Vergleichstest von Kegelrollenlagern: Vorsicht vor trügerischen Tragzahlen!

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Abb. 1 : Kegelrollenlager kommen in vielen hoch belasteten Anwendungen zum Einsatz.
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Abb. 2 : Typische Anwendungsgebiete von Kegelrollenlagern sind bspw. Pkw-, Lkw- und Industriegetriebe.
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Abb. 3 : Testbedingungen für den Lagertyp 32011 X.
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Abb. 4 : Dynamische radiale Tragzahlen, Lagertyp 32011 X, relative Katalogwerte von
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Abb. 5L10  -Testergebnisse [h], Lagertyp 32011 X, der Benchmark-Tests unter sauberen Betriebsbedingungen.
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Abb. 6  : L10  -Testergebnisse [h], Lagertyp 32011 X, der Benchmark-Tests unter verschmutzten Betriebsbedingungen.
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Abb. 7 : Temperaturtests zur Überprüfung der Drehzahleignung.
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Abb. 8 : Temperaturtests zur Überprüfung der Drehzahl-Eignung; mittlere Betriebstemperaturen [°C]; blau: SKF; grau: CC 1; schwarz: CC 2; rot: Drehzahl [min-1].
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Abb. 9 : Sortiment an metrischen Kegelrollenlagern im neuen SKF Wälzlagerkatalog (SKF PUB 17.000); dunkelblau = SKF Explorer; hellblau = SKF Grundausführung.
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Abb. 10 : Die axiale Belastbarkeit der Kegelrollenlager nimmt mit steigendem Berührungswinkel α zu.

2019 Juli 23, 10:00 CEST

Dynamische Tragzahlen gelten gemeinhin als die maßgeblichen Parameter zur Beurteilung der Lagerleistung. Allerdings können die Tragzahlen, die verschiedene Hersteller in ihren jeweiligen Katalogen angeben, irreführend sein – wie SKF bei herstellerübergreifenden Vergleichstests von Kegelrollenlagern herausgefunden hat.

Von Sebastian Krug, Udo Krug, Jochen Lorenscheit und Michael Reugels*

Schweinfurt, den 23. Juli 2019

Kegelrollenlager (Abb. 1) kommen meist in hoch belasteten Anwendungen zum Einsatz. Sie eignen sich beispielsweise für Pkw-, Lkw- und Industriegetriebe (Abb. 2), für Aufgaben in der Montan- und Windenergieindustrie sowie zur Nutzung in der Fördertechnik. Unabhängig vom jeweiligen Verwendungszweck weisen derartige Lageranwendungen hohe kombinierte Radial- und Axialbelastungen auf. Außerdem erfordern sie einen Betrieb mit hoher Steifigkeit. Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sowie die Fähigkeit, extremen Bedingungen standzuhalten, sind ebenfalls wichtige Kriterien. Oft leiden die Kegelrollenlager zudem unter verschmutzten bzw. widrigen Umgebungen, wo sie dennoch für eine größtmögliche Maschinenverfügbarkeit sorgen sollen.

Um die entsprechenden Lager verschiedener Hersteller vergleichen zu können, achten die Konstrukteure insbesondere auf deren Tragzahlen. Tatsächlich ist die dynamische Tragzahl auch entscheidend für die Berechnung der nominellen Lagerlebensdauer. Dies lässt sich anhand der Lebensdauergleichung veranschaulichen:

Lebensdauerberechnung nach ISO-Norm
Gemäß ISO 281 wird die nominelle Lebensdauer eines Radial-Rollenlagers wie folgt berechnet:

L10 = (Cr/Pr) 10/3  

  L10  = nominelle Lebensdauer (mit 90-prozentiger Erlebenswahrscheinlichkeit)

Cr  = dynamische radiale Tragzahl

  Pr  = dynamische äquivalente radiale Belastung 

Dabei fußt die Berechnung der dynamischen radialen Tragzahl für Radial-Rollenlager gemäß ISO 281 auf folgender Formel:

