Es gibt einige Verwirrung hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen der Präzision eines Lagers, seinen Herstellungstoleranzen und dem Grad des inneren Spiels oder „Spiels“ zwischen den Laufbahnen und Kugeln. Hier beleuchtet Wu Shizheng, Geschäftsführer des Klein- und Miniaturlagerexperten JITO Bearings, warum dieser Mythos hartnäckig bleibt und worauf Ingenieure achten sollten.
Während des Zweiten Weltkriegs entwickelte ein wenig bekannter Mann namens Stanley Parker in einer Munitionsfabrik in Schottland das Konzept der wahren Position, oder was wir heute als geometrische Dimensionierung und Toleranz (GD&T) kennen. Parker bemerkte, dass einige der für Torpedos hergestellten Funktionsteile zwar nach der Inspektion abgelehnt wurden, aber dennoch zur Produktion weitergeleitet wurden.
Bei näherer Betrachtung stellte er fest, dass die Toleranzmessung schuld war. Die herkömmlichen XY-Koordinatentoleranzen erzeugten eine quadratische Toleranzzone, die das Teil ausschloss, obwohl es einen Punkt im gekrümmten kreisförmigen Raum zwischen den Ecken des Quadrats einnahm. Anschließend veröffentlichte er seine Erkenntnisse zur Bestimmung der wahren Position in einem Buch mit dem Titel „Zeichnungen und Maße“.
*Innenspiel
Dieses Verständnis hilft uns heute bei der Entwicklung von Lagern, die ein gewisses Maß an Spiel oder Lockerheit aufweisen, auch bekannt als Innenspiel oder genauer gesagt als Radial- und Axialspiel. Das Radialspiel ist das Spiel, das senkrecht zur Lagerachse gemessen wird, und das Axialspiel ist das Spiel, das parallel zur Lagerachse gemessen wird.
Dieses Spiel wird von Anfang an in das Lager eingebaut, damit das Lager Belastungen unter verschiedenen Bedingungen standhalten kann. Dabei werden Faktoren wie Temperaturausdehnung und die Auswirkungen der Passung zwischen Innen- und Außenring auf die Lagerlebensdauer berücksichtigt.
Insbesondere kann sich das Spiel auf Geräusche, Vibrationen, Hitzebelastung, Durchbiegung, Lastverteilung und Ermüdungslebensdauer auswirken. Ein höheres Radialspiel ist in Situationen wünschenswert, in denen zu erwarten ist, dass der Innenring oder die Welle während des Gebrauchs heißer wird und sich im Vergleich zum Außenring oder Gehäuse ausdehnt. In dieser Situation verringert sich das Spiel im Lager. Umgekehrt erhöht sich das Spiel, wenn sich der Außenring stärker ausdehnt als der Innenring.
Ein größeres Axialspiel ist in Systemen wünschenswert, in denen eine Fehlausrichtung zwischen Welle und Gehäuse vorliegt, da eine Fehlausrichtung dazu führen kann, dass ein Lager mit einem kleinen Innenspiel schnell ausfällt. Ein größeres Spiel kann es dem Lager auch ermöglichen, etwas höhere Axiallasten zu bewältigen, da es einen höheren Kontaktwinkel mit sich bringt.
*Ausstattung
Es ist wichtig, dass Ingenieure das richtige Gleichgewicht des Lagerspiels finden. Ein zu festes Lager mit unzureichendem Spiel erzeugt übermäßige Hitze und Reibung, was dazu führt, dass die Kugeln in der Laufbahn rutschen und der Verschleiß beschleunigt wird. Ebenso führt ein zu großes Spiel zu mehr Lärm und Vibrationen und verringert die Rotationsgenauigkeit.
Das Spiel kann durch unterschiedliche Passungen gesteuert werden. Technische Passungen beziehen sich auf das Spiel zwischen zwei zusammenpassenden Teilen. Dies wird üblicherweise als Welle in einem Loch beschrieben und stellt den Grad der Dichtheit oder Lockerheit zwischen der Welle und dem Innenring sowie zwischen dem Außenring und dem Gehäuse dar. Es äußert sich normalerweise in einer lockeren Spielpassung oder einer festen Presspassung.
