Kugellager sind eine Art Wälzlager, das Kugeln verwendet, um die Trennung zwischen den Lagerlaufbahnen aufrechtzuerhalten.
Der Zweck eines Kugellagers besteht darin, die Rotationsreibung zu verringern und radiale und axiale Belastungen aufzunehmen. Dies wird erreicht, indem mindestens zwei Laufringe verwendet werden, um die Kugeln aufzunehmen und die Lasten durch die Kugeln zu übertragen. In den meisten Anwendungen ist ein Laufring stationär und der andere an der rotierenden Baugruppe (z. B. einer Nabe oder Welle) befestigt. Wenn sich einer der Laufringe dreht, drehen sich auch die Kugeln. Da die Kugeln rollen, haben sie einen viel geringeren Reibungskoeffizienten, als wenn zwei flache Oberflächen gegeneinander gleiten würden.
Kugellager haben aufgrund der kleineren Kontaktfläche zwischen den Kugeln und den Laufringen tendenziell eine geringere Tragfähigkeit für ihre Größe als andere Arten von Wälzlagern. Sie können jedoch eine gewisse Fehlausrichtung der inneren und äußeren Laufringe tolerieren.
Es gibt mehrere gängige Konstruktionen von Kugellagern, die jeweils verschiedene Leistungskompromisse bieten. Sie können aus vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden, darunter: Edelstahl, Chromstahl und Keramik (Siliziumnitrid (Si3N4)). Ein Hybridkugellager ist ein Lager mit Keramikkugeln und Laufringen aus Metall.
Rillenkugellager
Ein Rillenradiallager, dessen Laufringabmessungen nahe an den Abmessungen der darin laufenden Kugeln liegen. Rillenlager halten höheren Belastungen stand als flachere Rillen. Wie Schräglager tragen Rillenlager sowohl radiale als auch axiale Belastungen, jedoch ohne Wahl des Kontaktwinkels, um eine Wahl des relativen Anteils dieser Belastungskapazitäten zu ermöglichen.
Ein Schrägkugellager
Ein Schrägkugellager verwendet axial asymmetrische Laufringe. Eine axiale Belastung verläuft in einer geraden Linie durch das Lager, während eine radiale Belastung einen schrägen Weg nimmt, der bewirkt, dass die Laufringe axial getrennt werden. Der Kontaktwinkel am Innenring ist also derselbe wie am Außenring. Schräglager tragen kombinierte Belastungen (Belastung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung) besser, und der Kontaktwinkel des Lagers sollte an die jeweiligen relativen Anteile angepasst werden. Je größer der Kontaktwinkel (typischerweise im Bereich von 10 bis 45 Grad), desto höher ist die unterstützte axiale Belastung, aber desto geringer ist die radiale Belastung. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie Turbinen, Strahltriebwerken und zahnmedizinischen Geräten verändern die von den Kugeln erzeugten Zentrifugalkräfte den Kontaktwinkel am Innen- und Außenring. Keramiken wie Siliziumnitrid werden heute aufgrund ihrer geringen Dichte (40 % von Stahl) regelmäßig in solchen Anwendungen eingesetzt. Diese Materialien reduzieren die Zentrifugalkraft erheblich und funktionieren gut in Hochtemperaturumgebungen. Sie neigen auch dazu, sich ähnlich wie Lagerstahl abzunutzen – anstatt zu brechen oder zu zersplittern wie Glas oder Porzellan.
Ein Axial- oder Druckkugellager
Ein Axial- oder Axialkugellager verwendet nebeneinander angeordnete Laufringe. Eine axiale Belastung wird direkt durch das Lager übertragen, während eine radiale Belastung schlecht gestützt wird und dazu neigt, die Laufringe zu trennen, so dass eine größere radiale Belastung wahrscheinlich das Lager beschädigt.
Kugellager im Conrad-Stil
Das Kugellager im Conrad-Stil ist nach seinem Erfinder Robert Conrad benannt, der 1903 das britische Patent 12.206 und 1906 das US-Patent 822.723 erhielt. Diese Lager werden zusammengebaut, indem der Innenring in eine exzentrische Position relativ zum Außenring gebracht wird die beiden Ringe berühren sich an einem Punkt, was zu einem großen Spalt gegenüber dem Kontaktpunkt führt. Die Kugeln werden durch den Spalt eingeführt und dann gleichmäßig um die Lagerbaugruppe verteilt, wodurch die Ringe konzentrisch werden. Die Montage wird abgeschlossen, indem ein Käfig an den Kugeln angebracht wird, um ihre Positionen relativ zueinander beizubehalten. Ohne den Käfig würden die Kugeln während des Betriebs schließlich aus ihrer Position driften, was zu einem Ausfall des Lagers führen würde. Der Käfig trägt keine Last und dient nur dazu, die Kugelposition zu halten.
