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Die Montage erwärmter Lager auf vertikalen Wellen

Jeder sechste Lagerausfall ist auf bei der Lagermontage entstandene Fehler oder Schäden zurückzuführen. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Fehlermöglichkeiten beim sehr gebräuchlichen Aufschrumpfen erwärmter Lager bei senkrechter Welle.

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Die Warmmontage von Lagern und anderen Bauteilen wie Kupplungen und Zahnrädern hat sich als ein sehr vorteilhaft einzusetzendes Verfahren erwiesen. Das Erwärmen, Montieren und Schrumpfen von Bauteilen ist hinlänglich bekannt, und die Induktionserwärmung ist ein schnelles und kostengünstiges Verfahren. Bauteile in vertikaler Position lassen sich relativ einfach handhaben und vertikal montierte Bauteile problemlos zentrieren, wobei die Schwerkraft dazu beiträgt, dass ein Bauteil beim Abkühlen und Schrumpfen richtig an seiner Anlagefläche anliegt.

Dabei ist darauf zu achten, dass die Montage nach dem Erwärmen zügig erfolgt, um Temperaturverluste zu vermeiden, die dazu führen können, dass das Bauteil in der falschen Position steckenbleibt oder andere Schäden verursacht.

Bild 1: Montage auf einer vertikalen Welle

Optionen bei der Erwärmung und Montage

Es gibt verschiedene Möglichkeiten der Warmmontage. Zu den gängigen gehören:

  • Ein erwärmtes Lager wird auf den normal temperierten Sitz eines Wellenzapfens montiert,
  • eine normal temperierte Welle wird in ein erwärmtes Lager geschoben,
  • ein normaltemperiertes Lager wird in ein erwärmtes Gehäuse geschoben,
  • ein erwärmtes Gehäuse wird auf ein Lager montiert, das auf einer normal temperierten Welle sitzt.

Dabei ist allerdings zu beachten, dass sich Wälzlager aufgrund ihrer Mehrteiligkeit bei der vertikalen Montage anders als andere Bauteile verhalten. Alle Optionen führen zu einer unterschiedlichen Erwärmung der beiden Lagerringe und damit zu einer Zunahme des Lagerspiels, gefolgt von einer Abnahme des Lagerspiels während der verschiedenen Erwärmungs- und Abkühlungszyklen. Bei Lagern besteht ein Verhältnis zwischen der Axialluft und der Radialluft, das durch den Berührungswinkel definiert ist. Bei zweireihigen Lagern gilt dafür folgende Gleichung:

a = 2.3 x Yo x ∆ r (∆ a beträgt typischerweise das 5 – 15-Fache der Radialluft)

So führt eine kleine Radialbewegung (d. h. eine Lagerluftänderung) zu einer großen Axialbewegung.

Bild 2: Verhältnis zwischen Radialluft und Axialluft bei Lagern

Bei einem in vertikaler Position montierten Lager ergibt sich daher bei Änderung des Radialspiels eine axiale Verschiebung der beiden Lagerringe zueinander. Dies lässt sich verdeutlichen (Bild 3), indem man zunächst ein erwärmtes Lager (rot dargestellt) betrachtet. Beide Ringe haben die gleiche Temperatur, und es gibt ein geringes Lagerspiel. Das Lager ist auf den Außenring abgestützt. Der Innenring ist leicht nach unten verschoben. Wenn eine normal temperierte Welle eingeführt und auf den Ring abgesenkt wird, wird der Innenring durch die Welle abgekühlt, wie die graue Farbe zeigt (Bild 4). Der Innenring wird kleiner, wodurch das Lagerspiel zunimmt, und der Innenring wird nun durch das vergrößerte Axialspiel axial nach unten verschoben.

Bild 3: Bei einer vertikalen Welle führt eine Radialluftänderung zu axialen Bewegungen.
Bild 4: Der Innenring ist leicht nach unten verschoben.

Schließlich erreicht der Außenring Raumtemperatur (Bild 5) und gleicht sich der Temperatur des Innenrings an, was zu einem geringen Lagerspiel führt. Allerdings ist der Innenring nun nach oben gedrückt worden, da das Lagerspiel verkleinert wurde.

Bild 5: Kurze Zeit später ist auch der Außenring normal temperiert.

Dieser interessante physikalische Effekt kann in der Praxis bedeutsame Auswirkungen haben.

Hierzu werfen wir einen Blick auf die Bewegungen und Kräfte im Inneren des Lagers (Bild 6).

Bild 6: Bewegungen und Kräfte im Lagerinneren. Erste Sequenz: Der Innenring bewegt sich nach unten.