Ein fester Sitz zwischen Innenring und Welle ist wichtig, um ihn an Ort und Stelle zu halten und unerwünschtes Kriechen oder Schlupf zu verhindern, das Hitze und Vibrationen erzeugen und zu einer Verschlechterung führen kann.
Allerdings verringert eine Presspassung das Spiel in einem Kugellager, da sie den Innenring ausdehnt. Eine ähnlich enge Passung zwischen Gehäuse und Außenring in einem Lager mit geringem Radialspiel komprimiert den Außenring und verringert das Spiel noch weiter. Dies führt zu einem negativen Innenspiel, wodurch die Welle effektiv größer als das Loch wird, und führt zu übermäßiger Reibung und einem frühen Ausfall.
Ziel ist es, bei normalem Betrieb des Lagers kein Betriebsspiel zu haben. Das dafür erforderliche anfängliche Radialspiel kann jedoch zu Problemen führen, da die Kugeln rutschen oder gleiten, was zu einer Verringerung der Steifigkeit und der Rotationsgenauigkeit führt. Dieses anfängliche Radialspiel kann durch Vorspannung beseitigt werden. Beim Vorspannen handelt es sich um ein Mittel, um ein Lager nach dem Einbau dauerhaft axial zu belasten, indem Scheiben oder Federn verwendet werden, die gegen den Innen- oder Außenring angebracht werden.
Ingenieure müssen auch die Tatsache berücksichtigen, dass es einfacher ist, das Spiel in einem Dünnringlager zu reduzieren, da die Ringe dünner und leichter zu verformen sind. Als Hersteller von Klein- und Miniaturlagern weist JITO Bearings seine Kunden darauf hin, bei der Passung von Welle und Gehäuse mehr Sorgfalt walten zu lassen. Auch die Rundheit von Welle und Gehäuse ist bei dünnen Lagern wichtiger, da eine unrunde Welle die dünnen Ringe verformt und Geräusche, Vibrationen und Drehmoment erhöht.
*Toleranzen
Das Missverständnis über die Rolle von Radial- und Axialspiel hat viele dazu geführt, den Zusammenhang zwischen Spiel und Präzision zu verwechseln, insbesondere die Präzision, die sich aus besseren Fertigungstoleranzen ergibt.
Manche Leute denken, dass ein Hochpräzisionslager nahezu spielfrei sein sollte und sich sehr präzise drehen sollte. Für sie fühlt sich ein loses Radialspiel weniger präzise an und erweckt den Eindruck von minderer Qualität, auch wenn es sich möglicherweise um ein Hochpräzisionslager handelt, das bewusst mit losem Spiel konstruiert wurde. Beispielsweise haben wir in der Vergangenheit einige unserer Kunden gefragt, warum sie ein Lager mit höherer Präzision wünschen, und sie haben uns mitgeteilt, dass sie „das Spiel reduzieren“ möchten.
Es stimmt jedoch, dass Toleranz die Präzision verbessert. Nicht lange nach dem Aufkommen der Massenproduktion erkannten die Ingenieure, dass es weder praktisch noch wirtschaftlich ist, wenn es überhaupt möglich ist, zwei Produkte herzustellen, die genau gleich sind. Selbst wenn alle Fertigungsvariablen gleich bleiben, wird es immer geringfügige Unterschiede zwischen einer Einheit und der nächsten geben.
Heute stellt dies eine zulässige oder akzeptable Toleranz dar. Toleranzklassen für Kugellager, bekannt als ISO-Bewertungen (metrisch) oder ABEC-Bewertungen (Zoll), regeln die zulässigen Abweichungen und decken Maße ab, einschließlich der Innen- und Außenringgröße sowie der Rundheit von Ringen und Laufbahnen. Je höher die Klasse und je enger die Toleranz, desto präziser ist das Lager nach dem Zusammenbau.
Durch die richtige Balance zwischen Passung und radialem und axialem Spiel während des Einsatzes können Ingenieure das ideale Betriebsspiel von Null erreichen und geringe Geräuschentwicklung und präzise Rotation gewährleisten. Auf diese Weise können wir die Verwirrung zwischen Präzision und Spiel aufklären und, so wie Stanley Parker die industrielle Messung revolutionierte, unsere Sicht auf Lager grundlegend verändern.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 04.03.2021
