Rollenlager – eine Art der Wälzlager

Rollenlager sind Wälzlager. Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Innen- und einem Außenring der Reibungswiderstand durch rollende Körper gemindert wird. Das ist ein erheblicher Unterschied zur Schmierung in Gleitlagern. Wälzlager müssen nicht zwingend Rollenlager sein, andere Formen wären beispielsweise Kugel-, Radial- oder Vierpunktlager.

Wozu dienen Wälzlager?

Wälzlager fixieren Achsen und Wellen. Dabei nehmen sie – abhängig von ihrer Bauform – axiale und/oder radiale Kräfte auf. Gleichzeitig ermöglichen sie die Rotation von Bauteilen auf der Achse (oft Rädern) oder Wellen. Sie bestehen aus drei Hauptkomponenten:

• Außenring 
• Innenring
• Wälzkörper

Zwischen diesen Bauteilen entsteht hauptsächlich Rollreibung. Diese wird verringert, weil die Wälzkörper im Außen- und Innenring mit optimierter Schmierung auf gehärteten Stahlflächen abrollen. Die Art der Wälzkörper bestimmt die Bauart der Wälzlager etwa als Kugel- oder Rollenlager.

Vorteile von Rollenlagern

Die Vorteile von Rollenlagern bestimmen sich durch ihre spezielle Bauform, durch die sie besonders gut axiale, radiale oder sämtliche Kräfte aufnehmen können. Inwiefern das gelingt, hängt immer vom speziellen Aufbau eines Rollenlagers ab. So sind beispielsweise (siehe nächster Abschnitt) Zylinderrollenlager eher radial und weniger axial belastbar. Der Aufbau eines Rollenlagers wiederum bestimmt sich nach seinem Einsatzzweck. Sollten in der Maschine besonders hohe axiale Kräfte wirken, ist der Aufbau eines Rollenlagers als Zylinder sehr zweckmäßig. Ansonsten werden andere Bauformen verwendet, die sich als eher vorteilhaft erweisen.

Rollenlager: Varianten

Es gibt einige grundsätzliche Bauformen von Rollenlagern, allerdings sind in der Praxis viele Sondern- und Unterformen feststellbar. Hauptsächlich sind beim Rollenlager diese Varianten vertreten:

• Zylinderrollenlager
• Kegelrollenlager
• Tonnen- und Pendelrollenlager
• Toroidalrollenlager
• Kugelrollenlager
• Axial-Zylinderrollenlager
• Axial-Pendelrollenlager 

Diese Varianten der Rollenlager wollen wir nachfolgend näher betrachten.

Zylinderrollenlager nach DIN 5412

Dieses Rollenlager zeichnet sich wie soeben erwähnt durch seine relativ hohe radiale, aber meistens deutlich geringere axiale Tragfähigkeit aus. Seine Wälzkörper sind Kreiszylinder. Es gibt Zylinderrollenlager in unterschiedlichen Bauformen, die wiederum die axiale und radiale Belastbarkeit spezifisch beeinflussen. Einige dieser Wälzlager nehmen ausschließlich radiale Kräfte auf, andere auch axiale Kräfte. Unterschiede finden sich unter anderem durch die Bordenanordnung am Außen- und Innenring. Ohne Borde lässt sich der Innenring abziehen, sodass Zylinderrollenlager gute Loslager bei Fest-Los-Lagerungen sind. Standard-Bauformen wären:

• NU: außen zwei feste Borde, innen kein Bord
• N: außen kein Bord, innen zwei Borde
• NJ: außen zwei Borde, innen ein Bord
• NUP: außen zwei Borde, innen ein Bord und eine Bordscheibe (unbefestigt)

Der Vorsetzbuchstabe „R“ verweist auf ein Lager ohne abziehbaren Ring, allerdings gibt es den Vorsatz „R“ auch bei Nadellagern und Stützrollen, was manchmal Verwirrung stiftet.

Kegelrollenlager nach DIN 720 und ISO 355

Dieses Lager ist beidseitig (radial und axial) sehr hoch belastbar. Der Einbau erfolgt meistens paarweise. Beide Elemente – Innenring und Außenring – sind lose. Gängige Anwendungen sind die Radlager in Kraftfahrzeugen und auch die Lenkkopflager in Motorrädern. Auf dem Innenring liegen die kegelstumpfförmigen Wälzkörper, die gegen die Wellenachse leicht geneigt sind. Weil sich die Kegelspitzen auf der Drehachse in einem Punkt treffen, können die Kegelrollen schlupflos abrollen. Es gibt verschiedene Anordnungen von zwei Kegelrollenlagern zueinander. 