Conrad-Lager haben den Vorteil, dass sie sowohl radialen als auch axialen Belastungen standhalten können, haben jedoch den Nachteil einer geringeren Belastbarkeit aufgrund der begrenzten Anzahl von Kugeln, die in die Lageranordnung geladen werden können. Das wohl bekannteste Industriekugellager ist das Rillenkugellager im Conrad-Stil. Das Lager wird in den meisten mechanischen Industrien verwendet.
Pendelkugellager
Pendelkugellager, wie das auf dem Bild gezeigte Wingqvist-Lager, sind so konstruiert, dass der Innenring und die Kugelbaugruppe in einem Außenring enthalten sind, der eine sphärische Laufbahn hat. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Lager, eine kleine Winkelfehlausrichtung zu tolerieren, die sich aus Wellen- oder Gehäusedurchbiegungen oder unsachgemäßer Montage ergibt. Das Lager wurde hauptsächlich in Lagerungen mit sehr langen Wellen eingesetzt, wie z. B. Getriebewellen in Textilfabriken.[6] Ein Nachteil der Pendelkugellager ist eine begrenzte Tragzahl, da die äußere Laufbahn eine sehr geringe Schmiegung hat (ihr Radius ist viel größer als der Kugelradius). Dies führte zur Erfindung des Pendelrollenlagers, das ähnlich aufgebaut ist, aber Rollen anstelle von Kugeln verwendet. Das Axial-Pendelrollenlager ist eine weitere Erfindung, die auf den Erkenntnissen von Wingqvist basiert.
Vollkeramiklager
Diese Lager verwenden sowohl Keramikkugeln als auch Laufringe. Diese Lager sind korrosionsbeständig und müssen nur selten oder gar nicht geschmiert werden. Aufgrund der Steifheit und Härte der Kugeln und Laufringe sind diese Lager bei hohen Drehzahlen laut. Die Steifheit der Keramik macht diese Lager spröde und neigt dazu, unter Belastung oder Stoß zu reißen. Da sowohl die Kugel als auch der Laufring eine ähnliche Härte aufweisen, kann Verschleiß bei hohen Geschwindigkeiten sowohl an den Kugeln als auch am Laufring zum Absplittern führen, was zu Funkenbildung führen kann.
Anwendungen
Im Allgemeinen werden Kugellager in den meisten Anwendungen mit beweglichen Teilen verwendet. Einige dieser Anwendungen haben spezifische Merkmale und Anforderungen:
Die Lager von Computerlüftern und rotierenden Geräten waren früher sehr sphärisch und galten als die am besten hergestellten sphärischen Formen, aber das gilt nicht mehr für Festplattenlaufwerke, und immer mehr werden durch Flüssigkeitslager ersetzt.
In der Uhrmacherei entwarf die Firma Jean Lassale ein Uhrwerk, das Kugellager verwendete, um die Dicke des Uhrwerks zu reduzieren. Mit 0,20-mm-Kugeln war das Kaliber 1200 nur 1,2 mm dick, was immer noch das dünnste mechanische Uhrwerk ist.
Luft- und Raumfahrtlager werden in vielen Anwendungen in kommerziellen, privaten und militärischen Flugzeugen verwendet, einschließlich Riemenscheiben, Getrieben und Strahltriebwerkswellen. Zu den Materialien gehören M50-Werkzeugstahl (AMS6491), Kohlenstoff-Chromstahl (AMS6444), der korrosionsbeständige AMS5930, 440C-Edelstahl, Siliziumnitrid (Keramik) und titankarbidbeschichteter 440C.
Ein Skateboardrad enthält zwei Lager, die sowohl axialen als auch radialen zeitlich veränderlichen Belastungen ausgesetzt sind. Am häufigsten wird Lager 608-2Z verwendet (ein Rillenkugellager der Reihe 60 mit 8 mm Bohrungsdurchmesser)
Viele Yo-Yos, vom Anfänger bis zum Profi oder Wettkampfklasse, enthalten Kugellager.
Viele Fidget-Spinner-Spielzeuge verwenden mehrere Kugellager, um Gewicht hinzuzufügen und dem Spielzeug zu ermöglichen, sich zu drehen.
Bei Kreiselpumpen.
Achszapfen von Eisenbahnlokomotiven. Seitenstangenantrieb der neuesten Hochgeschwindigkeitsdampflokomotiven, bevor Eisenbahnen auf Dieselmotoren umgestellt wurden.