C r  = b mfc ∙(i∙L we ∙cos⁡α )7/9∙Z3/4∙Dwe29/27 

Cr=      dynamische radiale Tragzahl

bm=     Beiwert für Lagerbauart (Wert von 1,1 für Kegelrollenlager)

fc=       Faktor für Werkstoff / Geometrie / Maß

i=        Anzahl der Rollenreihen

Lwe=    effektive Rollenlänge

α=       Berührungswinkel

Z=       Anzahl der Rollen pro Reihe

Dwe=    mittlerer Rollendurchmesser

Daraus lässt sich die Bedeutung von fc als Leistungsfaktor deutlich ablesen: Beispielsweise bewirkt ein Leistungsfaktor von 1,23 eine doppelt so lange nominelle Lebensdauer L10. 

Vergleichstests

Um der Aussagekraft von Tragzahlwerten auf den Grund zu gehen, hat SKF umfangreiche Benchmark-Tests mit verschiedenen Ausführungen von Kegelrollenlagern durchgeführt. Als repräsentatives Beispiel dient im Folgenden ein Lager vom Typ 32011 X.

Die entsprechenden Vergleichstests simulierten zwei Einsatzfälle: saubere und verschmutzte Betriebsbedingungen. Die Tests unter sauberen Bedingungen erfolgten mit fabrikneuen Lagern und unbenutztem Schmieröl, während bei den Tests unter verschmutzten Bedingungen dem Schmieröl für eine Einlaufphase Schmutzteilchen beigefügt wurden. Nach dieser Einlaufphase wurde das verschmutzte Schmieröl entfernt und die Lager wurden bis zum Lagerausfall mit sauberem Schmieröl betrieben. Die genauen Testbedingungen gehen aus Abb. 3 hervor.

Abb. 4 zeigt einen Vergleich der im Katalog angegebenen Tragzahlen von SKF und zwei anderen Lagerherstellern. Hier bezieht sich der Referenzwert 100 auf SKF. Wie die Grafik veranschaulicht, weisen die beiden anderen Lagerhersteller Katalog-Tragzahlen aus, die um 17 Prozent bzw. 19 Prozent über denen von SKF liegen.

Resultate
Bei den Lebensdauer-Tests ergab sich folgendes Bild: Die SKF Kegelrollenlager schnitten – trotz ihrer niedrigeren Katalog-Tragzahlen – nicht nur in den Testläufen unter sauberen (Abb. 5), sondern auch in den „Stresstests“ unter verschmutzten Bedingungen (Abb. 6) deutlich besser ab als die Wettbewerbslager mit höher angegebenen Tragzahlen. Neben den Benchmark-Lebensdauertests wurden mit dem Lagertyp 32011 X auch Drehzahleignungstests durchgeführt. Vor Beginn der Rotation wurde eine rein axiale Belastung von 2,3 kN auf das Prüflager aufgebracht. Dann wurden verschiedene Drehzahlstufen von 2.000 min-1 bis 9.000 min-1 in Schritten von 1.000 min-1 angewandt (Abb. 7). Hier liefen die SKF Lager in sämtlichen Drehzahlbereichen mit den niedrigsten Temperaturen (Abb. 8).Die Temperaturunterschiede nahmen bei höheren Drehzahlen zu. An der höchsten Drehzahlgrenze lag die mittlere Temperatur der SKF Lager um 11,5 °C unter der mittleren Lagertemperatur des nächstbesten Wettbewerbslagers (CC 2). Bei Drehzahlen ab 4.000 min-1 liefen die Wettbewerbslager bei zunehmend höheren Durchschnittstemperaturen als die von SKF.

