Abschnitt Elemente technischer Systeme Ziele des Abschnitts ETS: Wichtige mechanische Grundelemente zum Aufbau technischer Systeme kennen lernen. Grundelemente benennen! Übersicht vermitteln. Eigene Recherchen anregen. Konstruktionstechnik WS 2011/12 Elemente technischer Systeme Teil 3 Lager Dipl. Ing (FH) Daniel Kelkel Prof. Dr.-Ing. Bernd Heidemann Büro 7217 Tel 0681 5867 253 Email heidemann@htw-saarland.de Begrüßung

Übersicht 1 Wintersemester 2009/10 Raum 8025, Stunde 1 + 2, ab 07:30 Fr 03.01. Elemente techn. Systeme => Lagerung Fr 10.02. Klausurvorbereitung heute 2

3 Die Begriffe „Lager und Lagerungen“ aus der Technische Mechanik

3 Die Begriffe „Lager und Lagerungen“ aus der Technische Mechanik Eine Lagerung ist allgemein gemäß der Technischen Mechanik ein System aus Bauelementen, das Kräfte von einem Bauteil in ein anderes Bauteil weiterleitet. Ein Bauteil im Raum mit definierten Maßen positionieren. Kräfte, die auf das Bauteil wirken, übertragen und in die Umgebung (= ein anderes Bauteil, aber auch: Fundament) ableiten. Definierte funktionsrelevante Relativbewegungen der Bauteile ermöglichen (=>Wirkelemente (z.B. Wälzkörper, Schmier-Medien) mit geringem Energieverlust (geringe Reibungsverluste)) Definierte Relativbewegungen zwischen Bauteilen sind: Translation (ein solches Lagerungssystem wird als „Führung“ bezeichnet) Rotation (umlaufende Drehbewegung) Schwenkbewegung (oszillierende Drehbewegung in einem bestimmten Winkelbereich) Begriffe erläutern: Translation etc

3 Lagerungen: Funktion und Beschreibung Der Begriff „Lagerung“ steht in der Technik allgemein für ein System aus Maschinenelementen, das rotatorische Relativbewegungen ermöglicht und dabei - gemäß der technischen Mechanik – Kräfte von der bewegten auf die stillstehende Struktur weiterleitet. Elemente dieses Systems: Das bewegte Element z.B. Welle oder Rad Die „Lager“ – als Bauelement müssen mindestens 2 Lager vorhanden sein Das stillstehende Element z.B. Gehäuse oder Achse ! erer

3 Lagerungen: Funktion und Beschreibung Elemente dieses Systems: Das bewegte Element z.B. Welle oder Rad Die „Lager“ – als Bauelement müssen mindestens 2 Lager vorhanden sein Das stillstehende Element z.B. Gehäuse oder Achse erer

3 Lagerungen: Lagerbock Beispiel: Lagerbock Zulieferbauteil integriert ein (Wälz-) Lager mit einem „Gehäuse“ Lager, hier: Wälzlager erer Anschraubfläche

3 Lagerungen: Lagerbock Anwendung Anwendung: Lagerbock erer

3 Lagerungen: Lagerbock Anwendung Anwendung: Lagerbock erer

3 Lager – Das Element „Wälzlager“ Definition: Bauteile bewegen sich relativ auf Wälzkörpern (z.B. Kugeln, Rollen, Nadeln) => geringer Rollwiderstand Überblick: können durch Vielfalt gut an konkrete Anforderungen angepasst werden richtig eingebaute Wälzlager laufen annähernd reibungsfrei (μ = 0,002 ...0,01 Wälzlager haben hohe Drehzahlgrenzen. Häufig Lebensdauerschmierung keine Einlaufzeit weltweit genormt und in hoher Qualität verfügbar Nachteile: empfindlich gegen Erschütterungen und Stöße, besonders im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen empfindlich gegen Verschmutzung (erfordert Abdichtungsaufwand) begrenzte Lebensdauer Anwendungen: das Anlaufmoment ist nur unwesentlich größer als das geringe Betriebsmoment Einsatz daher bei Anwendungen mit häufigen Anfahrvorgängen und bei instationärem Betrieb: Motoren, Fahrzeuge, Kranhaken, Drehtürme Nachteile gemeinsam erarbeiten !!!!