Tonnen- und Pendelrollenlager nach der DIN 635

Die DIN 635-1 bezeichnet Tonnenrollenlager, die einreihig für stoßartige und hohe Radialkräfte ausgelegt sind. In Axialrichtung sind diese Wälzlager aber nur gering belastbar. Sie können Fluchtfehler gut ausgleichen und sind bis zu 4° ab Mittellage winkeleinstellbar, weil ihr Außenring über eine kugelförmige Lauffläche verfügt. Innen sorgen fassförmige Tonnenrollen für die bewegliche Lagerung. Es gibt pro Käfig nur eine Reihe dieser Tonnenrollen.

Die DIN 635-2 bezeichnet Pendelrollenlager, die radialen und axialen Belastungen gleichermaßen standhalten und wiederum gut Fluchtfehler ausgleichen. Auch die Pendelrollenlager sind winkeleinstellbar, aber höchstens bis 2° und auch nur bei geringer Belastung, bei höherer Belastung nur bis 0,5°. Die zweireihigen Wälzlager sind für höchste Belastungen (hohe Tragzahlen) ausgelegt.

Toroidalrollenlager

Im Grunde sind Toroidalrollenlager auch Pendelrollenlagern bzw. ähneln diesen sehr, jedoch sind ihre Rollen leicht ballig. Damit können sie gemeinsam mit ihren dementsprechend geformten Rollbahnen den Axial- und den Winkelversatz ausgleichen. Dabei erhöht sich nicht das Reibmoment im Lager. Das verleiht dem Toroidalrollenlager die Fähigkeit, Funktionen von Zylinder- und Pendelrollenlagern gleichzeitig auszuüben.

Kugelrollenlager

Diese Rollenlager sind mit Rillenkugellagern verwandt. Innen kommen seitlich abgeflachte Kugeln zum Einsatz. Das ganze Lager ist nicht sehr breit, was gegenüber den Rillenkugellagern Bauraumvorteile generiert. Hinzu kommt als weiterer Vorteil die höhere Belastbarkeit: Die Gestaltung der spezifischen Wälzkörper ermöglicht eine Montage in größerer Anzahl als von Rillenkugellagern in gleicher Baugröße. Es handelt sich bei diesem Rollenlagertyp um eine junge Entwicklung der frühen 2000er Jahre.

Axial-Zylinderrollenlager nach der DIN 722

Der Lagertyp ist aus einer Wellen- und einer Gehäusescheibe sowie einer Einheit mit Käfig und zylindrischen Rollen aufgebaut. Eingesetzt werden diese Lager, wenn es gilt, besonders schwere Axiallasten zu tragen. Es entstehen allerdings Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen der Außen- und der Innenseite der Rollen. Daher eignen sich diese Lager lediglich für geringe Geschwindigkeiten.

Axial-Pendelrollenlager nach der DIN 728

Ein Axial-Pendelrollenlager ähnelt dem radialen Pendelrollenlager, doch es kommt nur eine Wälzkörperreihe zum Einsatz. Die Laufbahnen haben eine sphärische Form, was das Aufnehmen sehr hoher Axiallasten bei gleichzeitiger Korrektur von Fluchtfehlern ermöglicht. Bei geringer Belastung kann die Korrektur bis zu 3° betragen.

Wie ist ein Wälzlager auszuwählen?

Für die Lagerauswahl sind bestimmte Werte zu ermitteln. Im Einzelnen sind das:

• vorliegende Radial- und Axialkräfte
• Drehzahlen bzw. Geschwindigkeiten besonders bei Linearlagern
• Schiefstellung und Durchbiegung der Achse oder Welle
• Belastungsrichtung
• statische und dynamische Tragzahlen
• Umgebungswerte wie Staubbelastung, Temperatur und Schwingungen
• spezifische Einbaubedingungen wie beispielsweise die Steifheit des Maschinengehäuses 

Die Lebensdauer für ein Rollenlager lässt sich nach ISO 281 berechnen. Hierfür ist vor allem die äquivalente dynamische Belastung zu errechnen. Des Weiteren geht es bei der Auswahl um die Lagerabmessungen. Es gibt für alle Lagertypen weitgehende Normen für die Bohrung, den Außendurchmesser, die Breite und die Belastbarkeiten. Hinzu kommen allerdings Gehäuselager bzw. Lagereinheiten. Das sind Lager in fertigen Lagerböcken, die gegebenenfalls schwenkbar sind bzw. mit Gummipuffern zur Stoßdämpfung ausgestattet sind. Einige Bauformen verfügen über Dicht– oder Abdeckscheiben und eine Dauerschmierung. Die Hauptabmessungen werden mit d (Wellendurchmesser) und D (Außenring-Durchmesser) bezeichnet. 