Zunächst bewegt sich der Innenring nach unten und die vertikale Belastung (M x g) wird von der unteren Reihe des Lagers getragen. Dabei entstehen Rollenkräfte (rot dargestellt) und Reibkräfte (schwarz dargestellt).

Beide Kräfte sind um den Berührungswinkel α aus der Senkrechten verschoben und verteilen sich auf die Rollenanzahl Z. Anhand der Gleichung

N=(M x g)/Z(sin(α)+µ x cos(α)) sehen wir, dass die Reibkraft die Rollenkraft verringert.

In der zweiten Sequenz jedoch, wenn sich der Innenring nach oben bewegt, wird die vertikale Belastung (M x g) nun von der unteren Reihe getragen. Die Gleichung lautet somit N=(M x g)/Z(sin(α)-µ x cos(α)) und die Reibung wird umgekehrt (Bild 7). Wenn sin(α) = µ x cos(α) ist, führt die Aufwärtsbewegung zu sehr hohen Rollenlasten. In der Praxis besteht ein Schadensrisiko durch Selbstblockade oder Schäden in den Laufbahnen (Anschmierungen).

Bild 7: Zweite Sequenz: Der Innenring bewegt sich nach oben.

Es gibt Kombinationen von Reibungskoeffizienten und Berührungswinkeln, die zu einer Selbstblockade führen können (Bild 8). Aus diesem Bild geht hervor, dass eine Selbstblockade vorliegt, wenn die Berührungswinkel zwischen 4 und 15 Grad liegen und der Reibungskoeffizient zwischen 0,05 und 0,4 liegt. Die dabei möglicherweise auftretenden Schäden sind plastische Verformungen, die zu Geräuschen, Schwingungen und frühzeitigen Ausbrüchen führen.

Bild 8: Kombinationen von Reibung und Berührungswinkeln, die zur Selbstblockade führen.

Darüber hinaus gibt es außerhalb des Bereichs der Selbstblockade einen weiteren Bereich, in dem es zu Anschmierungen kommen kann (Bild 9). In diesem Fall reicht die Reibung aus, um die anfängliche Bewegung zu stoppen, aber nicht, um der Bewegung bei höherer Belastung Einhalt zu gebieten. Während sich große Kontaktkräfte entwickeln, bewegt sich die Rolle schließlich in axialer Richtung. Bei diesem Szenario handelt es sich bei den Schäden, die durch die axiale Bewegung bei hoher Kontaktkraft entstehen, um Glättungen oder im schlimmsten Fall um Anschmierungen, d. h. dem Übertrag von Material von einer Oberfläche auf die andere.

Bild 9: Kombinationen von Reibung und Berührungswinkeln, die fast zur Selbstblockade führen.

Praktische Ergebnisse

Hieraus wurden zwei potenziell schädliche Auswirkungen sowohl für die Selbstblockade als auch für die „Beinahe-Selbstblockade“ ermittelt, die häufig bei Maschinen beobachtet werden, aber selten in direktem Zusammenhang mit den Montageverfahren gesehen werden. Bild 10 zeigt einige der häufigsten Lagerschäden.

Bei der Hauptwelle einer Windkraftanlage, die auf dem Boden steht, wird das Lager erwärmt und von oben montiert. Der Innenring des Lagers ruht dann auf einer Wellenschulter und das Lager kühlt ab, während das Gehäuse erwärmt wird. Das erwärmte Gehäuse wird dann von oben montiert und liegt auf dem Außenring auf.

In der ersten Stunde des Temperaturausgleichs werden Wegmessungen am Außenring durchgeführt (Bild 11) und diese im Diagramm (Bild 12) dargestellt.

Bild 11: Auf dem Boden stehende Hauptwelle einer Windkraftanlage

In diesem Diagramm gibt es drei verschiedene Zonen. In Zone 1 wird das warme Gehäuse auf den Außenring aufgesetzt. Der Außenring bewegt sich mit dem Gehäuse aufgrund der Belastung nach unten, wodurch eine radiale Auslenkung entsteht, die eine axiale Bewegung verursacht. In Zone 2 erwärmt das warme Gehäuse den Außenring, der sich ausdehnt. Das Lagerspiel wird größer. Nun bewegt sich der Außenring mit dem Gehäuse nach unten, solange die Temperatur des Außenrings ansteigt. In Zone 3 erwärmt sich der Außenring nicht mehr, und da sich das Gehäuse weiter abkühlt, bewegt sich der Außenring nach oben, da das Lagerspiel kleiner wird. Der Bewegungsablauf enthält auch ein Beispiel für Ruckgleiten (dargestellt durch rote Kreise). Nach der Montage wurde eine Sichtprüfung durchgeführt, bei der deutliche Spuren einer Oberflächenglättung festgestellt wurden (Bild 12).