3 Lager – Das Element „Wälzlager“ Welche Fehler können beim Einbau gemacht werden? Warum überhaupt Grenzen im Bereich der Drehzahl? Montagekraft über den falschen Ring geleitet Passung zu eng / zu weit Nicht fluchtende Lagerstellen Wellenschulter bzw. Gehäuseschulter zu groß => Kurzschluss Beispiel aus dem Lagerbuch vom Altjohann: Die Entwicklung der Tragzahlen über die Jahre! Typische Einbaufehler: Montagekraft über den falschen Ring geleitet, Passung zu eng / zu weit, nicht fluchtende Lagerstellen, Wellenschulter bzw. Gehäuseschulter zu groß, dadurch Kurzschluss! Durch Zeichnungen an der Tafel veranschaulichen

3 Lager - Wälzlager – Der Rollwiderstand bei der Rad-Schiene-Technik

3 Lager - Wälzlager – Die Windkraft Wohin mit der Kraft des Windes?

3 Lager - Wälzlager – Übersicht Wälzlagerbauformen Jede Bauform hat charakteristische Eigenschaften für bestimmte Lagerungsfälle Allgemein gültige Regeln lassen sich nicht aufstellen, aufgrund mehrere Faktoren Für kleine Wellendurchmesser => Rillenkugellager Für große Wellendurchmesser => sowohl Rillenkugellager, Zylinderrollenlager, Pendelrollenlager Bestimmung der Lagergröße => Belastung Im Allgemeinen können Rollenlager bei gleichen äußeren Abmessungen höher belastet werden als Kugellager. Warum? Beispiel aus dem Lagerbuch vom Altjohann: Die Entwicklung der Tragzahlen über die Jahre! Quelle: INA Technisches Taschenbuch, Schaeffler KG, 2002, Seite 214

3 Lager - Übersicht Wälzlagerbauformen Begriffe klären => axial und radiale Kräfte Beispiel aus dem Lagerbuch vom Altjohann: Die Entwicklung der Tragzahlen über die Jahre! Typische Einbaufehler: Montagekraft über den falschen Ring geleitet, Passung zu eng / zu weit, nicht fluchtende Lagerstellen, Wellenschulter bzw. Gehäuseschulter zu groß, dadurch Kurzschluss! Quelle: INA Technisches Taschenbuch, Schaeffler KG, 2002, Seite 214

3 Lager - Übersicht Wälzlagerbauformen Begriffe klären => axial und radiale Kräfte Beispiel aus dem Lagerbuch vom Altjohann: Die Entwicklung der Tragzahlen über die Jahre! Typische Einbaufehler: Montagekraft über den falschen Ring geleitet, Passung zu eng / zu weit, nicht fluchtende Lagerstellen, Wellenschulter bzw. Gehäuseschulter zu groß, dadurch Kurzschluss!

3 Lager - Übersicht Wälzlagerbauformen Rillenkugellager Zylinderrollenlager Kegelrollenlager Nadellager Axial-Rillenkugelager Pendelkugellager

3 Lager - Wälzlager – Die Standardbauform Rillenkugellager DIN 625 Rillenkugellager nach DIN 625 - Beschreibung: Einfacher Aufbau, daher das preiswerteste Wälzlager, meist verwendet Vielfältig einsetzbar als Radiallager selbsthaltend (nicht zerlegbar) Die Kugeln schmiegen sich eng an die recht tiefen Laufbahnen, dadurch können auch Axialkräfte aufgenommen werden. Hohe Drehzahlgrenze Nur geringe Winkelbeweglichkeit (<10‘), daher sind gut fluchtende Lagerstellen erforderlich Verwendung: universell im Maschinen- und Fahrzeugbau Außenring Wälzkörper, hier: Kugel Innenring Aber: Wie erfolgt der Zusammenbau? Käfig Z.B. Miniaturkugellager: D = 3mm d = 1mm B = 1mm Gewicht 0,05g Drehzahlgrenze 190 000 min-1

3 Lager - Rillenkugellager – Anwendung Miniaturkugellager 1 Deckel   2 Anschlüsse   3 Elektronik   4 Gehäuse   5 Spule   6 Kugellager   7 Scheibe   8 Sprungfeder   9 Magnet 10 Eisenrückschluss 11 Welle 12 Micro-Elektromotoren: Abbildungen aus: www.faulhaber.de z.B. 6mm-Motor… z.B. Schrittmotor mit aufsteckbarem Getriebe Vollschrittbetrieb mit 20 Schritten pro Umdrehung Daussen = 6 mm Länge = xx mm dWelle = xx mm Nennspannung 1,5 ... 4,5 V Leerlaufdrehzahl xx min-1 Haltemoment = 0,2 mNm Abgabeleistung = xx W erer z.B. Bürstenloser DC-Micromotor mit elektronischer Kommutierung Daussen = 15 mm Länge = 35 mm dWelle = 2,0 mm Nennspannung 9 ... 15 V Leerlaufdrehzahl 15000 min-1 Anlaufmoment = 3,6 mNm Abgabeleistung = 2,3 W Lebensdauer 20.000h Rillenkugellager

