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Stützrad

Dieses Beispiel zeigt den Lagerauswahlprozess für einen Anwendungsfall, bei dem die Lagerlösung für das Stützrad eines neuen Krans bestätigt wird.

Ein Kranhersteller hat einen neuen Werkstattkran entwickelt und benötigt nun die Bestätigung, dass sich eine bereits bestehende Stützradlösung hierfür verwenden lässt (Abb. 1). Das Stützrad führt den Kran mit zwei Flanschen auf der Schiene. Die Lager sind an einer Zwischenhülse befestigt, die von einer feststehenden Achse gestützt wird. Eine lose Passung zwischen Zwischenhülse und feststehender Achse erleichtert die Montage der Radeinheit am Kranaufbau.

Jeder Schritt des Beispielprozesses wird in einem erweiterbaren/Drop-down-Abschnitt beschrieben. Die im Beispiel gelisteten Schritte entsprechen der Abfolge im Lagerauswahlprozess. Beim Lagerauswahlprozess wird jeder einzelne Schritt ausführlich beschrieben.

Leistung und Betriebsbedingungen

Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Die radiale Radbelastung wird über die Lager verteilt. Und wenn das Rad mit der Schiene in Kontakt kommt, erzeugt die axiale Führungskraft an der Lageranordnung eine Momentbelastung (Abb. 1), der zum Ausgleich an den Lagern Radialbelastungen entgegenwirken. Da die Hülsengegenstücke bei der Ausführung dieser Loslager-Anordnung axial zwischen den beiden Innenringen angebracht sind, nimmt das Lager mit der geringeren radialen Radbelastung die axiale Radbelastung auf.

Es gelten folgende Anwendungsdaten und Betriebsbedingungen:

  • Radiale Radbelastung: Kr = 130 kN
  • Axiale Radbelastung: 0,1 Kr  bzw. Spitzenlast 0,3 Kr
  • Raddurchmesser: D = 315 mm
  • Fahrgeschwindigkeit: v = 25 m/min → Drehzahl n = 25,3 U/min
  • Lagerabstand: l = 160 mm
  • Durchmesser feststehende Achse: d1 = 60 mm
  • Hülsendurchmesser: d = 90 mm
  • Mittlere Umgebungstemperatur T = 20 °C (70 °F)
  • Lager: 2 × 22218 E (Pendelrollenlager)
  • Erforderliche nominelle Lebensdauer 12 500 h (2 Stunden pro Tag in Betrieb)
  • Erforderliche statische Tragsicherheit: > 2
Lagerart und -anordnung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Aufgrund es geringen Abstands zwischen den beiden Lagern ist die Wärmeausdehnung der Achse ebenfalls gering. Daher lässt sich die Lagerung „schwimmend“ anordnen.
Die Radialen Belastungen sind hoch, und außerdem sind axiale Belastungen aufzunehmen. Hierfür sind Pendelrollenlager eine gute Wahl.
Lagergröße
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Es sind beide Hauptkriterien zur Bestimmung der Lagergröße anzuwenden:

  1. Lebensdauer
    Jedes Lager kann entweder ausschließlich eine Radiallast aufnehmen (die dann vom Moment der Axiallast erhöht wird) oder eine Axial- und eine Radiallast zusammen (wobei letztere vom Moment der Axiallast reduziert wird). Die anwendbare äquivalente dynamische Lagerbelastung ist der Mittelwert aus den beiden Belastungsfällen.

  2. Statische Belastung
    Die maximale äquivalente statische Lagerbelastung ist aus Gründen der statischen Sicherheit zu berücksichtigen.

Tragzahlen und Berechnungsfaktoren → Produktdetails 22218 E

Lagerbelastungen – ausschließlich radial

Fr1 = Kr/2 + 0,1Kr D/2l = 130/2 + (0,1 × 130 × 315) / (2 × 160) = 77,8 kN
Fr1 Spitze = 130/2 + (0,3 × 130 × 315) / (2 × 160) = 103,4 kN
Fa1 = 0 

Äquivalente Lagerbelastungen (→ Belastungen)
Fa1 = 0 ≤ e
P1 = Fr1 = 77,8 kN
P01 = Fr1 Spitze = 103,4 kN

Lagerbelastungen – radial und axial

Fr2 = Kr/2 – 0,1Kr D/2l = 130/2 – (0,1 × 130 × 315) / (2 × 160) = 52,2 kN
Fa2 = 0,1Kr = 13 kN
Fr2 Spitze = Kr/2 – 0,3Kr D/2l = 26,6 kN
Fa2 Spitze = 0,3Kr = 39 kN

Äquivalente Lagerbelastungen (→ Belastungen)
Fa2/Fr2 = 0,25 > e
P2 = 0,67 Fr2 + Y2 Fa2 = 0,67 × 52,2 + 4,2 × 13 = 89,6 kN
P02 = Fr2 Spitze + Y0Fa2 Spitze = 26,6 + 2,8 × 39 = 136 kN

Nominelle Lebensdauer

Basierend auf der mittleren Belastung aus den beiden Belastungsfällen (→ Äquivalente mittlere Belastung)

Pm = (P1 + 2 P2) / 3 = (77,8 + 2 × 89,6) / 3 = 85,7 kN



L10h = 106 / (60 × 25,3) × (331 / 85,7)10/3 = 59 550 h > 12 500 h

Statische Tragsicherheit

Basierend auf der maximalen Spitzenbelastung P0 = 136 kN:

s0 = C0/P0 = 375 / 136 = 2,76 > 2

Fazit

Das Lager 22218 E hat eine geeignete Größe für die Anwendung.

