Rillenkugellager deutlich belastbar unterbunden. Ein Dreh-Gleitlager hat den Freiheitsgrad f = 2, wenn es nicht als Radiaxlager ausgebildet wird.

Eine weitere gängige Bezeichnung ist Traglager. Damit wird darauf eingegangen, dass Betriebskräfte in der Regel nur radial über das Lager auf das Maschinen-Gestell wirken, das heißt abzutragen sind. Selbst das Eigengewicht der Welle wirkt im Lager nur radial, wenn diese horizontal angeordnet ist.

Axiallager

Auch wenn keine axialen Kräfte vorhanden sind, muss eine Welle daran gehindert werden, axiale Bewegungen ausführen zu können. Diese eine Freiheit ist ihr zu verwehren. Wenn deutliche axiale Kräfte aus Betrieb oder Gewicht vorhanden sind, ist ein besonderes Axiallager nötig, das für diese Kräfte ausgelegt ist.

Andere gängige Bezeichnungen sind Längslager, Drucklager und Spurlager. Es heißt Drucklager, weil zwischen den beiden gepaarten Gleitlager-Teilen nur Druckkräfte übertragbar sind. Im Wälzlager ist die Art der Paarung gleich, nur die Zahl der Paarungen ist infolge der dazukommenden Wälzkörper größer als eins. Bei axialer Lagerung wird damit darauf hingewiesen, dass zwei axiale Paarungen/Lager nötig sind.

Radiaxlager

Ein Radiaxlager einer Welle hat von sich aus nur einen erforderlichen Freiheitsgrad (f = 1). Es ist zum Beispiel als Gleitlager ein einfach wirkendes Radiallager, das mit zwei axial wirkenden Lager-Paarungen ergänzt ist.

Zwei Spitzenlager (auch Körnerlager) an den Enden einer Welle bilden zusammen auch ein Radiaxlager mit f = 1. In den Spitzen sind sowohl das radial als auch das axial wirkende Formelement enthalten. Zwei Spitzenlager sind nötig, weil eine einzelne Spitze keine Kraft in Gegenrichtung aufnimmt.

Linearlager

Ein Linearlager wird zum Führen einer geradlinigen Bewegung zwischen zwei Körpern benutzt. Der Freiheitsgrad ist f = 1. Es ist das einzige Lager, aus dessen Namen erkennbar ist, was es erlaubt (nicht, was es verhindert).

Lineargleit- und Linearkugellager sind auf Rundstangen geführte Buchsen mit f = 2, weshalb zwei davon parallel montiert angewendet werden, um die Freiheit Rotation zu unterbinden.

Unterscheidung nach Wirkprinzip

radiales Gleitlager

radiales Wälzlager

Gleitlager

Im Gleitlager haben die beiden sich gegeneinander bewegenden Teile direkten Kontakt. Sie gleiten aufeinander gegen den durch Gleitreibung verursachten Widerstand. Dieser kann niedrig gehalten werden durch Wahl einer reibungsarmen Materialpaarung, durch Schmierung oder durch Erzeugen eines Schmierfilms, der die beiden Kontaktflächen voneinander trennt.

Wenn sich die beiden Teile berühren, was bei den meisten verwendeten Gleitlagern der Fall ist, entsteht in den Kontaktflächen Verschleiß, der die Lebensdauer begrenzt. Als trennender Film kommt neben Flüssigkeiten (meistens Öl, seltener auch Wasser) auch Luft (Luftlager) vor. Die Erzeugung eines Films bei sogenannter Vollschmierung verlangt einen Zusatzaufwand und besondere Betriebsbedingungen.

Wälzlager

Beim Wälzlager stützen sich die relativ zueinander bewegten Teile über Wälzkörper aufeinander. An den wandernden Berührungsstellen verformen sich die Laufflächen und die Wälzkörper elastisch, was zu einem Rollwiderstand infolge innerer Reibung führt. In den meisten Lagern werden die Wälzkörper auf gleichmäßigen Abstand untereinander mit Hilfe eines Käfigs gehalten, gegen den sie reiben. In der Summe haben Wälzlager dennoch einen deutlich kleineren Bewegungswiderstand als Gleitlager.

Die relative Geschwindigkeit der Wälzkörper (im Schwerpunkt und des Käfigs) ist gegen die beiden Teile, auf denen sie rollen, je die Hälfte derer relativen Geschwindigkeit: Sie und der Käfig werden mit halber Geschwindigkeit mitgenommen.

Lagerung einer Welle

Eine Welle ist meistens horizontal positioniert und dabei wegen ihrer Länge mit zwei Radiallagern versehen. Axialkräfte sind oft klein, im Minimum wird die Welle axial gelagert, um zufällige Verschiebungen zu behindern.

Von den beiden Radiallagern darf höchstens ein Lager zusätzlich als Axiallager ausgeführt sein, um thermische Längsdehnung der Welle nicht zu behindern.

Das Standard-Wälzlager ist das Rillenkugellager, das nicht nur primär radial, sondern auch deutlich axial belastbar ist. Beide Ringe eines der beiden Lager werden im Gestell, beziehungsweise auf der Welle, axial fixiert („Festlager“). Vom anderen Lager wird einer der beiden Ringe axial verschieblich eingebaut („Loslager“). Als Loslager kann auch ein in sich axial bewegliches Lager eingebaut werden.

Die beiden Teile radialer Gleitlager sind ohne besonderen Aufwand grundsätzlich axial gegeneinander verschieblich. Hier muss die Welle auf beiden Seiten von einem der beiden Lager für axiales Führen verdickt sein. Bei deutlicher Axial-Belastung ist ein besonderes Axiallager vorzusehen.

Bei senkrechten Wellen mit vorwiegend Gewichtslast (Plattenspieler-Motor bzw. -teller, Kopftrommel in Videorecordern, Schwungmasse an Capstan-Wellen) verwendet man oft zwei axial verschiebliche Rillenkugellager („Loslager“) und ein zusätzliches Axiallager (z. B. eine Kugel am unteren Ende der Welle).

Andere Lagerarten

• Die Übertragung der Kraft zwischen den beiden zueinander bewegten Teilen kann auch magnetisch sein: Magnetlager
• Für hin- und herdrehende Bewegungen über einen kleinen Bogen können die beiden Teile mit einem elastischen dritten Teil (Feder) miteinander verbunden werden: Federgelenk für Uhren-Pendel, Torsionspendel in der Drehpendeluhr, Spannband in Drehspulmesswerken und anderes. Bei diesen Beispielen ist der elastische Widerstand Teil der Funktion. Er wird aber gelegentlich in Kauf genommen zu Gunsten der prinzipiellen Spielfreiheit, die mit einem Federgelenk erreichbar ist.
• Lager im Bauwesen sind in der Regel keine Führungselemente. Sie tragen Lasten ab, „lagern“ Bauteile auf anderen, zum Beispiel Brücken auf Fundamenten. Nur zum Ausgleich von Dehnungen kommen entsprechende, gering bewegliche Lager vor, zum Beispiel Brückenlager mit meist nur einer Rolle oder als Gleitlager mit einem der beiden zueinander beweglichen Teile aus PTFE.

Literatur

• Milowiz, Kurt & al.: Die Verbrennungskraftmaschine, Bd.8: Lager und Schmierung. Wien, New York, 1962 (Springer)
• Stopa, Frank: Wartungsfreie Kunststoffgleitlager – Ein Beitrag zum Einsatz in nicht umlaufenden Kreuzgelenken, Düsseldorf 2003, ISBN 3-18-336501-4, VDI-Verlag

Siehe auch

 Commons: Bearings – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Lagermetall