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Käfiglagerkonzept
für den Großgetriebebau
Dipl.-Ing. (FH) Roland Lippert und Dipl.-Ing. (FH) Bruno Scherb
INA-Sonderdruck aus „Der Konstrukteur“
Heft Nr. S 4, April 1999
Verlag für Technik und Wirtschaft, Mainz

Käfiglagerkonzept für den Großgetriebebau
Dipl.-Ing. (FH) Roland Lippert und Dipl.-Ing. (FH) Bruno Scherb
Hersteller moderner Getriebe
steigern die Leistungsdichte ihrer
Produkte in zunehmendem Maße bei
unverändertem Gehäusevolumen.
Die dabei zu übertragenden Drehmomente
und Drehzahlen verlangen
bei stetig steigenden Lebensdaueransprüchen
nach hochtragfähigen
Wälzlagern mit einem sehr hohen
Drehzahlvermögen und gleichzeitig
hoher Axialbelastbarkeit. Hier
zeigen sich die Kenntnisse über die
Eigenschaften und Merkmale des
Maschinenelements Wälzlager als
wesentliche Grundlage für den
erfolgreichen Einsatz. Die in diesem
Artikel vorgestellten INA-Zylinderrollenlager
folgen dem Trend der
Getriebehersteller zur Steigerung
der Leistungsdichte.
2
1. Einleitung
Der Bau kompakter, leistungsstarker
Getriebe fordert minimale Verzahnungs-
Wälzkreisdurchmesser bei maximaler
Verzahnungstechnologie. Die Wellendurchmesser
sowie die Wellenabstände
werden damit vom Getriebehersteller
vorgegeben. Um die Wellendurchbiegungen
am Ritzel möglichst gering zu halten,
müssen die Lagerstützabstände gering
gehalten werden. Leistungsoptimierte
Getriebe sind zudem gewichtsoptimiert
und damit relativ dünnwandig. Diesbezüglich
wird die zur Verfügung stehende
Lagersitzbreite nach Möglichkeit auf
einreihige Lager ausgelegt. Zusammen
mit der geforderten nominellen Lagerlebensdauer
ist damit das Produkt aus:
max. Lagerbauhöhe · max. Lagerbreite
vorgegeben.
2. Radiallagerbauformen für
den Großgetriebebau
Dem Konstrukteur stehen zur Lagerung
seines Getriebes im allgemeinen nur drei
Lagerbauformen zur Verfügung.
Diese sind:
• Zylinderrollenlager mit Käfig oder vollrollig
• Pendelrollenlager
• Kegelrollenlager.
Alle drei Bauformen mit entsprechenden
Varianten haben sich bewährt. Bei der
Qual der Wahl muß sich der Konstrukteur
an seinem individuellen Pflichtenheft
orientieren. Der gewählte innere Aufbau
des Getriebes gibt den möglichen Lagerbauraum,
die Lagerdrehzahlen sowie die
axialen und radialen Reaktionskräfte am
Lager vor. Mit der geforderten nominellen
Lagerlebensdauer kann damit bereits

eine tragzahlmäßige Vorauswahl getroffen
werden. Durch die bereits angesprochene
hohe Leistungsdichte moderner Getriebe
werden immer öfter Lagergrößen der
Baureihe 23, vor allem an den Zwischenwellen,
benötigt. Zu diesem Zweck produziert
die INA Wälzlager Schaeffler oHG
neben der bereits seit Jahren bewährten
vollrolligen Reihe SL 19 23 jetzt auch
die beiden Lagerkonzepte LSL 19 23 und
ZSL 19 23.
1000
800
600
400
200
0
Tragzahlvergleich C [kN]
950 950
900
Bild 3 Vergleich dynamischer Tragzahlen [2], [3]
Bild 1 Zylinderrollenlager mit massivem
Scheibenkäfig, Baureihe LSL 19 23
2.1 Starke Stücke von INA
Die in 1993 vorgestellten beiden Lagerbaureihen
[1], LSL (Zylinderrollenlager
mit massivem Messing-Scheibenkäfig,
Bild 1) und ZSL (Zylinderrollenlager mit
Zwischenstücken, Bild 2) sind mittlerweile
weltweit im Einsatz. Sie haben sich überall
dort etabliert, wo Qualität, Zuverlässigkeit
und ein Höchstmaß an Leistungsdichte
gefragt sind.
Im nachfolgenden soll kurz nur das
Kriterium zur Wahl der dynamischen
Tragzahl bzw. nominellen Lebensdauer
angeschnitten werden, dessen sich der
Konstrukteur bei der Wahl des richtigen
Lagersystems bewußt sein muß.
780
670
LSL 19 2324 ZSL 19 2324 2 2324 NJ 2324 3 2324
Bild 2 Zylinderrollenlager mit Zwischenstücken,
Baureihe ZSL 19 23
2.2 Tragzahlen und Lagerlebensdauerwerte
Die dynamischen Tragzahlen sagen im
Vergleich der Lagerbauformen wenig
über die resultierenden nominellen
Lagerlebensdauerwerte aus. Sie können
vorerst nur als Anhaltswerte zur Vorauswahl
dienen (Bild 3). Zur Berechnung der
nominellen Lagerlebensdauerwerte muß
nach DIN ISO 281 bzw. den Angaben der
Lagerhersteller [2], [3] gerechnet werden.
Aufgrund der Bauform von Kegelrollenlagern
entstehen bereits bei rein radialer
Belastung Axiallastkomponenten, die
direkt in die Lagerlebensdauer eingehen.
Zusätzliche Axiallasten, wie z. B. aus der
Schrägverzahnung, werden ebenfalls
direkt im Laufbahnkontakt aufgenommen
und reduzieren die zu erwartende nominelle
Lagerlebensdauer drastisch.
Bei Pendelrollenlagern zeigt die externe
Axiallastbeaufschlagung ebenfalls eine
Reduzierung der nominellen Lagerlebensdauer.
Hier werden die externen Axiallasten
direkt in einer Rollenreihe in den Wälzkontakt
geleitet.
Radial-Zylinderrollenlager bilden hier
die Ausnahme. Die radiale und axiale
Lastaufnahme ist getrennt zu betrachten.
3

