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Die Gestaltung von Wälzlagerungen PDF 3/8: Bearbeitungsmaschinen für nichtmetallische Werkstoffe Stationäre Getriebe Kraftfahrzeuge

FAG OEM und Handel AG

Wälzlager

Publ.-Nr. WL 00 200/5 DA

Die Gestaltung von Wälzlagerungen Konstruktionsbeispiele aus dem Maschinen-, Fahrzeug- und Gerätebau

Publ.-Nr. WL 00 200/5 DA

FAG OEM und Handel AG

Ein Unternehmen der FAG Kugelfischer-Gruppe Postfach 1260 · D-97419 Schweinfurt Telefon (0 97 21) 91-0 · Telefax (0 97 21) 91 34 35 Telex 67345-0 fag d http://www.fag.de

Vorwort

Diese Broschüre enthält Konstruktionsbeispiele für verschiedene Maschinen, Fahrzeuge und Geräte. Die Beispiele haben eines gemeinsam: Wälzlager. Deshalb stehen auch die lagerungstechnischen Fragen im Mittelpunkt der kurzen Texte. Von der Arbeitsweise der Maschine schließt man auf die Betriebsbedingungen. Daraus ergeben sich dann die geeignete Bauart und Ausführung, die Größe und Anordnung der Wälzlager, die Passung, Schmierung und Abdichtung. Wichtige, in der Wälzlagertechnik gebräuchliche Begriffe sind kursiv gedruckt. Sie sind am Schluß in einem Stichwortverzeichnis zusammengefaßt und erläutert, zum Teil mit Hilfe von Skizzen.

Inhalt Beispiel Titel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .PDF BEARBEITUNGSMASCHINEN FÜR NICHTMETALLISCHE WERKSTOFFE 23 Spindel einer Tischfräse . . . . . . . . . . . . . . 3/8 24 Doppelwellen-Kreissäge . . . . . . . . . . . . . . 3/8 25 Walzen eines Kunststoffkalanders . . . . . . 3/8

26 27 28 29 30 31

STATIONÄRE GETRIEBE Stufenlos regelbares Getriebe . . . . . . . . . . 3/8 Stirnradgetriebe für ein ReversierWalzgerüst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 Schiffsgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 Kegelrad-Stirnradgetriebe . . . . . . . . . . . . 3/8 Zweistufiges Stirnradgetriebe . . . . . . . . . . 3/8 Schneckengetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 KRAFTFAHRZEUGE Schaltgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8

32 Pkw-Schaltgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 33 Lkw-Schaltgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 Achsantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 34 Pkw-Hinterachsantrieb . . . . . . . . . . . . . . 3/8 Räder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 35 Angetriebenes und gelenktes Vorderrad eines Pkw mit Frontantrieb . . . . . . . . . . . 3/8 36 Angetriebenes und nicht gelenktes Hinterrad eines Pkw mit Heckantrieb . . . 3/8 37 Angetriebenes und nicht gelenktes Hinterrad eines Lkw mit Heckantrieb . . . 3/8 38 Lkw-Lenkzapfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3/8 39 Federbein für Pkw-Vorderachse . . . . . . . . 3/8 Weitere Lagerungen 40 Wasserpumpe für Pkw- und Lkw-Motoren . . . .3/8 41 Riemenspannrolle für Pkw-Motoren . . . . 3/8

23 Spindel einer Tischfräse (Holz) Technische Daten

Antriebsleistung 4 kW; Nenndrehzahl 12 000 min–1. Maximale Belastung des Lagers auf der Arbeitsseite: radial - maximale Schnittkräfte von 0,9 kN, axial - Gewichtskraft der Welle und Federvorspannung von 0,2 kN. Maximale Belastung des Lagers auf der Antriebsseite: radial - maximaler Riemenzug von 0,4 kN, axial - Federvorspannung von 0,5 kN.

