Kegelrollenlager kommen in vielen hoch belasteten Anwendungen zum Einsatz.
Foto: SKF

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Das Problem mit den Tragzahlen bei Kegelrollenlagern

Vergleichstest von Kegelrollenlagern zeigen: Vorsicht vor trügerischen Tragzahlen. SKF verglich eigene mit anderen Lagern und kam zu folgendem Ergebnis.

Dynamische Tragzahlen gelten als die maßgeblichen Parameter zur Beurteilung der Leistung von Kegelrollenlagern. Allerdings können die Tragzahlen, die verschiedene Hersteller in ihren jeweiligen Katalogen angeben, irreführend sein, wie SKF bei herstellerübergreifenden Vergleichstests herausgefunden hat.

Wie und wo werden Kegelrollenlager eingesetzt?

Kegelrollenlager kommen meist in hoch belasteten Anwendungen zum Einsatz. Sie eignen sich beispielsweise:

  • für Pkw-, Lkw- und Industriegetriebe
  • für Aufgaben in der Montan- und Windenergieindustrie
  • zur Nutzung in der Fördertechnik

Unabhängig vom jeweiligen Verwendungszweck weisen derartige Lageranwendungen hohe kombinierte Radial- und Axialbelastungen auf. Außerdem erfordern sie einen Betrieb mit hoher Steifigkeit. Zuverlässigkeit und Langlebigkeit sowie die Fähigkeit, extremen Bedingungen standzuhalten, sind ebenfalls wichtige Kriterien. Oft leiden die Kegelrollenlager zudem unter verschmutzten bzw. widrigen Umgebungen, wo sie dennoch für eine größtmögliche Maschinenverfügbarkeit sorgen sollen.

So wird die Lebensdauerberechnung nach ISO-Norm berechnet

Um die entsprechenden Lager verschiedener Hersteller vergleichen zu können, achten die Konstrukteure insbesondere auf deren Tragzahlen. Tatsächlich ist die dynamische Tragzahl auch entscheidend für die Berechnung der nominellen Lagerlebensdauer. Dies lässt sich anhand der Lebensdauergleichung veranschaulichen.

Gemäß ISO 281 wird die nominelle Lebensdauer eines Radial-Rollenlagers wie folgt berechnet:

L_10=├ (C_r/P_r ┤)^(10/3)

L10 = nominelle Lebensdauer (mit 90-prozentiger Erlebenswahrscheinlichkeit)

Cr = dynamische radiale Tragzahl

Pr = dynamische äquivalente radiale Belastung

Dabei beruht die Berechnung der dynamischen radialen Tragzahl für Radial-Rollenlager gemäß ISO 281 auf folgender Formel:

C_r 〖=b_m∙f_c∙(i∙L_we∙cos⁡α )〗^(7/9)∙Z^(3/4) 〖∙D_we〗^(29/27)

Cr = dynamische radiale Tragzahl

bm = Beiwert für Lagerbauart (Wert von 1,1 für Kegelrollenlager)

fc = Faktor für Werkstoff / Geometrie / Maß

i = Anzahl der Rollenreihen

Lwe = effektive Rollenlänge

α = Berührungswinkel

Z = Anzahl der Rollen pro Reihe

Dwe = mittlerer Rollendurchmesser

Daraus lässt sich die Bedeutung von fc als Leistungsfaktor deutlich ablesen: Beispielsweise bewirkt ein Leistungsfaktor von 1,23 eine doppelt so lange nominelle Lebensdauer L10.

Vergleich: Benchmarktests geben Auskunft über Aussagekraft von Tragzahlen

Um der Aussagekraft von Tragzahlwerten auf den Grund zu gehen, hat SKF umfangreiche Benchmark-Tests mit verschiedenen Ausführungen von Kegelrollenlagern durchgeführt. Als repräsentatives Beispiel dient im Folgenden ein Lager vom Typ 32011 X.

Die entsprechenden Vergleichstests simulierten zwei Einsatzfälle: saubere und verschmutzte Betriebsbedingungen. Die Tests unter sauberen Bedingungen erfolgten mit fabrikneuen Lagern und unbenutztem Schmieröl, während bei den Tests unter verschmutzten Bedingungen dem Schmieröl für eine Einlaufphase Schmutzteilchen beigefügt wurden. Nach dieser Einlaufphase wurde das verschmutzte Schmieröl entfernt und die Lager wurden bis zum Lagerausfall mit sauberem Schmieröl betrieben.

