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Lagervorspannung

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

In vielen Anwendungsfällen kann es erforderlich und vorteilhaft sein, Lagerungen vorzuspannen , um z.B. die Steifigkeit oder Führungsgenauigkeit zu erhöhen. Eine Vorspannung kann aber auch dann vorteilhaft sein, wenn Lager im Betrieb ohne oder mit nur kleiner Last aber mit hohen Drehzahlen umlaufen, um z.B. damit eine Mindestbelastung der Lager sicherzustellen.
Beim Einbau erfolgt das Vorspannen in der Regel durch Messen der Vorspannkraft, des Vorspannweges oder des Reibungsmoments.
Von bewährten Konstruktionen liegen Erfahrungswerte über die optimal Vorspannkraft vor, die sich auf vergleichbare Konstruktionen übertragen lassen. Bei Neukonstruktionen empfiehlt SKF, die geeignete Vorspannkraft rechnerisch mithilfe der Berechnungsprogramme SKF SimPro Quick oder SKF SimPro Expert zu ermitteln und durch Versuche zu überprüfen. Die Zuverlässigkeit die Berechnung für einen bestimmten Lagerungsfall hängt vor allem davon ab, wie weit die getroffenen Annahmen über die Temperaturverhältnisse im Betrieb und das elastische Verhalten der Gegenstücke – vor allem der Gehäuse – mit den tatsächlichen Verhältnissen übereinstimmen. In diesem Zusammenhang müssen die Auswirkungen der Vorspannung auf das Anfahren der Lagerung bei niedrigen Umgebungstemperaturen in die Tests miteinbezogen werden.

Arten der Vorspannung

Je nach Lagerart wird zwischen radialer und axialer Vorspannung unterschieden. Zylinderrollenlager beispielsweise können aufgrund ihrer Konstruktion nur radial, einreihige Schrägkugellager und Kegelrollenlager dagegen nur axial vorgespannt werden.
Einreihige Schrägkugellager und Kegelrollenlager, die im Allgemeinen stets zusammen mit einem zweiten Lager gleicher Art und Größe entweder in O-Anordnung (Berührungslinien laufen auseinander, Bild 1) oder in X-Anordnung (die Berührungslinien laufen zusammen, Bild 2) eingebaut werden , werden axial vorgespannt.
Der Abstand L zwischen den Druckmittelpunkten ist bei O-Anordnung größer (Bild 1), bei X-Anordnung dagegen kleiner (Bild 2). Lager in O-Anordnung können daher größere Kippmomente aufnehmen.
Wird die Welle im Betrieb wärmer als das Gehäuse, so steigt im Allgemeinen die während des Einbaus bei Umgebungstemperatur eingestellte Lagervorspannung an, da die Wärmedehnungen den Innenring in radialer wie auch axialer Richtung vergrößern. Auf den Anstieg der Vorspannung haben diese Wärmedehnungen in Lagern in O-Anordnung einen geringeren Einfluss als in Lagern in X-Anordnung.
Wichtig ist auch, beim Anstellen einer Lagerung mit Vorspannung durch geeignete Maßnahmen sicherzustellen, dass der festgelegte Wert für die Vorspannkraft mit möglichst geringer Streuung eingehalten wird. Dazu gehört z.B. bei Lagerungen mit Kegelrollenlagern, dass die Lager während des Anstellens mehrmals gedreht werden, damit die Rollen gut am Innenring-Führungsbord anliegen.

Vorspannung durch Federn

Durch Vorspannen der Lager kann z.B. bei kleinen Elektromotoren und vergleichbaren Anwendungsfällen das Laufgeräusch verringert werden. Die Lagerung besteht in diesem Fall aus einem vorgespannten einreihigen Rillenkugellager an jedem Wellenende (Bild 3). Die Vorspannung wird in einfacher Weise durch eine Wellenfeder aufgebracht. Die Feder wirkt auf den Außenring eines der beiden Lager, der in axialer Richtung verschiebbar sein muss.
Die Vorspannkraft bleibt auch bei axialen Verschiebungen des Lagers aufgrund thermischer Längenänderungen praktisch konstant.
Die erforderliche Vorspannkraft lässt sich näherungsweise wie folgt bestimmen

F = k d

Hierin sind
Vorspannungskraft [kN]

ein Faktor, nachstehend beschrieben
Lagerbohrung [mm]

Für den Beiwert k können bei kleinen Elektromotoren Werte zwischen 0,005 bzw. 0,01 angesetzt werden. Wenn die Vorspannung überwiegend zum Schutz der Lager gegen Stillstandserschütterungen dient, sollte die Vorspannkraft größer sein und es ist mit k = 0,02 zu rechnen.
Das Vorspannen durch Federn ist auch in schnell laufenden und in Hochgenauigkeits-Schrägkugellagern gelagerten Schleifspindeln gebräuchlich. Nicht geeignet dagegen ist diese Art der Vorspannung für Lagerungen, bei denen eine hohe Steifigkeit erforderlich ist, bei denen die Lastrichtung wechselt oder bei denen nicht näher bestimmbare Stoßbelastungen auftreten können.
Ausführliche Informationen zum Vorspannen von Lagerungen enthält der Artikel Lagervorspannung [PDF].
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