Lager (Maschinenelement)

Grundidee und Freiheitsgrade

Ein Lager ist im Maschinen- und Gerätebau ein Maschinenelement zum Führen von Bauteilen, die sich gegeneinander bewegen. Zusammen mit dem technischen Gelenk gehört es zu den Führungselementen. Lager ermöglichen Bewegungen in erwünschten Freiheitsgraden und verhindern Bewegungen in unerwünschten Freiheitsgraden. Ein Freiheitsgrad beschreibt dabei eine mögliche unabhängige Bewegung, etwa eine Drehung oder eine geradlinige Verschiebung.

Am häufigsten sind einfache Drehlager und Linearlager. In beiden Fällen gibt es genau einen erwünschten Freiheitsgrad, also f=1: Beim Drehlager ist nur eine Rotation möglich, beim Linearlager nur eine Translation. Manche Radiallager lassen zusätzlich eine Translation in Richtung der Drehachse zu und haben damit f=2, zum Beispiel ein radiales Gleitlager. Radiallager, die diese axiale Translation nicht zulassen, werden als Radial-Axial-Lager bezeichnet. Ein Kugelgelenk ist ein Drehlager mit f=3, weil es drei Rotationen zulässt; in der Praxis sind zwei dieser Rotationen meist im Drehwinkel eingeschränkt.

Radiale, axiale und kombinierte Lager

Die meisten Lagernamen geben nicht direkt an, welche Bewegung erlaubt ist, sondern welche Bewegungen verhindert werden. Ein Radiallager ist ein Drehlager für ein drehendes Teil, meist eine axial ausgedehnte Welle. Es unterbindet zwei Freiheitsgrade in radialer Richtung, also quer zur Wellenachse, und wird deshalb auch Querlager genannt. Gewünscht ist f=1. Weitere Freiheiten müssen verhindert werden. Kippbeanspruchungen werden meist vermieden, indem eine Welle an beiden Enden mit je einem Lager ausgestattet wird. Die axiale Translation in Richtung der Drehachse wird üblicherweise nur beim Rillenkugellager deutlich belastbar unterbunden. Eine weitere Bezeichnung für das Radiallager ist Traglager, weil Betriebskräfte bei horizontaler Welle meist radial über das Lager auf das Maschinengestell übertragen werden.

Ein Axiallager verhindert Bewegungen einer Welle in axialer Richtung. Auch wenn keine axialen Kräfte auftreten, muss diese axiale Freiheit oft gesperrt werden. Treten deutliche axiale Kräfte aus Betrieb oder Gewicht auf, ist ein besonderes Axiallager nötig, das dafür ausgelegt ist. Weitere Bezeichnungen sind Längslager, Drucklager und Spurlager. Der Name Drucklager hängt damit zusammen, dass zwischen gepaarten Gleitlagerteilen nur Druckkräfte übertragbar sind. Bei axialer Lagerung sind zwei axiale Paarungen beziehungsweise Lager nötig.

Radial-Axial-Lager, auch Radiaxlager genannt, verbinden Radial- und Axiallager. Sie erlauben der Welle nur die Drehung in Umfangsrichtung, also f=1. Gewöhnliche Rillenkugellager gehören dazu, können bei der Aufnahme von Axialkräften aber stärker verschleißen. Ein Gleitlager kann durch zwei als Anschlag wirkende Lagerpaarungen ergänzt werden, um Axialkräfte in beide Richtungen aufzunehmen. Auch Spitzenlager an den Enden einer Welle können Kräfte in axialer und radialer Richtung aufnehmen; für ein vollwertiges Radiaxlager, das Axialkräfte in beide Richtungen aufnimmt, sind zwei Spitzenlager nötig.

Linearlager

Ein Linearlager führt eine geradlinige Bewegung zwischen zwei Körpern. Es hat f=1 und ist das einzige Lager, dessen Name direkt ausdrückt, welche Bewegung es erlaubt: die lineare Translation.

Lineargleitlager und Linearkugellager können als auf Rundstangen geführte Buchsen ausgeführt sein. Solche Buchsen haben f=2, weil neben der geradlinigen Bewegung noch eine Rotation möglich wäre. Deshalb werden zwei davon parallel montiert, wenn diese Rotation unterbunden werden soll.

Gleitlager und Wälzlager

Nach Bauform beziehungsweise Wirkprinzip unterscheidet man vor allem Gleitlager und Wälzlager. Beim Gleitlager berühren sich die gegeneinander bewegten Teile direkt oder sind durch einen Schmierfilm voneinander getrennt. Dieser Film ist meist flüssig, seltener gasförmig. Beim Wälzlager liegen Wälzkörper wie Kugeln oder Rollen zwischen den Teilen; sie führen eine Wälzbewegung aus.

Im Gleitlager gleiten die bewegten Teile gegeneinander. Der durch Gleitreibung verursachte Widerstand kann durch reibungsarme Materialpaarungen, Schmierung oder einen trennenden Schmierfilm niedrig gehalten werden. Man unterscheidet ungeschmierte beziehungsweise selbstschmierende Gleitlager, hydrodynamische Gleitlager und hydrostatische Gleitlager. Als Schmierfilm dienen meist Öl, seltener Wasser oder Luft. Wenn sich die Teile direkt berühren, entsteht Verschleiß, der die Lebensdauer begrenzen kann. Beim hydrodynamischen Gleitlager bildet die Relativbewegung selbst einen tragenden Schmierfilm: Der Druck im Schmierstoff hebt den Gegenlaufpartner an, sodass er auf dem Schmierfilm schwimmt und die Reibung stark sinkt. Beim hydrostatischen Gleitlager wird ein Fluid unter Druck zugeführt, etwa durch eine Ölpumpe. Dadurch ist der Schmierfilm unabhängig von Bewegung und Belastung des Lagers.