Foto: SKF

Die obige Abbildung zeigt einen Vergleich der im Katalog angegebenen Tragzahlen von SKF und zwei anderen Lagerherstellern. Hier bezieht sich der Referenzwert 100 auf SKF. Wie die Grafik veranschaulicht, weisen die beiden anderen Lagerhersteller Katalog-Tragzahlen aus, die um 17 Prozent bzw. 19 Prozent über denen von SKF liegen.

Das sind die Ergebnisse des Tests

Bei den Lebensdauertests ergab sich folgendes Bild: Die SKF Kegelrollenlager schnitten – trotz ihrer niedrigeren Katalog-Tragzahlen – nicht nur in den Testläufen unter sauberen, sondern auch in den „Stresstests“ unter verschmutzten Bedingungen besser ab als die Wettbewerbslager mit höher angegebenen Tragzahlen.

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L10-Testergebnisse [h], Lagertyp 32011 X, der Benchmark-Tests unter sauberen Betriebsbedingungen.

Foto: SKF

L10-Testergebnisse [h], Lagertyp 32011 X, der Benchmark-Tests unter verschmutzten Betriebsbedingungen.

Neben den Benchmark-Lebensdauertests wurden mit dem Lagertyp 32011 X auch Drehzahleignungstests durchgeführt. Vor Beginn der Rotation wurde eine rein axiale Belastung von 2,3 kN auf das Prüflager aufgebracht. Dann wurden verschiedene Drehzahlstufen von 2.000 min-1 bis 9.000 min-1 in Schritten von 1.000 min-1 angewandt.

Hier liefen die SKF Lager in sämtlichen Drehzahlbereichen mit den niedrigsten Temperaturen. Die Temperaturunterschiede nahmen bei höheren Drehzahlen zu. An der höchsten Drehzahlgrenze lag die mittlere Temperatur der SKF Lager um 11,5 °C unter der mittleren Lagertemperatur des nächstbesten Wettbewerbslagers (CC 2). Bei Drehzahlen ab 4.000 min-1 liefen die Wettbewerbslager bei zunehmend höheren Durchschnittstemperaturen als die von SKF.

Fazit: Trotz geringerer Tragwerte, bessere Leistung

Die Vergleichstests haben gezeigt, dass sich die SKF Kegelrollenlager in Bezug auf Gebrauchsdauer und Drehzahl-Eignung zum Teil deutlich von ihren vermeintlich leistungsstärkeren Konkurrenten absetzen können – trotz ihrer geringeren „Katalog-Tragzahlen“. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die angegebenen Tragzahlen keinen wirklich „objektiven“ Vergleich der realen Lagerleistung erlauben. Insofern sollten die Konstrukteure bei der Lager-Auswahl gewissenhaft prüfen, worauf genau die Tragzahl-Berechnungen der verschiedenen Zulieferer basieren und ob diese mit ISO 281 übereinstimmen. Im Prinzip können die Tragzahlen leicht nachvollzogen werden, indem die Abmessungen der Lagerkomponenten mit einfachen Verfahren gemessen werden. Denn je belastbarer und zuverlässiger die Tragzahlangaben sind, desto höher kann die Leistungsdichte und Zuverlässigkeit in der jeweiligen Anwendung sein.

Zugleich sind die Wälzlagerhersteller gefordert, ihre Tragzahl-Angaben mit Testergebnissen zu belegen. Zum Vorteil der Kunden sollten sie Lösungen entwickeln, die die tatsächliche Leistungsfähigkeit von Wälzlagern im praktischen Anwendungsfall besser vergleichbar und damit letztlich auch realitätsnäher abbilden. Mit diesem Ziel vor Augen hat SKF ihr Wälzlager-Sortiment in der SKF Explorer Leistungsklasse entsprechend aktualisiert. Es umfasst nun alle bisherigen TQ-Line-Kegelrollenlager und eine Vielzahl weiterer Lager. Zu den wichtigsten Vorteilen der SKF Explorer Leistungsklasse gehören u. a. eine erhöhte Zuverlässigkeit, gesteigerte Produktivität, weniger vorzeitige Ausfälle, niedrigere Geräusch- und Schwingungspegel, Downsizing-Möglichkeiten sowie ein geringerer Schmierstoff- und Energieverbrauch.

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