3 Lager - Rillenkugellager – Anwendung Miniaturkugellager Micro-Elektromotoren: z.B. 6mm-Motor… erer z.B. Schrittmotor mit aufsteckbarem Getriebe Vollschrittbetrieb mit 20 Schritten pro Umdrehung Daussen = 6 mm Länge = xx mm dWelle = xx mm Nennspannung 1,5 ... 4,5 V Leerlaufdrehzahl xx min-1 Haltemoment = 0,2 mNm Abgabeleistung = xx W

3 Lager - Exkurs Anwendung Micro-Elektromotoren Anwendungen in der Medizintechnik, z.B. für minimalinvasiven Diagnose- und Operationstechniken Blutpumpen für Operationen am Herzen Mikrosensorik und Lasertechnik Mikropumpen Mikrogreifer Mikroaktuatoren für Mess- und Montagetechnik Mikrostellzylinder Als Positionierantrieb für optische Geräte Abbildungen aus: www.faulhaber.de erer z.B. Bürstenloser DC-Micromotor mit elektronischer Kommutierung Daussen = 1,9 mm Länge = 5,5 mm dWelle = 0,24 mm Nennspannung 0,5 V Leerlaufdrehzahl 100000 min-1 Anhaltemoment = 0,0075 mNm Abgabeleistung = 0,06 W

Gestaltung der Lagerstelle Für die Konstruktion der Lagerstelle sind zwei Gestaltungsbereiche zu beachten: Die Fixierung des Einzellagers oder Lagerpaares auf der Welle/Achse und im Gehäuse Die Anordnung der Lager zueinander zur Fixierung der gesamten Welle/Achse im Gehäuse.   Möglichkeiten selbst erarbeiten lassen Quelle: http://www.maschinenbau.fh-wiesbaden.de/eLearning/

Lagerungen mit Wälzlagern – Radiale Fixierung Umfangslast: „Ring dreht sich; Last steht relativ dazu still Gefahr des Wanderns in Umfangsrichtung besteht Empfehlung: Leichte Presspassung Punktlast: Ring und Last stehen relativ in Ruhe zueinander Gefahr des Wanderns nicht vorhanden Empfehlung: leichter Schiebesitz erer Quelle: http://www.maschinenbau.fh-wiesbaden.de/eLearning/

Lagerungen mit Wälzlagern – Radiale Fixierung Umfangslast: „Ring dreht sich; Last steht relativ dazu still Gefahr des Wanderns in Umfangsrichtung besteht Empfehlung: Leichte Presspassung Punktlast: Ring und Last stehen relativ in Ruhe zueinander Gefahr des Wanderns nicht vorhanden Empfehlung: leichter Schiebesitz erer Quelle: http://www.maschinenbau.fh-wiesbaden.de/eLearning/

Möglichkeiten der axialen Festlegung? Lagerungen mit Wälzlagern – Axiales Festlegen des Innenrings auf der Welle Die radiale Festlegung des Innenrings auf der Welle muss eine entsprechende Passung gewährleisten. Zur axialen Festlegung eines Lagerrings auf dem Wellensitz reicht eine stramme Passung allein nur aus, wenn keine oder nur kleine Axialkräfte zu übertragen sind. Darüber hinaus sind Maschinenelemente zum axialen Festlegen vorzusehen. Lagerringe mit strammer Passung müssen im Allgemeinen einseitig an einer Wellen- bzw. Gehäuseschulter oder einen Bund anliegen. Dabei sind die Anschlussmaße nach DIN 5418 (siehe Angaben in Lagerkatalogen) zu beachten. Gestaltungsvarianten: Mit Nutmutter DIN 981 u. Sicherungsblech DIN 5406 Mit Endscheibe Mit Sicherungsring Möglichkeiten selbst erarbeiten lassen Abbildung aus: Haberhauer-2001 Möglichkeiten der axialen Festlegung?