Fazit
Die Vergleichstests haben gezeigt, dass sich die SKF Kegelrollenlager in Bezug auf Gebrauchsdauer und Drehzahl-Eignung zum Teil deutlich von ihren vermeintlich leistungsstärkeren Konkurrenten absetzen können – trotz ihrer geringeren „Katalog-Tragzahlen“. Daras lässt sich schlussfolgern, dass die angegebenen Tragzahlen keinen wirklich „objektiven“ Vergleich der realen Lagerleistung erlauben. Insofern sollten die Konstrukteure bei der Lager-Auswahl gewissenhaft prüfen, worauf genau die Tragzahl-Berechnungen der verschiedenen Zulieferer basieren und ob diese mit ISO 281 übereinstimmen. Im Prinzip können die Tragzahlen leicht nachvollzogen werden, indem die Abmessungen der Lagerkomponenten mit einfachen Verfahren gemessen werden. Denn je belastbarer und zuverlässiger die Tragzahlangaben sind, desto höher kann die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit in der jeweiligen Anwendung sein.

Zugleich sind die Wälzlager-Hersteller gefordert, ihre Tragzahl-Angaben mit Testergebnissen zu belegen. Zum Vorteil der Kunden sollten sie Lösungen entwickeln, die die tatsächliche Leistungsfähigkeit von Wälzlagern im praktischen Anwendungsfall besser vergleichbar und damit letztlich auch realitätsnäher abbilden. Mit diesem Ziel vor Augen hat SKF ihr Wälzlager-Sortiment in der SKF Explorer Leistungsklasse entsprechend aktualisiert (Abb. 9). Es umfasst nun alle bisherigen TQ-Line-Kegelrollenlager und eine Vielzahl weiterer Lager. Zu den wichtigsten Vorteilen der SKF Explorer Leistungsklasse gehören u. a. eine erhöhte Zuverlässigkeit, gesteigerte Produktivität, weniger vorzeitige Ausfälle, niedrigere Geräusch- und Schwingungspegel, Downsizing-Möglichkeiten sowie ein geringerer Schmierstoff- und Energieverbrauch.

*Sebastian Krug ist Produktentwickler Kegelrollenlager, Udo Krug ist leitender Produktentwickler Kegelrollenlager, Jochen Lorenscheit ist Produktmanager Kegelrollenlager und Michael Reugels ist Produktentwickler Großlager bei SKF in Schweinfurt.

Infokasten:
Kegelrollenlager
Kegelrollenlager haben kegelig ausgeführte Laufbahnen im Innen- und Außenring, zwischen denen kegelige Rollen angeordnet sind. Dadurch sind sie besonders zur Aufnahme kombinierter (radial und gleichzeitig axial wirkender) Belastungen geeignet. Die Scheitelpunkte aller Kegelflächen treffen sich in einem gemeinsamen Punkt auf der Lagerachse (Abb. 10), was im Betrieb ein einwandfreies Abrollen und dadurch einen reibungsarmen Lauf bewirkt. Die axiale Belastbarkeit der Kegelrollenlager nimmt mit steigendem Berührungswinkel α zu. Die Größe des Berührungswinkels (in der Regel zwischen 10° und 30°) bezieht sich auf den Berechnungsfaktor e: Je größer e ist, desto größer ist der Berührungswinkel und damit die axiale Belastbarkeit.

Pressekontakt: 
Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland, Tel.: +49 (0)9721 / 56 - 28 43, 
E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

SKF strebt danach, unangefochtener Marktführer im Wälzlagergeschäft zu sein. Die Unternehmensgruppe bietet Lösungen rund um rotative Systeme – einschließlich Wälzlagern, Dichtungen, Schmiersystemen sowie Zustandsüberwachungs- und Instandhaltungsservices. SKF ist in mehr als 130 Ländern präsent und kooperiert weltweit mit rund 17.000 Vertriebspartnern. Im Jahr 2018 erwirtschaftete die Unternehmensgruppe einen Umsatz in Höhe von ca. 8,1 Mrd. Euro und beschäftigte 44.428 Mitarbeiter. www.skf.com 
In Deutschland zählt SKF rund 6.600 Beschäftigte. Davon arbeiten ca. 4.100 in Schweinfurt, Hauptsitz der SKF GmbH und größter Produktionsstandort der Gruppe. www.skf.de 
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