Wie verh\u00e4lt sich ein Keramiklager in Bezug auf das Rollmoment? Ein Aspekt, der bei der Auswahl von Lagern f\u00fcr den Einbau in Maschinen oder Anlagen oft nicht ber\u00fccksichtigt wird, ist das Rollmoment, also das Drehmoment, das erforderlich ist, um einen Lagerring relativ zum anderen bei konstanter Geschwindigkeit in Rotation zu halten. Es sind die inneren Reibungen im Lager, die das Rollmoment erzeugen. Je gr\u00f6\u00dfer die Reibung, desto h\u00f6her ist das Rollmoment.<\/p>\n
Als Ma\u00df f\u00fcr die inneren Reibungen eines Lagers ist das Rollmoment von Bedeutung, da es zu einer Verlustleistung f\u00fchrt, die einerseits den Wirkungsgrad der mechanischen \u00dcbertragung verringert und sich andererseits in Form von W\u00e4rmeentwicklung sowie einer m\u00f6glichen Temperaturerh\u00f6hung des Lagers selbst und der angrenzenden mechanischen Komponenten \u00e4u\u00dfert.<\/p>\n
Sehen wir uns an, welche die Reibungsquellen in einem Lager sind:<\/strong><\/p>\n Analysieren wir sie einzeln.<\/p>\n Im Inneren eines Lagers wird der Kontakt zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und Laufbahnen normalerweise als Punkt (bei Kugeln) oder als Linie (bei Zylindern) schematisch dargestellt. In der Realit\u00e4t erfolgt der Kontakt jedoch weder punktf\u00f6rmig noch linienf\u00f6rmig, sondern \u00fcber eine Fl\u00e4che, die in der Regel die Form einer Ellipse annimmt. Innerhalb dieser Kontaktfl\u00e4che ist nur ein kleiner Bereich durch reine Rollbewegung mit W\u00e4lzreibung gekennzeichnet. Im \u00fcbrigen Bereich bewegt sich der W\u00e4lzk\u00f6rper gleitend relativ zur Laufbahn, wodurch Gleitreibung entsteht. Es ist daher klar, dass mit zunehmender Kontaktfl\u00e4che auch die Reibung zwischen W\u00e4lzk\u00f6rper und Laufbahn zunimmt. Alles, was zu einer Verringerung der Kontaktfl\u00e4che f\u00fchrt, bewirkt folglich eine Reduzierung des Rollmoments.<\/p>\n Die W\u00e4lzk\u00f6rper eines Lagers werden \u2013 mit wenigen Ausnahmen \u2013 durch einen K\u00e4fig gef\u00fchrt, der je nach Anwendung aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann. Der K\u00e4fig besitzt keine eigene Bewegung, sondern wird durch die W\u00e4lzk\u00f6rper in Bewegung versetzt. Das bedeutet, dass zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und K\u00e4fig haupts\u00e4chlich Gleitbewegungen auftreten. Je st\u00e4rker diese Gleitbewegungen bzw. die Reibung zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und K\u00e4fig sind, desto h\u00f6her ist das Rollmoment. Eine geeignete Wahl von Werkstoff und Geometrie des K\u00e4figs kann daher zur Reduzierung des Rollmoments beitragen.<\/p>\n W\u00e4hrend der Rotation des Lagers kann es vorkommen, dass der K\u00e4fig an den Lagerringen gleitet. Dies f\u00fchrt zu einer Erh\u00f6hung des Rollmoments.<\/p>\n Im Inneren eines Lagers befindet sich in der Regel ein Schmierstoff, dessen Aufgabe es ist, nicht nur den direkten Kontakt zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und Laufbahnen m\u00f6glichst zu vermeiden, sondern auch die W\u00e4rmeabfuhr zu verbessern. Der Schmierstoff kommt zudem mit dem K\u00e4fig, den Lagerringen und m\u00f6glichen Dichtungen in Kontakt. Besteht eine Relativbewegung zwischen dem Schmierstoff und den Lagerelementen, entsteht Reibung, die das Rollmoment erh\u00f6ht. Ebenso kann eine Relativbewegung zwischen verschiedenen Schmierstoffschichten auftreten, was ebenfalls zu Reibung und einem Anstieg des Rollmoments f\u00fchrt. Die Schmierstoffmenge muss daher sorgf\u00e4ltig bestimmt werden, da eine zu gro\u00dfe Menge die inneren Reibungen deutlich erh\u00f6hen und somit das Rollmoment steigern kann.