Quelle: http://www.maschinenbau.fh-wiesbaden.de/eLearning/ Lagerungen mit Wälzlagern – Axiales Festlegen des Innenrings auf der Welle Abbildung aus: Haberhauer-2001 erer Quelle: http://www.maschinenbau.fh-wiesbaden.de/eLearning/

Lagerungen mit Wälzlagern – Axiales Festlegen des Außenrings im Gehäuse Der Außenring eines Lagers wird im Gehäuse mittels geeigneter Passung gekoppelt. Der Passungssitz muss unter allen Umständen gewährleisten, dass sich der Außenring gegenüber der Gehäusebohrung nicht verdrehen kann. Die entsprechende Passung wird unter Berücksichtigung der Belastungsverhältnisse (Umfangslast bzw. Punktlast) festgelegt. Für das axiale Festlegen des Außenrings gibt es folgende Gestaltungsvarianten: Mit Deckel gegen Bund („Gehäuseschulter“) Mit Deckel gegen Sicherungsring Mit 2 Deckeln Mit Sprengring und Deckel (ungeteiltes Gehäuse) Mit Sprengring bei geteiltem Gehäuse erer Abbildung aus: Haberhauer-2001

Lagerungen mit Wälzlagern – Axiales Festlegen des Außenrings im Gehäuse erer Abbildung aus: Haberhauer-2001

Lagerungen mit Wälzlagern – Lageranordnungen Es existieren drei häufig angewandte Möglichkeiten der Lageranordnung: Festlager-Loslager-Anordnung Angestellte Lagerung Schwimmende Lagerung

Lagerungen mit Wälzlagern – Fest-Loslager-Anordnung Merkmale Festlager: Festlagerringe beide (Innen- und Außenring) axial fixiert Festlager nimmt Axialkräfte in beide Richtungen auf Das Festlager ist axialer Fixpunkt für die Welle im Gehäuse Merkmale Loslager: Das Loslager nimmt keine Axialkräfte auf Das Loslager ermöglicht axialen Ausgleich von Wärmeausdehnungen und Toleranzen Fest-Loslagerung an der Tafel gemeinsam entwickeln

Lagerungen mit Wälzlagern – Fest-Loslager-Anordnung Merkmale Festlager: Festlagerringe beide (Innen- und Außenring) axial fixiert Festlager nimmt Axialkräfte in beide Richtungen auf Das Festlager ist axialer Fixpunkt für die Welle im Gehäuse Merkmale Loslager: Das Loslager nimmt keine Axialkräfte auf Das Loslager ermöglicht axialen Ausgleich von Wärmeausdehnungen und Toleranzen Fest-Loslagerung an der Tafel gemeinsam entwickeln

Lagerungen mit Wälzlagern - Vorgespannte Lagerung am Beispiel E-Motor Beispiel 4 aus: Gestaltung von Wälzlagerungen, FAG Publikation WL 00 200/5 DA Anforderung: geräuscharmer Lauf Geräuscharmer Lauf durch spielfreien Lauf der Lager Spielfreiheit erreichbar durch Federscheibe (links), Außenringe der Lager in den Lagersitzen verschiebbar gepasst mit einer Bohrungstoleranz H5 Der Wellendurchmesser wird durch Drehmoment bestimmt => Innendurchmesser der Lager Wellensitz ist nach j5 Lagerauswahl erfolgt anhand der Geometrien und der geforderten Laufzeiten Welche Lasten wirken? Welches Lager ist höher belastet? Warum? Die Lager sind mit Fett (Lithiumseifenfett) lebensdauergeschmiert. Elektromotor für Haushaltsgerät Leistung 300 W Drehzahl 3500 min-1 Rillenkugellager links: d = 9 mm D = 24 mm B = 7 mm Rillenkugellager rechts: d = 6 mm D = 19 mm B = 6 mm

Lagerungen mit Wälzlagern - Vorgespannte Lagerung am Beispiel E-Motor

Beispiel: Lagerung mit Rillenkugellager – Trommel einer Haushaltswaschmaschine Erläuterungen Fassungsvermögen der Trommel 4,5kg Trockenwäsche Drehzahl beim Waschen 50 min-1 Drehzahl beim Vorschleudern 800 min-1 Drehzahl beim Schleudern 1000 min-1 „Fliegende Lagerung“ mit Rillenkugellager: Die Größe der Lager durch Wellendurchmesser, Lagerkräfte bestimmt Lebensdauer: 300 ... 500 Schleuderstunden Wegen Unwucht haben die Innenringe Punktlast (Toleranz auf Welle h5), die Außenringe Umfangslast (Toleranz in Gehäusebohrung M6). Mit der Passung auf der Welle ist eine ungehinderte Wärmedehnung möglich. erer Beispiel 5 aus: Gestaltung von Wälzlagerungen, FAG Publikation WL 00 200/5 DA