Bild 4 Vergleich nomineller Lebensdauerwerte L h über der Radiallast F r
Über den Wälzkontakt werden ausschließlich
Radiallasten geleitet. Nur diese
bestimmen die nominelle Ermüdungslebensdauer.
Zusätzliche Axiallasten hingegen
werden über den Bord-Wälzkörper-
Gleitkontakt geleitet. Dieser Bordkontakt
wird als f ( Axiallast, Drehzahl, Schmierverfahren,
Bordgeometrie ) auf Verschleiß
gerechnet. Eine Berechnungsmethode
nach DIN ISO existiert nicht. Zur Berechnung
der Verschleißgrenzlasten müssen
die Angaben der Lagerhersteller herangezogen
werden [2], [3].
In Bild 4 wird im Vergleich die nominelle
Lagerlebensdauer L h über der Radiallast F r
dargestellt.
Bild 5 zeigt die Abhängigkeit bei
zusätzlicher Axiallast in den angegebenen
Betriebspunkten.
Die in den INA-Wälzlagerkatalogen zur
Verfügung gestellten Gleichungen für die
Verschleißgrenzlasten basieren auf jahrelangen
umfangreichen praktischen und
theoretischen Untersuchungen. Als
Beispiel dieser Untersuchungen soll im
nachfolgenden der Einfluß der Drehzahl,
der Radiallast und der Axiallast auf das
Reibungsverhalten auszugsweise aufgezeigt
werden.
4
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
0
100 000
80 000
60 000
40 000
20 000
Nominelle Lebensdauer L h [h]
60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110
Radiallast Fr [kN]
Norminelle Lebensdauer L h [h]
3. Experimentelle
Untersuchungen
3.1 Prüfstände
INA setzt für die Untersuchungen zum
Betriebsverhalten von Zylinderrollenlagern
den Großlagerprüfstand (ausführlich in [4]
beschrieben) und den neu entwickelten
Reibmomentenprüfstand entsprechend
Bild 6, ein. Bei der Entwicklung des Prüfstandes
standen Untersuchungen zum
Reibungsverhalten im Vordergrund,
wobei ein besonderer Augenmerk auf die
Reibungsentwicklung im Axialkontakt des
Zylinderrollenlagers zu richten war.
Dies führte zu dem in Bild 6 dargestellten
Dreilager-Prüfstand. Das Prüflager sitzt
in der als hydrostatische Reibungswaage
konstruierten mittigen Lagereinheit,
Bild 5 Vergleich nomineller Lebensdauerwerte über dem Verhältnis F a /F r
n = 2000 min –1
0
0 0,1 0,2
Lastverhältnis Fa /Fr 0,3 0,5
LSL/ZSL 19 2324
2 2324
NJ 2324
3 2324
wodurch die separate Messung des
Prüflagerreibmomentes realisiert wird.
Dabei wird die aus dem Reibmoment
entstehende Tangentialkraft mittels
Hebelarm und Kraftmeßelement gemessen
(M R = F t · r). Die Radial- und Axialbelastung
wird über Hydraulikzylinder
aufgebracht, wobei die Belastungen über
Kraftmeßelemente auf DMS-Basis
gemessen werden. Die Einleitung der
Axiallast erfolgt über die Axialhydrostatik
auf die drehende Welle. Im weiten
Temperaturbereich werden konstante
Viskositäten des Prüflagerschmierstoffes
durch leistungsstarke Ölkühler und
Ölheizungen garantiert. Der Antrieb erfolgt
über einen hochdynamischen umrichtergesteuerten
Asynchronmotor bis zu einer
Drehzahl von 9000 min–1.
Fr = 60 kN n = 2000 min–1 LSL/ZSL 19 2324
2 2324
NJ 2324
3 2324