<\/p>\n In einigen Anwendungen m\u00fcssen dichte (sogenannte \u201eRS\u201c\u2011Versionen) Lagers verwendet werden. Die Dichtungen dieser dichten Lagers bestehen aus gummiartigem Material, das zur Aus\u00fcbung der Dichtwirkung auf einem der beiden Ringe gleitet. Dadurch entsteht nat\u00fcrlich Reibung, wodurch das Rollmoment erh\u00f6ht wird.<\/p>\n Die Kontaktfl\u00e4che zwischen W\u00e4lzk\u00f6rper und Laufbahn ist hinsichtlich der Ausdehnung (je gr\u00f6\u00dfer die Fl\u00e4che, desto gr\u00f6\u00dfer die Reibung) und hinsichtlich der Anzahl der Kontaktfl\u00e4chen wichtig f\u00fcr das Rollmoment. Bei einem Lager mit Spiel ist, je gr\u00f6\u00dfer das Spiel, desto geringer die Anzahl der W\u00e4lzk\u00f6rper, die tats\u00e4chlich mit den Laufbahnen in Kontakt stehen. Bei einem Lager ohne Spiel sind alle W\u00e4lzk\u00f6rper mit den Laufbahnen in Kontakt. Bei einem vorgespannten Lager ber\u00fchren alle W\u00e4lzk\u00f6rper nicht nur die Laufbahnen, sondern werden zus\u00e4tzlich auf diese \u201egepresst\u201c, wodurch die Kontaktfl\u00e4che sowohl gegen\u00fcber dem Nullspiel\u2011 als auch gegen\u00fcber dem positiven\u2011Spiel\u2011Lager gr\u00f6\u00dfer ist. Das bedeutet, dass das Rollmoment zunimmt, wenn man von Spiel zu Vorspannung \u00fcbergeht. Um die Kupplung zu verringern, sollten Lagers mit m\u00f6glichst gro\u00dfem Lagerluft gew\u00e4hlt werden, sofern die Anwendung dies zul\u00e4sst.<\/p>\n Da das Rollmoment von der Gr\u00f6\u00dfe der Kontaktfl\u00e4che zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und Laufbahnen sowie von der Anzahl der W\u00e4lzk\u00f6rper abh\u00e4ngt, die tats\u00e4chlich mit den Laufbahnen in Kontakt stehen, beeinflussen Art und Gr\u00f6\u00dfe der Belastung, der das Lager unterliegt, den Wert des Rollmoments erheblich. Typischerweise f\u00fchrt eine Erh\u00f6hung der Belastung zu einer Erh\u00f6hung des Rollmoments. Aus diesem Grund existiert kein absoluter Wert f\u00fcr das Rollmoment eines Lagers, sondern er muss immer mit einer klar definierten Lastbedingung verkn\u00fcpft werden (normalerweise wird das Rollmoment bei unbelastetem Lager bewertet).<\/p>\n Der Werkstoff, aus dem die Ringe und W\u00e4lzk\u00f6rper gefertigt sind, beeinflusst direkt die Gr\u00f6\u00dfe der Kontaktfl\u00e4che. Elastischere Werkstoffe f\u00fchren zu einer gr\u00f6\u00dferen Kontaktfl\u00e4che und damit \u2013 bei gleichen \u00fcbrigen Bedingungen \u2013 zu einem h\u00f6heren Rollmoment.<\/p>\n Auch die H\u00e4rte des Werkstoffs beeinflusst das Rollmoment, da h\u00f6here H\u00e4rte zu einer kleineren Kontaktfl\u00e4che zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und Laufbahnen f\u00fchrt und damit ebenfalls das Rollmoment verringert.<\/p>\n Die Rauheit der Kontaktfl\u00e4chen beeinflusst direkt den Reibungskoeffizienten und damit das Rollmoment. Je gr\u00f6\u00dfer die Rauheit, desto h\u00f6her ist das Rollmoment.<\/p>\n Die Genauigkeitsklasse eines Lagers kann das Rollmoment beeinflussen, da sie mit der Ovalisierung der Laufbahnen zusammenh\u00e4ngt. Theoretisch sollten die Laufbahnen eines Lagers perfekt kreisf\u00f6rmig sein. In der Praxis ist jedoch aufgrund der Bearbeitungstoleranzen immer eine gewisse Ovalisierung vorhanden. Diese f\u00fchrt dazu, dass die Kontaktfl\u00e4che zwischen Laufbahnen und W\u00e4lzk\u00f6rpern nicht konstant ist, sondern sich mit der Drehung der Ringe ver\u00e4ndert und kann somit zu einer Erh\u00f6hung des Rollmoments f\u00fchren. Die Genauigkeitsklasse kann besonders bei Lagers mit geringem Spiel oder Vorspannung f\u00fcr das Rollmoment wichtig werden.