Beim Wälzlager stützen sich die relativ zueinander bewegten Teile über mitlaufende Wälzkörper aufeinander. An den wandernden Berührungsstellen verformen sich Laufflächen und Wälzkörper elastisch; dadurch entsteht Rollwiderstand infolge innerer Reibung. In den meisten Wälzlagern hält ein Käfig die Wälzkörper auf gleichmäßigem Abstand, wobei Reibung zwischen Wälzkörpern und Käfig entsteht. Insgesamt haben Wälzlager dennoch einen deutlich kleineren Bewegungswiderstand als Gleitlager. Die Wälzkörper und der Käfig bewegen sich gegenüber den beiden Laufteilen jeweils mit der halben relativen Geschwindigkeit. Ein Sonderfall ist das Schneidenlager für kleine hin und her drehende Bewegungen, zum Beispiel in Waagen, Pendeluhren und Messgeräten; hier laufen keine Wälzkörper um, sondern die beiden Teile wälzen sich kleinräumig gegeneinander.

Lagerung einer Welle und Lagerluft

Eine rotierende Welle benötigt zur statisch bestimmten Positionierung zwei Radiallager und ein Axiallager. Wenn zwei gegeneinander gerichtete Axiallager vorhanden sind, müssen besondere Maßnahmen getroffen werden, damit die thermische Längsdehnung der Welle nicht behindert wird.

Rillenkugellager sind häufig verwendet und können nicht nur radial, sondern in begrenztem Maß auch axial belastet werden. Damit thermische Dehnung möglich bleibt, wird nur ein Lager im Gestell und auf der Welle axial fixiert; dieses Lager heißt Festlager. Weitere Lager werden als Loslager eingebaut und sind entweder im Gestell oder auf der Welle axial verschieblich. Als Loslager kann auch ein Gleitlager oder ein Rollenlager dienen, wenn es in sich axial verschieblich ist.

Lagerluft bezeichnet das Spiel einer Lagerung, also die minimale Beweglichkeit in einer Richtung, in der eigentlich keine Bewegung vorgesehen ist. Eine gewisse Lagerluft ist wegen der Fertigung unvermeidbar und in vielen Anwendungen sogar erwünscht. Die Lagerluft eines unbelasteten Lagers heißt geometrisches Lagerspiel. Sie kann sich beim Einbau durch Presspassung verringern. Im Betrieb verringert sie sich durch Erwärmung häufig, kann sich in selteneren Fällen aber auch vergrößern. Die im Betrieb vorhandene Lagerluft wird Lagerspiel oder Betriebsspiel genannt. Durch Verschleiß nimmt das Lagerspiel zu.

Bei Wälzlagern geben Hersteller die anfängliche Lagerluft mit den Nachsetzzeichen CN bis C5 an. Bei Radiaxlagern, zum Beispiel Rillenkugellagern, unterscheidet man radiale und axiale Lagerluft. Das radiale Spiel wird senkrecht zur Mittelachse gemessen, das axiale Spiel an der Mittelachse. Bei Kugellagern wird die höchste Lebensdauer bei einem Lagerspiel nahe null oder bei minimaler Vorspannung erreicht. Bei Kegel- und Zylinderrollenlagern ist ein geringes Betriebsspiel vorzuziehen.

Weitere Lagerarten

Neben Gleit- und Wälzlagern gibt es weitere Lagerarten. Magnetlager können Lagerkräfte übertragen, ohne dass sich beide Teile berühren. Für kleine hin und her drehende Bewegungen können zwei Teile auch über ein elastisches drittes Teil, also eine Feder, verbunden werden. Beispiele sind das Federgelenk eines Uhrenpendels, das Torsionspendel in der Drehpendeluhr und das Spannband in Drehspulmesswerken. Der elastische Widerstand ist dabei Teil der Funktion oder wird zugunsten einer spielfreien Lagerung in Kauf genommen.

Außerdem können Gelenke direkt aus dem Grundwerkstoff eines Bauteils entstehen, indem bestimmte Stellen gezielt geschwächt werden. Dort erlaubt eine Biegung eine Relativbewegung; solche Bauteile heißen Festkörpergelenke. Dieses Prinzip wird bei hochpräzisen Positionieraufgaben in der Mikrosystemtechnik ebenso eingesetzt wie bei günstigen Kunststoffprodukten.

Lager im Bauwesen sind meist keine Führungselemente. Sie tragen Lasten ab und lagern Bauteile auf anderen Bauteilen, etwa Brücken auf Fundamenten. Bewegliche Loslager kommen dort vor allem zum Ausgleich von Dehnungen vor. Zur spannungsfreien thermischen Dehnung von Brücken können Loslager mit einer Gleitschicht aus PTFE oder mit einer Rolle eingesetzt werden, die zwischen Brückenkörper und Auflager liegt.