Schmierung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Aufgrund der niedrigen Betriebsdrehzahl und um das Eindringen von Verunreinigungen zu vermeiden, wird eine Fettschmierung angewendet, bei der die Lager und Nabenhohlräume zu 100 % mit Schmierfett gefüllt sind. Das Schmierfett wird über Kanäle in der feststehenden Achse und der Hülse zugeführt.

Schmierfettauswahl

  • Temperatur: 20 °C (70 °F) → niedrig (L)
  • Geschwindigkeit/Drehzahl: nD = 25,3 × 160 ≈ 4 050 → sehr niedrig (VL)
  • Last: C/P = 3,8 → hoch (H)
  • Spitzenbelastungen
  • Gute Rostschutzeigenschaften erforderlich

Auswahltabelle für SKF Schmierfette [PDF] 

SKF LGEP2 eignet sich als Schmierfett. Es sollten jedoch aufgrund des häufigen Anfahrens und Anhaltens die Schmierfette LGEV2 und LGEM2 für die Stützräder in Betracht gezogen werden.

Schmierfrist

Die Betriebsdrehzahl ist zu niedrig, um das Diagramm zur Bestimmung der Schmierfrist anzuwenden. Außerdem wird die Schmierfrist dadurch vorgegeben, dass keine Verunreinigungen eindringen dürfen. 

Für diesen Werkstattkran empfiehlt der Hersteller für die erste Zeit eine monatliche Nachschmierung. Wirkt das austretende Schmierfett nach dieser Betriebsdauer immer noch wie neu, kann das Nachschmierintervall verlängert werden.

Nachschmiermenge

Gp = 0,005 D B = 0,005 x 160 x 40 = 32 g

Betriebstemperaturbereich und Drehzahl

Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Aufgrund der vorgegebenen Anwendungsbedingungen (insbesondere der sehr geringen Drehzahl und der niedrigen Umgebungstemperatur) eine detailliertere thermische Analyse überflüssig.

Gestaltung der Lagerumbauteile

Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Die Umlaufverhältnisse sind wie folgt:

  • Punktlast am Innenring → lose Passung möglich (und zur Erleichterung der Montage empfohlen)
  • Umfangslast am Außenring → feste Passung erforderlich
Die Toleranzen der Lagersitze für Standardbedingungen (aus Tabelle 2 und Tabelle 4) sind:

Maßtoleranz
Gesamtrundlauf-
Toleranz
Gesamtplanlauf-
Toleranz
Ra
Werkstoff des Innenrings
g6ⒺIT5/2IT51,6 µm
Werkstoff des Außenrings
P7ⒺIT6/2IT63,2 µm

Zur Vereinfachung der Montage ist eine Toleranz N7Ⓔ zulässig, da der Außenring bei einer sehr niedrigen Betriebsdrehzahl rotiert. Als Alternative für den Innenring bietet eine Toleranz h6Ⓔ eine Übergangspassung, die Relativbewegungen zwischen Innenring und Achse/Hülse minimiert.

Die „schwimmende“ Lageranordnung erfordert ein geringes axiales Spiel zwischen den Lagern und ihren Anlaufflächen. Aufgrund der losen Passung der Innenringe sollte das Spiel zwischen Innenringen und Hülsengegenstücken erzeugt werden.

Lagerausführung
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Lagerluftklasse

Bei der aktuellen Konstruktion kommen Lager mit normaler Anfangslagerluft zum Einsatz. Die feste Passung am Innenring reduziert die Lagerluft. Zwischen Innen- und Außenringen besteht kein Temperaturunterschied. Wir bestimmen das Betriebsspiel.



1. Anfangslagerluft
Min./Durchschn./Max.60 / 80 / 100 μm
→ Lagerdaten. Werte ermittelt aus Tabelle 5.


2. Passungsbedingte Lagerluftverminderung

Da am Innenring kein Übermaß vorliegt, ist Folgendes zu verwenden:

Δrfit = Δ2 f2Passungsbedingte Lagerluftverminderung

Werte ermitteln für:
Ergebnisse:
d/D
0.56
f2
0,88
Δ2Min./Durchschn./Max.-60/-36/-11 μm
ΔrfitMin./Durchschn./Max.-53-31-10 μm


3. Lagerluft nach dem Einbau
Min./Durchschn./Max.7 / 49 / 90 μm

Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass eine normale Lagerluft geeignet ist.



Weitere Konstruktionsmerkmale

Die Standardausführung (mit Stahlkäfig, normalen Maßtoleranzen und geometrischen Toleranzen P5) erfüllt die Anwendungsanforderungen.

Abschließende Einstufung: 22218 E

Abdichtung, Ein- und Ausbau
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Dichtung

Bei der aktuellen Ausführung kommen einfache Spaltdichtungen zum Einsatz. Diese Art der Dichtung ist ausreichend, da die Hohlräume in der Nabe vollständig mit Schmierfett gefüllt sind und die Betriebsdrehzahl sehr gering ist. Um das Eindringen von Verunreinigungen zu vermeiden, ist jedoch ein Nachschmieren erforderlich. Der Fettgesamtverbrauch über die Lebensdauer der Anwendung lässt sich durch den Einsatz von Radial-Wellendichtringe wie z. B. 90x10x10 HMS5 RG reduzieren.

Allgemeine Schlussfolgerungen

22218 E SKF Explorer Lager sind für diese Anwendung geeignet. Die Verwendung der Schmierfette SKF LGEP 2, LGEM 2 und LGEV 2 gewährleistet ein hohe Leistung. Mit einem Radial-Wellendichtring lässt sich der Fettverbrauch reduzieren. Als Alternative bietet sich die Verwendung eines abgedichteten Lagers (BS2-2218-2RS/VT143) an.

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