Die Lager sind in der Regel alle 6 Monate nachzuschmieren, bei sehr hohen Drehzahlen auch in kürzeren Abständen. Um bei der Abdichtung keine zusätzliche Wärme zu erzeugen, werden die Lager mit nicht berührenden Labyrinthdichtungen vor Schmutzeinflüssen geschützt. Bearbeitungstoleranzen Sitzstelle

Durchmesser- Zylinder Summentoleranz toleranze planlauftoleranz (DIN ISO 1101) der Anlageschulter

Welle

js5

IT2/2

IT2

Gehäuse JS6 (Arbeitsseite)

IT3/2

IT3

Gehäuse H6 (Antriebsseite)

IT3/2

IT3

Lagerwahl Wegen der Forderung nach einer einfachen Lagerung wird auf Ölschmierung verzichtet, die bei so hohen Drehzahlen sonst üblich ist. Die Erfahrung zeigt, daß man mit Fettschmierung gut zurechtkommt, wenn man Rillenkugellager in erhöhter Genauigkeit mit Hartgewebekäfig verwendet. Für Lagerungen mit sehr hohen Drehzahlen (18 000 min-1) werden vielfach Schrägkugellager mit kleinem Druckwinkel (Spindellager) eingebaut. Diese Lager sind mit Rillenkugellagern austauschbar und können daher ohne Änderung der Spindelkonstruktion eingesetzt werden. Eingebaut ist auf der Arbeitsseite ein Rillenkugellager FAG 6210TB.P63, auf der Antriebsseite ein Rillenkugellager FAG 6208TB.P63. Zwei Tellerfedern spannen die Lager mit 500 N vor. Damit wird ein spielfreier Lauf und eine hohe Steifigkeit des Spindelsystems erreicht. Ferner wird durch die Federvorspannung sichergestellt, daß beide Lager bei allen Betriebszuständen der Fräse belastet sind. Bei unbelasteten Lagern können die Kugeln nämlich bei hohen Drehzahlen gleiten, was zu Aufrauhungen der Oberflächen führen kann (höheres Laufgeräusch).

Arbeitsseite

Dimensionierung der Lager Die Größe der Lager ist durch den Wellendurchmesser vorgegeben, der nach schwingungstechnischen Überlegungen festgelegt wird. Mit den danach vorgegebenen Lagergrößen wird eine ausreichende Lebensdauer erzielt, so daß man bei hoher Sorgfalt hinsichtlich der Sauberkeit bei der Montage und Wartung (Nachschmierung) von einer Verunreinigungskenngröße V = 0,5...0,3 ausgehen kann. Bei dieser hohen bis höchsten Sauberkeit erreichen die Lager sogar Dauerfestigkeit. Schmierung, Abdichtung Fettschmierung mit FAG Wälzlagerfett Arcanol L74V. Die Lager werden mit Fett gefüllt und von Zeit zu Zeit nachgeschmiert. Die Fettmenge darf bei der hohen Drehzahl nicht zu groß sein (vorsichtige Dosierung), da sich sonst die Lager durch die Walkarbeit erwärmen.

Antriebsseite

23: Spindellagerung einer Tischfräse

24 Doppelwellen-Kreissäge Technische Daten

Antriebsleistung max. 200 kW; max. Drehzahl 2940 min–1.

Auf der Antriebsseite ist das Zylinderrollenlager FAG NU1026M als Loslager eingebaut. Axiale Wärmedehnungen werden ohne Zwang im Lager ausgeglichen. Das Zylinderrollenlager nimmt auch hohe Riemenspannkräfte auf.

Lagerwahl

Bearbeitungstoleranzen

Gefordert ist eine einfache Lagerung mit genormten Lagern, die eine hohe Drehzahleignung haben und eine genaue Wellenführung ermöglichen. Die gewünschte hohe Wellensteifigkeit bestimmt den Lagerbohrungsdurchmesser. Das Festlager ist auf der Arbeitsseite angeordnet, um auf dieser Seite den axialen Wärmedehnweg möglichst klein zu halten. Die beiden Spindellager FAG B7030E.T.P4S.UL sind in O-Anordnung eingebaut. Bei der Universalausführung UL haben die Lager eine leichte Vorspannung, wenn die Innenringe axial zusammengespannt werden. Mit dem Lagerpaar werden die hohe Drehzahlen sicher beherrscht.