<\/p>\n Die Temperatur des Lagers kann Auswirkungen auf das Rollmoment haben, da sie einige Reibungsursachen sowohl positiv als auch negativ beeinflussen kann. Beispielsweise senkt eine Erh\u00f6hung der Temperatur die Viskosit\u00e4t des Schmierstoffs und wirkt sich somit positiv auf das Rollmoment aus. Gleichzeitig kann jedoch eine Temperaturerh\u00f6hung zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Lagersringe f\u00fchren und die Kontaktfl\u00e4che zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und Laufbahnen ver\u00e4ndern; bei einer gr\u00f6\u00dferen Kontaktfl\u00e4che k\u00f6nnte das Rollmoment ansteigen und damit die positive Wirkung der Viskosit\u00e4tsreduzierung neutralisieren.<\/p>\n Mit den \u00fcblichen Stahl\u200e\u2011Lagers sind, unter Ber\u00fccksichtigung der Einsatzbedingungen und der Kostenlimite, folgende L\u00f6sungen m\u00f6glich:<\/p>\n Eine andere, alternative L\u00f6sung zu Stahl\u200e\u2011Lagers, mit der der Wert des Rollmoments auf ein Minimum reduziert werden kann, stellen die vollst\u00e4ndig keramischen Lagers dar. Bei diesen Lagers sind sowohl die Ringe als auch die W\u00e4lzk\u00f6rper aus keramischem Material gefertigt, w\u00e4hrend K\u00e4fige und eventuelle Dichtungen aus Kunststoff bestehen.<\/p>\n Sehen wir uns die Besonderheiten der keramischen Lagers im Hinblick auf die oben genannten 12 Reibungsquellen an:<\/strong><\/p>\n Die Kontaktfl\u00e4che zwischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und Laufbahnen ist bei einem keramischen Lager \u2013 bei gleichen Abmessungen und Lastbedingungen \u2013 kleiner als bei einem entsprechenden Stahl\u200e\u2011Lager. Das bedeutet, dass der Bereich, der Gleitbewegungen unterliegt, geringer ist, und damit auch die auftretende Reibung niedriger liegt. Zus\u00e4tzlich ist der Gleit\u2011 und W\u00e4lzreibungskoeffizient bei einem Keramik\/Keramik\u2011Gleitpaar niedriger als bei einem Stahl\/Stahl\u2011Paar. Dadurch wird das Rollmoment deutlich reduziert.<\/p>\n Bei vollst\u00e4ndig keramischen Lagers ist der K\u00e4fig aus Kunststoff (\u00fcblicherweise PEEK oder PTFE) gefertigt. Der Reibungskoeffizient zwischen keramischen W\u00e4lzk\u00f6rpern und dem K\u00e4fig ist niedriger als bei Stahl\u200e\u2011Lagers. Deshalb ist der Beitrag des K\u00e4figs zur Reibung \u2013 und damit zum Rollmoment \u2013 bei vollst\u00e4ndig keramischen Lagers geringer als bei Stahl\u200e\u2011Lagers.<\/p>\n Auch in diesem Fall ist der Reibungskoeffizient zwischen K\u00e4fig und Lagerringen niedriger als bei Stahl\u200e\u2011Lagers, wodurch der Beitrag zum Rollmoment geringer ausf\u00e4llt.<\/p>\n Eine besondere Eigenschaft vollst\u00e4ndig keramischer Lagers ist der deutlich geringere Schmierstoffbedarf im Vergleich zu Stahl\u200e\u2011Lagers; in manchen F\u00e4llen kann die Schmierung sogar vollst\u00e4ndig entfallen. Dadurch l\u00e4sst sich dieser Anteil am Rollmoment stark reduzieren.<\/p>\n Da vollst\u00e4ndig keramische Lagers ohnehin ein sehr niedriges Rollmoment aufweisen, werden die Dichtungen stets als nicht\u2011ber\u00fchrende Varianten ausgef\u00fchrt, wodurch dieser Reibungsanteil eliminiert wird.<\/p>\n Auch bei vollst\u00e4ndig keramischen Lagers f\u00fchrt eine Erh\u00f6hung der Lagerluft zu einer Verringerung des Rollmoments. Die Wahl der richtigen Spiel\u2011 bzw. Vorspannungsklasse kann daher einen wesentlichen Einfluss auf den endg\u00fcltigen Wert des Rollmoments haben.<\/p>\n F\u00fcr diesen Punkt gelten die gleichen \u00dcberlegungen wie bereits f\u00fcr Stahl\u200e\u2011Lagers beschrieben.