Wie werden Wälz- oder Rollenlager abgedichtet?

Hierfür kommt das Prinzip des Wellendichtrings zum Einsatz. Die Hersteller bezeichnen die Dichtungen spezifisch, Dichtungsbezeichnungen lauten zum Beispiel Z, ZZ/2Z, 2RS, LLU, EE, RZ, LB oder LLB. Diese Bezeichnungen kennzeichnen die Art der Dichtung zum Beispiel als ein- oder beidseitige Blechdeckscheibe mit Spaltdichtung, als ein- oder beidseitige, schleifende Gummidichtung und auch als berührungslose Gummidichtung. Die Art der Abdichtung hängt grundsätzlich von folgenden Faktoren ab:

• Bauart des Lagers
• Einsatzzweck
• Geschwindigkeit der Achse oder Welle
• axiale und radiale Belastung
• Umgebungseinflüsse

Axialluft

Hierbei handelt es sich um die Verschiebemöglichkeit der Lagerkomponenten (Lagerringe) in axialer Richtung. Das Maß gilt für das nicht eingebaute Lager. Für die Ermittlung der Axialluft müssen Lager einzeln vermessen werden, wobei es um den Abstand zwischen den Stirnseiten des Innen- und Außenrings geht. Die Axialluft spielt eine Rolle für die Kraftverteilung im Lager.

Befestigung von Lagern

Bei der Befestigung ist zwischen Fest- und Loslagern zu unterscheiden. Je nach Bauart werden der Außenring, der Innenring oder beide Ringe entweder mit der Welle oder mit dem Gehäuse fest verbunden. Dabei können die Ringe aufgepresst werden, wozu es die nötige Maßtoleranz bei der Welle und dem Gehäuse geben muss. Ein anderes Verfahren ist das Aufschrumpfen bei hoher Temperatur, aber nicht über 125 °C, um keine Stahlgefügeveränderung zu ermöglichen. Bei Präzisionslagerungen kommen auch Klebeverbindungen mit anaerobe Klebstoffen zum Einsatz. Die Klebespalten sind sehr klein, die Klebeverbindung hält in der Regel bei Temperaturen zwischen rund -20 °C bis +100 °C.

Wie lange gibt es schon Rollenlager bzw. Wälzlager?

Man vermutet, dass sie schon vor mindestens 2.700 Jahren, vielleicht auch noch früher gebaut wurden. Das legen Funde von keltischen Streitwagen nahe, die bei den Radnaben kleine zylinderförmige Buchenholzstücke zeigen. Wahrscheinlich bauten die Kelten schon Zylinderrollenlager. Auch für das antike römische Reich werden sie unter anderem vom damaligen Gelehrten Vitruv beschrieben. Kugellager wurden in Hebezeugen aus dem ersten christlichen Jahrhundert gefunden. Römische und griechische Statuen wurden wahrscheinlich mit Drucklagern drehbar gestaltet. Die großen antiken Theater wie das Kolosseum waren mit sehr vielen Hebeeinrichtungen ausgestattet, die ohne Lager nicht funktionieren konnten.

Allerdings kamen sehr häufig auch Gleitlager zum Einsatz. Erst während der Industrialisierung im 19. Jahrhundert wuchs immens der Bedarf nach Lagern für hohe Kräfte, aber niedrige Drehzahlen. Hierfür sind Gleitlager prinzipiell eher schlecht geeignet, weil sie kaum gut genug geschmiert werden können, um nicht sehr schnell zu verschleißen. Ab Mitte des 18. Jahrhundert entwickelten schon Uhrmacher Lager auf Rollen und mit einem Käfig, ein Patent für ein Rillenkugellager erhielt der Brite Philip Vaughan im Jahr 1794. Am Fahrrad wurde das Kugellager ab 1870 eingeführt, dieses wurde wegen des hohen Bedarfs in den Jahren bis 1910 rasant weiterentwickelt. Das Kegelrollenlager meldete der US-Ingenieur Henry Timken 1898 zum Patent an. Er gründete die immer noch bestehende Timken Company. Um die Wende zum 20. Jahrhundert wurde auch die Wälzkörpertechnik entwickelt, Vorreiter waren Wissenschaftler an der Technischen Versuchsanstalt in Potsdam-Neubabelsberg. Die Lagerentwicklung ist übrigens nicht abgeschlossen, was auch an der Entwicklung neuer Materialien liegt.