Wellentoleranz js5 Gehäusetoleranz JS6

24: Lagerung einer Doppelwellen-Kreissäge

Schmierung, Abdichtung Die Lager werden auf Lebensdauer mit Fett geschmiert, z. B. mit FAG Wälzlagerfett Arcanol L74V. Der beim Sägen anfallende Staub erfordert eine gute Abdichtung. Wegen der hohen Drehzahl werden nicht berührende Dichtungen verwendet. Abschleuderscheiben verhindern ein das Eindringen grober Verunreinigungen in die Spaltdichtungen.

25 Walzen eines Kunststoffkalanders Zur Herstellung von Kunststoff-Folien werden Kalander verwendet, bei denen mehrere Walzen aus Hartguß oder Stahl mit polierten Oberflächen übereinander bzw. nebeneinander angeordnet sind. Heißes Öl oder Dampf fließt durch die Walzen und heizt die Mantelflächen je nach Material bis auf 220 °C auf (Hart-PVC), wodurch eine gute Verarbeitbarkeit der Kunststoffmasse sichergestellt ist. Die Walzen 1, 2 und 4 biegen sich unter den hohen Kräften im Walzspalt durch. Um dennoch die Dickentoleranzen der Folien im µm-Bereich einzuhalten, wird die Durchbiegung mit Schrägstellung der Walzen 1 und 3 sowie mit Gegenbiegung der Walzen 2 und 4 kompensiert. Die enge Toleranz der Foliendicke erfordert außerdem eine hohe Rundlaufgenauigkeit der Lager und eine ausreichende radiale Führung der nur wenig belasteten Walze 3; dies geschieht durch Vorspannung der Hauptlagerung mittels seitlich angeordneter separater Vorspannlager.

Walzenanordnung 1 bis 4

1

2 3 4

Technische Daten Bauart: Vierwalzen-Kalander, F-Form Arbeitsbreite 3 600 mm Walzendurchmesser 820 mm Walzspalt 1. Stufe 1,5...2 mm 2. Stufe 1...1,5 mm 3. Stufe 0,25...1 mm Walzendrehzahl n = 6...24 min–1 Lagerinnenringtemperatur 170 °C Walzengewicht 18 t (Gewichtskraft 180 kN) Lagerungssystem Alle vier Walzen stützen sich beidseitig zur Aufnahme der Radial- und Axialkräfte mit der gleichen Hauptlagerung ab. Sie besteht als Loslagerung aus zwei zweireihigen Zylinderrollenlagern und als Festlagerung auf der Antriebsseite aus zwei zweireihigen Zylinderrollenlagern und einem Rillenkugellager. Zusätzlich müssen die Walzen 2 und 4 Gegenbiegekräfte, die Walze 3 Vorspannkräfte aufnehmen. Diese Gegenbiege- und Vorspannkräfte werden jeweils auf beiden Walzenseiten in Pendelrollenlagern abgestützt. Lagerwahl Hauptlagerung Die aus der maximalen Spaltlast von 4,5 kN/cm resultierende radiale Auflagekraft von 1620 kN sowie die Gegenbiegungskraft bzw. Vorspannkraft wird von der Hauptlagerung auf jeder Seite der Walzen 1, 2 und 4 aufgenommen. Zur Aufnahme der Radialkräfte und der axialen Führungskräfte wurden zweireihige FAG

Zylinderrollenlager mit den Abmessungen 500 x 650 x 130 mm und Rillenkugellager FAG 61996M.P65 eingebaut. Auf der Festlagerseite übernimmt das radial frei gedrehte Rillenkugellager nur axiale Führungskräfte. Auf der Loslagerseite gleichen Zylinderrollenlager die thermisch bedingten Wärmedehnungen direkt im Lager aus. Fluchtfehler infolge Wellendurchbiegung und Walzenschrägstellung werden durch eine sphärische Aufnahme der Lagergehäuse im Maschinenständer ausgeglichen. Die Lager müssen bis 200 °C maßstabilisiert sein, da sich die Lagerinnenringe durch die Walzenbeheizung bis auf 180 °C aufheizen können. Die hohe Rundlaufgenauigkeit ( 5 µm) erreicht man durch Schleifen der Lagerinnenringe und des Walzenballens in einer Aufspannung auf Fertigmaß bei 220 °C Oberflächentemperatur der Walze. Das Bearbeiten in einer Aufspannung ist möglich, weil sich die Innenringe der Zylinderrollenlager – im Gegensatz zum Pendel- oder Kegelrollenlager – einfach herausziehen und separat aufziehen lassen. Das Schleifmaß der Innenringlaufbahn ist so gewählt, daß auch während des Aufheizvorgangs – bei einer Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenring von ca. 80 K – keine radiale Verspannung eintritt.