<\/p>\n Die Werkstoffe, aus denen die Ringe und W\u00e4lzk\u00f6rper vollst\u00e4ndig keramischer Lagers gefertigt werden, sind weniger elastisch als Stahl und f\u00fchren daher \u2013 bei gleichen \u00fcbrigen Bedingungen \u2013 zu einer kleineren Kontaktfl\u00e4che, was sich positiv auf das Rollmoment auswirkt.<\/p>\n Die keramischen Werkstoffe, aus denen vollst\u00e4ndig keramische Lagers gefertigt werden, weisen eine sehr hohe H\u00e4rte auf, die \u00fcber die H\u00e4rte der geh\u00e4rteten Lagerst\u00e4hle liegt. Auch dies f\u00fchrt zu einer Verringerung der Kontaktfl\u00e4che und damit zu einer Senkung des Rollmoments.<\/p>\n Aufgrund der Eigenschaften der keramischen Werkstoffe ist die erreichbare Rauheit bei keramischen Lagers geringer als bei Stahl\u200e\u2011Lagers, wodurch der Reibungskoeffizient weiter sinkt und damit auch das Rollmoment verringert wird.<\/p>\n Es gelten die gleichen \u00dcberlegungen wie bei Stahl\u200e\u2011Lagers. Bei steigender Genauigkeitsklasse des Lagers sinkt \u2013 bei sonst gleichen Bedingungen \u2013 das Rollmoment.<\/p>\n Auch bei vollst\u00e4ndig keramischen Lagers kann die Lagertemperatur einen Einfluss auf das Rollmoment haben. Aufgrund des niedrigeren W\u00e4rmeausdehnungskoeffizienten keramischer Werkstoffe gegen\u00fcber Stahl ist der Einfluss der thermischen Ausdehnung auf das Rollmoment jedoch geringer.<\/p>\n Aus dem Gesagten l\u00e4sst sich schlie\u00dfen, dass in Situationen, in denen die Reduzierung des Rollmoments der Lagers auf ein Minimum angestrebt wird, vollst\u00e4ndig keramische Lagers eine sehr vorteilhafte L\u00f6sung darstellen. Wie verh\u00e4lt sich ein Keramiklager in Bezug auf das Rollmoment? 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1. Bewegung (rollend\/gleitend) der W\u00e4lzk\u00f6rper relativ zu den Lagerringen<\/strong><\/h3>\n
2. Wechselwirkung der W\u00e4lzk\u00f6rper mit dem K\u00e4fig<\/strong><\/h3>\n
3. Wechselwirkung des K\u00e4figs mit den Lagerringen<\/strong><\/h3>\n
4. Wechselwirkung von W\u00e4lzk\u00f6rpern, K\u00e4fig, Lagerringen und eventuellen Dichtungen mit dem Schmierstoff<\/strong><\/h3>\n
5. Wechselwirkung der Dichtungen mit den Lagerringen<\/h3>\n
6. Lagerluft oder Vorspannung des Lagers<\/h3>\n
7. Anzahl der W\u00e4lzk\u00f6rper, die die Last tragen, und damit die Art der Belastung<\/h3>\n
8. Werkstoff der Lagerringe und W\u00e4lzk\u00f6rper<\/h3>\n
9. H\u00e4rte des Werkstoffs der Lagerringe und W\u00e4lzk\u00f6rper<\/h3>\n
10. Rauheit der Lagerringe und W\u00e4lzk\u00f6rper<\/h3>\n
11. Genauigkeitsklasse des Lagers<\/h3>\n
12. Temperatur des Lagers<\/h3>\n
\n
1. Bewegung (rollend\/gleitend) der W\u00e4lzk\u00f6rper relativ zu den Lagerringen<\/h3>\n
2. Wechselwirkung der W\u00e4lzk\u00f6rper mit dem K\u00e4fig<\/h3>\n
3. Wechselwirkung des K\u00e4figs mit den Lagerringen<\/h3>\n
4. Wechselwirkung von W\u00e4lzk\u00f6rpern, K\u00e4fig, Lagerringen und eventuellen Dichtungen mit dem Schmierstoff<\/h3>\n
5. Wechselwirkung der Dichtungen mit den Lagerringen<\/h3>\n
6. Lagerluft oder Vorspannung des Lagers<\/h3>\n
7. Anzahl der W\u00e4lzk\u00f6rper, die die Last tragen, und damit die Art der Belastung<\/h3>\n
8. Werkstoff der Lagerringe und W\u00e4lzk\u00f6rper<\/h3>\n
9. H\u00e4rte des Werkstoffs der Lagerringe und W\u00e4lzk\u00f6rper<\/h3>\n
10. Rauheit der Lagerringe und W\u00e4lzk\u00f6rper<\/h3>\n
11. Genauigkeitsklasse des Lagers<\/h3>\n
12. Temperatur des Lagers<\/h3>\n
\nIn jedem Fall f\u00fchrt der Austausch eines Stahl\u200e\u2011Lagers durch ein vollst\u00e4ndig keramisches Lager zu einer Verringerung des Rollmoments, zur Erh\u00f6hung des Wirkungsgrades der mechanischen \u00dcbertragung und zu einer geringeren dissipierten Leistung.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"