Schrägkugellager sind weit verbreitet, da sie eine hervorragende Drehzahlfestigkeit mit hoher Tragfähigkeit vereinen. Im Vergleich zu Rillenkugellagern bieten sie nicht nur eine hohe Radial-, sondern auch eine ausgezeichnete Axialtragfähigkeit. Ihre spezielle Geometrie bedingt jedoch, dass ein einzelnes Lager die Axiallast nur in einer Richtung aufnehmen kann, was spezifische Anwendungsanforderungen mit sich bringt.
Geometrie und unidirektionale Belastbarkeit — Betrachten Sie die unten dargestellte innere Geometrie eines Schrägkugellagers:
Wie dargestellt, lässt die innere Geometrie eine axiale Belastung nur in einer Richtung zu: von der dicken Schulter des Innenrings zur dicken Schulter des Außenrings. Eine axiale Belastung in entgegengesetzter Richtung führt zur Trennung oder sogar zum Auskuppeln des Lagers. Die Wälzkörper können dann nicht mehr korrekt abrollen, was zu Hitzeentwicklung, Verschleiß und letztendlich zu vorzeitigem Lagerausfall führt.
Warum eine axiale Vorspannung notwendig ist – Um diesen Ausfallmechanismus zu verhindern, darf ein Schrägkugellager keiner axialen Kraft entgegen seiner Lastrichtung ausgesetzt sein. Die Lösung besteht in der Anwendung einer axialen Vorspannung.
Vorspannung eines einzelnen Lagers — Bei einem einzelnen Schrägkugellager muss die Vorspannung in axialer Lastaufnahmerichtung aufgebracht werden, die in der Abbildung als Richtung von der dicken Schulter des Außenrings zur dicken Schulter des Innenrings dargestellt ist.
Vorspannung bestimmen – Die Vorspannung dient primär dazu, axiale Rücklasten auszugleichen. Sie muss daher die maximal zu erwartende axiale Rücklast übersteigen. Selbst bei dieser maximalen Rücklast muss die Lagerbelastung die vorgegebene Mindestlast erfüllen. Im Allgemeinen entspricht die Vorspannung der maximalen axialen Rücklast zuzüglich der erforderlichen Mindestlast des Lagers, wobei weitere standortspezifische Faktoren zu berücksichtigen sind.
Gepaarte Schrägkugellager (frontal oder rückseitig angeordnet) – Zwei einreihige Schrägkugellager werden üblicherweise paarweise angeordnet, um bidirektionale Axiallasten aufzunehmen. Sowohl bei frontal als auch bei rückseitig angeordneten Lagern sind die Axiallastrichtungen der Lager einander entgegengesetzt.
Rücken an Rücken (DB): Die dicken Schultern der äußeren Ringe zeigen zueinander.
Face-to-Face (DF): Die schmalen Schultern der Außenringe liegen einander gegenüber. In beiden Anordnungen trägt jedes Lager die axiale Last in einer Richtung, wie unten für ein Rücken-an-Rücken-Paar dargestellt:
In der Abbildung trägt das linke Lager die axiale Last nach rechts, während das rechte Lager die axiale Last nach links trägt. Die axiale Last wird somit in jeder Richtung von einem der Lager aufgenommen. Eine externe Axialkraft ist in der Regel nicht erforderlich, um eine Vorspannung zu erzeugen; dies bedeutet jedoch nicht, dass ein Lagerpaar nicht vorgespannt werden kann.
Vorlast auf ein gepaartes Set anwenden
Bei dem oben dargestellten, Rücken an Rücken angeordneten Lagerpaar liegen die Stirnflächen der dicken und dünnen Schultern möglicherweise nicht in derselben Ebene, wenn die Schrägkugellager spielfrei sind. Im dargestellten Fall ist die dicke Schulter höher als die dünne. Werden die dicken Schultern zusammengepresst, verbleibt ein Spalt zwischen den dünnen Schultern. Durch Anlegen einer äußeren Kraft zum Schließen dieses Spalts entsteht negatives Lagerspiel und somit eine Vorspannung.
Vorspannungssteuerung – In der Fertigung und Anwendung werden die Abmessungen der dünnen und dicken Schulterflächen präzise gesteuert und aufeinander abgestimmt, um die interne Vorspannung bzw. das Anfangsspiel nach dem Zusammenfügen zu steuern. Neben der direkten DB- oder DF-Montage ist eine weitere gängige Anordnung die Verwendung von zwei Schrägkugellagern an gegenüberliegenden Enden einer Welle, wie unten dargestellt:
In der Abbildung sind zwei Lager in Rücken-an-Rücken-Anordnung an den gegenüberliegenden Enden der Welle angeordnet und durch Distanzstücke getrennt. Das Lagerspiel bzw. die Vorspannung wird über die Distanzstücklänge gesteuert: Ein längeres Distanzstück erzeugt eine größere, ein kürzeres eine geringere Vorspannung.
Weitere Faktoren, die Vorspannung und Spiel beeinflussen – Bei einer Paaranordnung kann die Presspassung zwischen Innenringen und Welle ebenfalls zur Beeinflussung des Lagerspiels angepasst werden. Die durch die Passung bedingte Spielreduzierung wird gesondert behandelt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das endgültige Betriebsspiel eines eingebauten Paares unter stabilen Bedingungen durch die kombinierten Effekte folgender Faktoren bestimmt wird:
Die Abmessungen der Stirnfläche werden von außen gesteuert und durch die Anpassung der Abstandshalterlänge festgelegt.
Die Passung zwischen den Lagerinnenringen und der Welle.
Durch Temperaturänderungen bedingte Spielreduzierung. Die endgültige Vorspannung muss sicherstellen, dass sich das unbelastete Lager unter axialer Belastung in beiden Richtungen nicht löst und seine innere Belastung stets über der Mindestbelastungsanforderung liegt.
Anwendungsunterschiede – Industriemotoren verwenden häufig werkseitig abgestimmte Schrägkugellagersätze, wodurch Berechnungen und Justierungen vor Ort entfallen. Bei Getrieben und ähnlichen Anwendungen sind jedoch eine genaue Vorspannungsberechnung und -einstellung in der Regel unerlässlich.