Gegenbiege-Lagerung Über hydraulische Zylinder wird eine Gegenbiegung erzeugt. Die Gegenbiegekraft von max. 345 kN pro Lagerstelle wird von Pendelrollenlagern FAG 23980BK.MB.C5 auf die Walzenzapfen übertragen. Die Lager stellen eine reibungsarme Drehung der Walzen sicher und nehmen aus der Durchbiegung resultierende Fluchtfehler auf. Vorspannlagerung Die Hauptlager der Walze 3 werden mit der Differenz aus den Walzkräften von Walze 2 und 4 belastet. Um unkontrollierte radiale Walzenbewegungen zu vermeiden, werden die Hauptlager über Pendelrollenlager FAG 23888K.MB.C5 mit 100 kN vorgespannt. Lagerdimensionierung Zwei nebeneinander sitzende Zylinderrollenlager FAG 522028.. haben eine dynamische Tragzahl von 2 x 2 160 kN. Die Lagerbelastung errechnet sich je nach Kraftrichtung aus (Walzengewicht + Andrückkraft + Gegenbiegungskraft)/2. Die Dimensionierungsrechnung wird für die höchstbelastete Walze 2, die mit der mittleren Drehzahl 15 min–1 umläuft, durchgeführt. Die nominelle Lebensdauer ist ca. 77 000 Stunden. Die erreichbare Lebensdauer, die Belastungshöhe, Schmierfilmdicke, Schmierstoffadditivierung, Sauberkeit im

Schmierspalt und Lagerbauart berücksichtigt, beträgt wegen der hohen Lagertemperatur nur 42 000 h. Die Forderung nach einer Gebrauchsdauer von 40 000 h wird erfüllt. Bearbeitungstoleranzen Hauptlager: Führungslager: Vorspannlager: Rollbendinglager: Schmierung Die Lager werden mit Öl geschmiert. Der Schmierstoff unterliegt sehr hohen Anforderungen. Durch die niedrige Drehzahl und die hohe Betriebstemperatur kann sich kein elastohydrodynamischer Schmierfilm aufbauen. Deshalb laufen die Lager immer im Mischreibungsgebiet und sind der Gefahr höheren Verschleißes ausgesetzt. Dies erfordert qualitativ besonders geeignete und geprüfte Schmieröle. Eine zentrale Umlaufschmierung mit Rückkühlung versorgt alle Lagerstellen mit Öl. Bohrungen in den Lagergehäusen, umlaufende Nuten an den Lageraußenringen und den Distanzstücken sowie radiale Nuten an den Außenstirnseiten führen das Öl direkt ins Lagerinnere. Lippendichtungen in den Gehäusedeckeln verhindern das Eindringen von Schmutzpartikeln ins Lager.

a Hauptlagerung radial, alle Walzen beidseitig; 2 Zylinderrollenlager b Hauptlagerung axial, alle Walzen antriebsseitig; 1 Rillenkugellager 61996M.P65 c Vorspannlagerung, Walze drei, beidseitig; 1 Pendelrollenlager 23888 K.MB.C5 d Gegenbiege-Lagerung, Walzen zwei und vier beidseitig; 1 Pendelrollenlager 23980BK.MB.C5

d

c

25: Lagerungssystem des 155-t-Kunststoffkalanders

Welle r6/Gehäuse H6 Welle g6/Gehäuse radial freigedreht Welle kegelig/Gehäuse H7 Welle kegelig/Gehäuse H7