➁
➀
➂
Bild 6 Reibmomentprüfstand
➃ ➄
➇
3.2 Durchführung der Versuche
An den beschriebenen Prüfständen
wurden umfangreiche Meßreihen zum
Reibungs- und Temperaturverhalten
kombiniert belasteter Radial-Zylinderrollenlager
durchgeführt. Hierfür wurde
eine Versuchsmatrix erstellt, welche nach
erfolgtem Einlauf der Prüflager durchfahren
wurde. Als Versuchsträger dienten Prüflager
der Baureihen 19 23.. in LSL-, ZSLund
SL-Ausführung. Zur Schmierung
wurde ein Getriebeöl der ISO VG Klasse
220 verwendet. Die Meßwerte wurden
auf einem Meßrechner aufgezeichnet, so
daß eine detaillierte Auswertung nachträglich
erfolgen konnte. Zur Beurteilung
des Reibungsverhaltens von kombiniert
belasteten Zylinderrollenlagern sind
folgende Meßgrößen von Bedeutung:
• Temperatur des Prüflageraußenrings
• Temperatur der belasteten Borde
• Temperatur des zu- und abfließenden
Öles
• Öldurchflußmenge durch das Prüflager
• Radialbelastung des Prüflagers
• Axialbelastung des Prüflagers
• Drehzahl der Welle
• Reibmoment des Prüflagers.
3.3 Ergebnisse der Untersuchungen
3.3.1 Einfluß der Drehzahl auf das
Reibungsverhalten am Beispiel
LSL 19 2316 C3
Bild 7 zeigt die charakteristischen
Reibmoment-Drehzahlverläufe bei einer
konstanten Radiallast für unterschiedliche
Axiallasten. Dabei zeigen die Kurvenverläufe
die typischen Stribeck Charakteristika
mit einem Festkörperreibanteil bei n = 0,
einen sich anschließenden Mischreibungsanteil
bis zum Reibmomentminimum, den
sogenannten Ausklinkpunkt, und einen
von der Höhe der Axiallast abhängigen
mehr oder weniger ausgeprägten hydrodynamischen
Reibungsanteil.
Reibmoment MR [Nm]
25
20
15
10
5
➅
➆
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Drehzahl n [min–1]
Bild 7 Reibmoment über der Drehzahl – LSL 19 2316 C3
➀ Hydrostatisches ➄ Biegebalken
Gleitlager zur Einleitung zur Reibmomentmessung
der Axiallast ➅ Prüflager
AMK-Motor DH13-80-4 (luftgekühlt)
➁ Messung der Axiallast
mittels Kraftsensor
➂ Schmierung
Prüflager
➃ Hydrostatische
Reibungswaage
3.3.2 Einfluß von Radial- und Axiallast
auf das Reibungsverhalten am
Beispiel LSL 19 2316 C3
Bild 7 zeigt weiterhin, daß mit steigender
Axiallast auch höhere Reibmomente
gemessen werden. Bei weiterer Erhöhung
der Axiallasten zeigt die Drehzahlkurve
bei niedrigen Drehzahlen ein starkes
Ansteigen des Reibmomentes, verursacht
durch einen Anstieg des Mischreibungsanteils
im Axialkontakt. Bei diesen extrem
hohen Axiallasten (F a /F r > 0,5) ist in der
Drehzahlkurve mit steigender Drehzahl
ein kontinuierliches Absinken des Reibmoments
zu beobachten. Das Reibmomenten-Minimum
wird für die Kurve
(F a /F r = 1, Q = 5 l/min) nicht erreicht.
Das Prüflager läuft bei diesen Betriebsbedingungen
unter Mischreibungsbedingungen.
Dies bedeutet, daß Verschleiß im
Axialkontakt auftreten kann.
Radiallast F r = 20 kN
➆ Messung des
Antriebsmomentes
mittels Meßflansch
➇ Messung der Radiallast
mittels Kraftsensor
Q = 5 l/min
F a /F r = 0
F a/F r = 0,5
F a /F r = 1,0
Q = 15 l/min
F a/F r = 0
F a /F r = 0,25
Fa /Fr = 0,5
Fa /Fr = 1,0
5