In einem zweiten Fall wurden Ringmessungen an einem Industriegetriebe durchgeführt, bei dem die Welle und das Zahnrad vertikal montiert sind. Zunächst wird das Lager in das Gehäuse eingesetzt und ein Distanzring am Innenring angebracht. Dann wird ein erwärmtes Zahnrad auf den Distanzring/Innenring gelegt. Schließlich wird eine gekühlte Welle durch das Zahnrad in den Innenring geschoben. In diesem Fall wird die Axialbewegung gemessen. Da es sich um eine Monoblockbauweise handelt, wird das Gehäuse auf die Seite gedreht (Bild 13).

Bild 13: Monoblockbauweise mit zur Seite gedrehtem Gehäuse

In diesem Fall gab es zwei Einbausequenzen. In Sequenz 1 liegt das normal temperierte Gehäuse auf einem Montageständer, das normal temperierte Lager wird seitlich in das Gehäuse eingesetzt und dann nach unten eingebaut. Der Lageraußenring liegt im Gehäuse auf, und schließlich wird ein normal temperierter Distanzring auf den Innenring gelegt. In Einbausequenz 2 wird, während das normaltemperierte Gehäuse mit dem Lager noch auf dem Montageständer liegt, ein erwärmtes Zahnrad seitlich in das Gehäuse eingesetzt und dann nach unten montiert. Das Zahnrad liegt nun auf dem Distanzring und damit wiederum auf dem Innenring auf. Dann wird eine sehr kalte Welle von oben durch das Zahnrad und den Distanzring in den Innenring eingeführt.

In den ersten eineinhalb Stunden des Temperaturausgleichs wurden Messungen vorgenommen. Um die Durchführung der Messungen zu erleichtern, wurde ein Dummy-Gehäuse verwendet (Bild 14).

Bild 15: Bewegungsmessungen beim Abkühlen

Auch hier lassen sich drei verschiedene Zonen feststellen. In Zone 1 wird der Innenring durch die sehr kalte Welle abgekühlt. Das Lagerspiel wird dann größer. Der Innenring mit Welle und Zahnrad bewegt sich axial nach unten. In Zone 2 hat das warme Zahnrad die Welle erwärmt, und die warme Welle erwärmt nun den Innenring. Daraufhin dehnt sich der Innenring aus. Das Lagerspiel wird kleiner. Der Innenring bewegt sich mit Welle und Zahnrad nach oben. In Zone 3 hat die reale Bewegung zwischen den Rollen und der Laufbahn weitgehend aufgehört. Bei den noch feststellbaren geringfügigen Änderungen handelt es sich hier im Wesentlichen um temperaturbedingte Maßänderungen des gesamten Prüfstands, die gemessen wurden. Die Messungen zeigen, dass es zu zwei „Stick-Slip“-Ereignissen gekommen ist (durch rote Kreise gekennzeichnet).

In diesem Fall wurde das Aussehen der unteren Innenringlaufbahn des Prüflagers nach dem Ausbau des Prüflagers untersucht. Es waren bei einigen Rollenkontakten dünne, axial ausgerichtete Markierungen sichtbar.

Unter dem Mikroskop zeigte sich, dass es sich bei den Markierungen nicht nur um Glättungen, sondern teilweise auch angeschmiertes Material handelte.

Dieser Schaden würde sich im Betrieb durch Überrollen weiter ausbreiten und Oberflächenzerrüttung oder Verschleiß zur Folge haben.

Um die Entstehung einbaubedingter Schäden zu vermeiden, sollten drei Dinge beachtet werden. Zunächst einmal ist es wichtig, die Lagerbelastung während der Montage zu verringern oder zu beseitigen. Der logische Weg ist, die vertikale Montage zu vermeiden und/oder der Schwerkraft entgegenzuwirken. Wenn dies nicht möglich ist, sollte die Montage vertikal durchgeführt, aber das Ganze horizontal gekippt werden, um die axiale Belastung während der Abkühlung zu verringern. Es sollte versucht werden, die Reibung durch Drehen zu reduzieren und Bewegungen durch axiales Zentrieren beim Abkühlen zu vermeiden. Vor allem aber ist es wichtig, sich der potenziellen Schäden bewusst zu sein, die bei der Montage verursacht werden können, um das Schadensrisiko so gering wie möglich zu halten.

SKF verfügt über große Erfahrung auf dem Gebiet der Lagermontage, und ihre BearingAssist App kann bei Montageproblemen helfen. SKF bietet auch Unterstützung bei der Schulung von Monteuren im Hinblick auf bewährte Verfahren sowie bei der Überprüfung von Maschinenauslegung und Lagermontageverfahren für alle Arten von Maschinen und Anlagen.

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