b

a

26 Stufenlos regelbares Getriebe Die Hauptbauelemente dieses stufenlos regelbaren Getriebes sind zwei Wellen, die eine Kette verbindet. Die Kette läuft an jeder Welle zwischen zwei Kegelscheiben. Durch Veränderung des Abstands der Kegelflächen vergrößert oder verkleinert sich der Laufkreis der Kette. Damit ist das Übersetzungsverhältnis stufenlos regelbar. Lagerwahl Die Lagerung der beiden Getriebewellen besteht aus je zwei Rillenkugellagern FAG 6306. Das Antriebsdrehmoment wird durch die Muffe M über Kugeln auf die Hohlzapfen H der Kegelscheiben übertragen. Die Druckflächen der Kegelkupplung K sind keilförmig ausgebildet. Dadurch werden Muffe und Hohlzapfen in Abhängigkeit vom Drehmoment

mehr oder weniger stark auseinandergedrückt und der Anpreßdruck zwischen Kette und Kegelscheiben dem Drehmoment angepaßt. Die aus dem Anpreßdruck resultierenden Axialkräfte werden von zwei Axial-Schrägkugellagern FAG 751113M.P5 und von einem Axial-Rillenkugellager FAG 51110.P5 aufgenommen. Bei Veränderung des Drehmoments ergeben sich in der Antriebsvorrichtung kleine Relativbewegungen zwischen der Welle und den Kegelscheiben; daher sind zwischen diesen beiden Elementen Nadelkränze mit den Abmessungen 37 x 45 x 26 mm eingebaut. Schmierung Durch Tauchschmierung wird reichlich Öl an die Getriebeteile und an die Lager herangeführt.

Bearbeitungstoleranzen Lager

Sitzstelle

Durchmessertoleranz

Zylinderformtoleranz (DIN ISO 1101)

Planlauftoleranz der Anlageschulter

Rillenkugellager

Welle Gehäuse

k5 J6

IT3/2 IT3/2

IT3 IT3

Axial-Schräg- und Axial-Rillenkugellager

Holzzapfen/Muffe

k5

IT2/2

IT2 IT3

Nadelkranz

Welle Gehäuse

h5 G6

IT3/2 IT3/2

IT3 IT3

26: Stufenlos regelbares Getriebe

27 Stirnradgetriebe für ein Reversier-Walzgerüst Technische Daten

Das Gehäuse enthält zwei dreistufige Getriebe. Die Antriebswellen (1) liegen außen in der gleichen Ebene, die Abtriebswellen (4) sind in der Gehäusemitte übereinander angeordnet. Antriebsdrehzahl 1 000 min–1; Übersetzung 16,835:1; Antriebsleistung 2 x 3 950 kW. Lagerwahl Eingangswellen (1) Ein Zylinderrollenlager FAG NU2336M.C3 und ein Vierpunktlager FAG QJ336N2MPA.C3 bilden das Festlager. Als Loslager ist ein Zylinderrollenlager FAG NJ2336M.C3 eingebaut. Das Vierpunktlager sitzt mit Spiel im Gehäuse (freigedreht) und übernimmt deshalb nur Axialkräfte, während die beiden Zylinderrollenlager nur die Radialkräfte aufnehmen. Zwischenwellen (2, 3) Die Zwischenwellen haben eine schwimmende Lagerung mit FAG Pendelrollenlagern: 22348MB.C3 und 24160B.C3 für die Wellen 2. 23280B.MB und 24164MB für die Wellen 3.

41: Stirnradgetriebe für ein Reversier-Walzgerüst

Abtriebswellen (4) Als Festlager wird ein Pendelrollenlager FAG 24096B.MB verwendet. Ein vollrolliges einreihiges Zylinderrollenlager gleicht als Loslager die thermischen Längenänderungen der Welle aus. Bearbeitungstoleranzen Eingangswellen (1): Zylinderrollenlager Vierpunktlager:

- Welle n6; Gehäuse J6 - Welle n6; Gehäuse H7

Zwischenwellen (2 und 3): Pendelrollenlager - Welle n6; Gehäuse freigedreht. Abtriebswellen (4): Zylinderrollenlager Pendelrollenlager

- Welle p6; Gehäuse JS6 - Welle n6; Gehäuse JS6

Schmierung An den Öl umlauf für die Getrieberäder sind auch die Wälzlager angeschlossen. Das Öl (ISO VG320) wird den Lagerstellen vom Ölfilter aus unmittelbar zugeführt.