Bild 8 Reibmoment über dem Lastverhältnis F a /F r - LSL 19 2316 C3
Zum Zweck einer anschaulichen Einflußanalyse
dient die Darstellung des Reibmomentes
über dem Lastverhältnis F a /F r
(Bild 8) und die Darstellung über der Axiallast
(Bild 9). Es fällt auf, daß bei hohen
Radiallasten und demzufolge für gleiche
Lastverhältnisse auch bei hohen Axiallasten
ein überproportionaler Anstieg des
Reibmoments erfolgt (Bild 8). Deutlich
wird der Einfluß der Belastungen erst bei
der Darstellung in Bild 9.
Bild 9 Reibmoment über der Axiallast – LSL 19 2316 C3
6
Reibmoment MR [Nm]
Reibmoment MR [Nm]
50
50
n = 500 1/min; Q = 5 l/min n = 4000 1/min; Q = 5l/min
40
30
20
10
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Lastverhältnis Fa /Fr 40
30
20
10
Hier kann ein nahezu linearer Anstieg des
Reibmomentes mit der Axiallast beobachtet
werden, der Einfluß der Radiallast ist dabei
von untergeordneter Bedeutung.
3.3.3 Vergleich der Reibmomentenergebnisse
Einen zusammenfassenden, gemittelten
Vergleich aller gemessenen Reibmomente
für kombinierte Belastungen Fa /Fr bei verschiedenen
Drehzahlen zeigt Bild 10.
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Lastverhältnis Fa /Fr Reibmoment MR [Nm]
50
Reibmoment MR [Nm]
50
n = 500 1/min; Q = 5 l/min n = 4000 1/min; Q = 5 l/min
40
30
20
10
0
0 10 20 30
Axiallast Fa [kN]
40
30
20
10
0
0
4. Zusammenfassung
Mit den Ergebnissen konnte gezeigt
werden, daß die INA-Zylinderrollenlager
aufgrund der günstigen inneren Reibungseigenschaften
sehr hohe Axiallasten
zulassen. Bei guten Schmierbedingungen
sind Lastverhältnisse bis zu F a /F r = 1,0
realisierbar. Weiterhin begünstigt das
niedrige Reibmoment aufgrund von vergleichsweise
niedrigen Lagertemperaturen
entsprechend höhere Schmierstoffviskositäten,
was zu einer früheren Ausbildung
von hydrodynamischen Bedingungen,
insbesondere im Axialkontakt, führt.
Dies hat zur Folge, daß die INA-Zylinderrollenlager
früher als konventionelle
Lagerkonstruktionen einen verschleißfreien
Betrieb gewährleisten.
Gegenüber konventionellen Zylinderrollenlagern
implizieren die genannten
Ergebnisse für INA-Zylinderrollenlager
der Baureihen LSL und ZSL eine höhere
Axialbelastbarkeit.
10 20 30
Axiallast F a [kN]

Relatives radiallastabhängiges Reibmoment
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Bild 10 Vergleich der Reibmomente M R, LSL / M R, NJ und M R, ZSL / M R, NJ
5. Ausblick
LSL ZSL NJ
Die analytische Betrachtung im Hinblick
auf Lebensdauer bzw. Gebrauchsdauer
im kombiniert belasteten Radial-Zylinderrollenlager
zeigt äußerst komplexe
Zusammenhänge bezüglich der Auswirkungen
zusätzlich auftretender Axiallasten.
Deshalb sind die Reibungskontakte im
Wälzlager hinsichtlich der Reibungsentstehung
weiter zu analysieren. Es ist
unter Zugrundelegung der Schmierbedingungen
eine Möglichkeit zur Berechnung
der Verschleißlebensdauer im Axialkontakt
zu entwickeln.
Baureihe 2316
Relatives axiallastabhängiges Reibmoment
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
LSL ZSL NJ
Literaturhinweis
[1] Lippert, R. und Scherb, B.:
Reibungsarme Zylinderrollenlager,
„antriebstechnik“ (1993) Nr. 4
[2] INA Katalog 307
[3] FAG Wälzlager Katalog,
WL 41 520 DB, Mai 1995
[4] Scherb, B.: Zusammenhang zwischen
Käfig- und Wälzkörperdrehzahl bei
Zylinderrollenlagern,
„antriebstechnik“ (1997) Nr. 2
Autorenhinweis:
Dipl.-Ing. (FH) Roland Lippert ist Abteilungsleiter
für die Anwendungstechnik Antriebe
für den Maschinenbau, Bau- und Kunststoffmaschinen.
Dipl.-Ing. (FH) Bruno Scherb ist Leiter
der Gruppe Radiallager in der Versuchsabteilung
mit den Themenschwerpunkten:
„Untersuchungen zum Reibungsverhalten
und zur Lagerkinematik an Radiallagern.“
Beide sind Mitarbeiter bei der
INA Wälzlager Schaeffler oHG,
Herzogenaurach.
7

INA Wälzlager Schaeffler oHG
D-91072 Herzogenaurach
Telefon (0 91 32) 82-0
Telefax (0 91 32) 82-49 50
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