Beispiel: Lagerung mit Rillenkugellager – Trommel einer Haushaltswaschmaschine erer

Wälzlager – Einbautoleranzen für Radiallager mit zylindrischer Bohrung Tolerierung der Anschlussmaße Die Toleranzen sind international festgelegt und nach DIN 620 genormt. Die Abmessungen Bohrungsdurchmesser d, Außendurchmesser D und Breite B eines Wälzlagers haben grundsätzlich Minustoleranzen. Nach DIN 620 sind abweichend von den bekannten ISO-Toleranzenklassen für d das Toleranzfeld KB und für D das Toleranzfeld hB (B steht für Ball-Bearing) festgelegt. Die (tangentiale) Befestigung des jeweiligen Ringes auf Welle bzw. Bohrung erfolgt durch die Wahl einer geeigneten Passung, die durch das Toleranz für Welle bzw. Bohrung bestimmt wird. erer Abbildung aus: Roloff-2003

Lager – Gleitlager und Gleitlagerbuchsen Welle „Gehäuse“ Wellenzapfen Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlager und Gleitlagerbuchsen Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlager und Gleitlagerbuchsen Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlagerbuchsen – Ausführungen nach DIN ISO 4379 Abbildungen aus: Hoischen Gleitlagerbuchsen nach DIN ISO 4379 werden in Bohrungen eingepresst bzw. eingeklebt sind aus geeigneten Lagerwerkstoffen (Cu-Guss- bzw. Knetlegierungen) für translatorische und rotatorische Relativbewegungen Lagerspiel hat wesentlichen Einfluss auf das Laufgeräusch Je kleiner, desto geringer ist das Laufgeräusch Damit steigt jedoch Reibung und das Anlaufmoment Richtwert für das Lagerspiel: 0,05…015% vom Wellendurchmesser Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlagerbuchsen - Ausführungen nach DIN ISO 4379 Abbildungen aus: Hoischen Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlagerbuchsen - Ausführungen nach DIN ISO 4379 Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlagerbuchsen nach DIN 4379 – Abmessungen (Auswahl) Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Lager – Gleitlagerbuchsen - Bauformen Hier: Gabel ist ein Biegeträger! Abbildungen aus: Krause, Grundlagen der Konstruktion für Feinwerk- und Elektrotechniker

Lager – Gleitlagerbuchsen - Kalottenlager Gehäuse Kugelkalotte Federring Für das Einhalten extrem enger Lagerspiele, wie für geräuscharme Lagerungen erforderlich, empfiehlt sich wegen der sonst entstehenden Fluchtungsschwierigkeiten die Verwendung von so genannten Kalottenlager. Diese können sich aufgrund ihrer balligen Außenfläche genau nach der Fluchtlinie der Welle ausrichten. Hier: Gabel ist ein Biegeträger! Abbildungen aus: Krause, Grundlagen der Konstruktion für Feinwerk- und Elektrotechniker

Lager – Gleitlagerbuchsen am Beispiel eines Platinengetriebes Frage: Welche Bauweise für den Aufbau des Gesamtgetriebes ist erkennbar? Hier: Gabel ist ein Biegeträger! Abbildungen aus: Krause, Grundlagen der Konstruktion für Feinwerk- und Elektrotechniker

Lager – Gleitlagerbuchsen am Beispiel eines Platinengetriebes Hier: Gabel ist ein Biegeträger! Abbildungen aus: Krause, Grundlagen der Konstruktion für Feinwerk- und Elektrotechniker

Lager – Gleitlagerbuchsen am Beispiel eines Platinengetriebes Hier: Gabel ist ein Biegeträger!

Literatur Decker-98 Decker.: Maschinenelemente. 14. Auflage München, Wien: Hanser, 1998. Haberhauer-2001 Haberhauber, H., Bodenstein, F.: Maschinenelemente. 11. Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer, 2001. Roloff-03 Roloff/Matek.: Maschinenelemente. 16. Auflage Wiesbaden: Vieweg, 2003. Leyer-66 Maschinenkonstruktionslehre Heft 3 Spezielle Gestaltungslehre 1. Teil Basel, Stuttgart: Birkhäuser 1966 Steinhilper-93 Steinhilper, W., Röper, R.: Maschinen- und Konstruktionselemente. 3. Auflage Berlin, Heidelberg: Springer, 1993.