28 Schiffsgetriebe

kräfte in der Gegenrichtung auf. Es ist mit geringem Spiel gegen das Axial-Pendelrollenlager angestellt und durch Federn vorgespannt. Die Vorspannung sorgt dafür, daß beim Lastwechsel Rollen und Laufbahnen des Axiallagers nicht voneinander abheben, sondern ständig ohne Schlupf aufeinander abrollen. Der Außenring des Axial-Pendelrollenlagers ist im Gehäuse radial nicht unterstützt, damit dieses Lager keine Radialkräfte übertragen kann.

Schiffsgetriebe übertragen mit ihren gehärteten und geschliffenen Verzahnungen hohe Drehmomente. Technische Daten Antriebsleistung P = 5 475 kW; Antriebsdrehzahl 750 min–1; Abtriebsdrehzahl 209 min–1; Betriebstemperatur ca. 50 °C. Lagerwahl

Abtriebswelle Bei der Abtriebswelle sind Radial- und Axialkräfte völlig getrennt abgestützt. Die Radialkräfte werden von zwei Pendelrollenlagern 23068MB aufgenommen. An der Festlagerstelle auf der Abtriebsseite nimmt ein Axial-Pendelrollenlager 29464E die Differenz aus der Propellerschubkraft bei Vorausfahrt und den axialen Zahnkräften auf. Die geringeren Axialkräfte bei Rückwärtsfahrt gehen auf das kleinere Axial-Pendelrollenlager 29364E. Auch diese beiden Axiallager sind mit geringer Axialluft gegeneinander angestellt, mit Federn vorgespannt und im Gehäuse radial nicht unterstützt.

Kupplungswelle Die Kupplungswelle (oben rechts) ist auf der Antriebsseite in einem Pendelrollenlager 23248B.MB als Festlager und auf der Gegenseite in einem Zylinderrollenlager NU1056M als Loslager abgestützt. Die Welle überträgt nur das Drehmoment. Ihre Lager sind nur durch die geringen Eigengewichtskräfte und kleine Zahnradkräfte aus einem Nebenabtrieb belastet. Die Lagerabmessungen ergeben sich aus der Konstruktion, was zu größeren Lagern führt, als die Belastung erfordert. Eine Lebensdauerbetrachtung erübrigt sich deshalb. Antriebswelle An der Antriebswelle werden die Radialkräfte der Verzahnung von zwei Pendelrollenlagern 23248B.MB aufgenommen. Die Axialkräfte der Hauptdrehrichtung bei Vorausfahrt sind getrennt davon in einem Axial-Pendelrollenlager 29434E abgestützt. Das Lager 23248B.MB auf der linken Seite nimmt zusätzlich die kleineren AxialWelle

Lagerstelle

Kupplungswelle Festlager 1 Loslager 2 Antriebswelle Radiallager

Axiallager Abtriebswelle Radiallager

Axiallager

Wälzlager

dynamisch äquivalente Belastung P [kN]

Dimensionierung der Lager Ausgehend von den technischen Daten ergeben sich für die einzelnen Wälzlager folgende Werte der nominellen Ermüdungslebensdauer. Der für die Klassifikation erforderliche Mindestwert von Lh = 40 000 Stunden wurde erreicht bzw. weit überschritten.

dynamische Kennzahl fL

Nominelle Ermüdungslebensdauer Lh [h]

Viskos.Faktor Verhältnis k= a23 = n/n1 a23II · s

Erreichbare Lebensdauer bei höchster Sauberkeit L hna [h]

23248B.MB NU1056M

nur durch Eigengewichtskräfte gering belastet nur durch Eigengewichtskräfte gering belastet

3 3 neu

23248B.MB 230...