Elemente zur axialen Lagersicherung

In vielen industriellen und mechanischen Anwendungen sind Lager entscheidende Komponenten, die eine reibungsarme, reproduzierbare Bewegung zwischen zueinander beweglichen Bauteilen, Wellen oder Achsen ermöglichen. Abhängig von ihrem Einbauort und ihrer Funktion müssen diese Lager verschiedene Freiheitsgrade zulassen und dennoch sicher fixiert sein. Neben vielen weiteren Möglichkeiten werden Sicherungselemente wie beispielsweise Sicherungsringe oder Nutmuttern bzw. Wellenmuttern dazu verwendet, um Maschinenteile wie Wälzlager, Bolzen oder Wellen gegen axiales Verschieben zu sichern.

Bedeutung der Lagersicherung

Wellen und Lager können bei Vibrationen, Rotationen oder auch unter Einfluss von Wärmeausdehnung ihre Position verschieben. Dies kann zu unerwünschtem Spiel, übermäßigem Verschleiß oder sogar zu einem vollständigen Maschinenausfall führen. Eine gewissenhafte konstruktive Planung unter Berücksichtigung der notwendigen Bewegungsspielräume ist Voraussetzung für eine effiziente Lagersicherung und trägt so zur Langlebigkeit des gesamten Systems bei. Das unbeabsichtigte Lösen oder Verschieben eines Lagers oder einer Welle in einer Maschine kann neben Maschinenausfällen auch zu schweren Unfällen führen. Lagersicherungen und Wellensicherungen verhindern solche unerwünschten Bewegungen und tragen somit zur Sicherheit von Bedienern und Betriebssicherheit der Maschine bei. Des Weiteren sind in einigen Branchen und Anwendungen bestimmte Vorschriften und Richtlinien zu beachten, welche in der Konsequenz eine Lagersicherung erfordern, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Je nach Einsatz und gefordertem Freiheitsgrad gibt es verschiedene Lagerungen, z.B. Festlager und Loslager. Ein Festlager verhindert die Bewegung eines Bauteils oder einer Struktur in einer bestimmten Richtung, während ein Loslager die freie Bewegung ermöglicht. Das kann bei thermischer Ausdehnung oder anderer Krafteinwirkung von Vorteil sein.

Mehr Informationen zu Lagern und Lageranordnungen finden Sie in unserem Blog über Lagerarten.

Standardisierte Komponenten der Lagersicherung

Im Bereich der Sicherung von Lagern und Wellen gibt es diverse Normteile und konstruktive Lösungen. Im MISUMI-Shop sind unter anderem folgende Lösungen verfügbar:

Nutmutter und Wellenmuttern

Nutmuttern, auch Wellenmuttern genannt, gehören zu den einstellbaren Befestigungs- und Sicherungselementen. Es handelt sich um eine spezielle Art von Sicherungsmuttern, die dafür entwickelt wurden, auf einer Welle, Achse oder Bolzen befindliche Maschinenelemente an ihrem Platz zu halten bzw. gegen ein Bauteil oder Widerlager anzuziehen. Sie benötigen ein Gewinde, auf welches sie aufgeschraubt werden. Je nach Ausführung ist auch der Einsatz einer Spannhülse, eine axial verlaufende Nut, oder andere konstruktive Anpassung an der Welle notwendig.

Nutmuttern werden häufig verwendet, um Bauteile wie Lager, Räder oder Riemenscheiben auf Wellen in Position zu halten und gleichzeitig anpassen zu können.

Konstruktiv sind Nutmuttern durch zwei oder mehrere gleichmäßig auf dem Außendurchmesser verteilte Quernuten gekennzeichnet. Diese Nuten ermöglichen das Festziehen der Nutmutter durch ein geeignetes Festziehwerkzeug wie z.B. Hakenschlüssel oder Steckschlüssel. Häufig haben Wellensicherungsmuttern ein Feingewinde am Innendurchmesser, welches selbstsperrend wirkt. Die Lagesicherung erfolgt in diesem Fall durch Anziehen der Nutmutter gegen das zu sichernde Maschinenelement (z.B. einen auf einem Wellensegment befindlichen Wälzlagerinnenring). Beim Anlegen eines Drehmoments wird die entsprechende Anzugskraft am Innengewinde der Spannmutter gegen das Außengewinde des Bolzens wirksam, auf dem sie aufgeschraubt ist, und der Wälzlagerinnenring wird in seiner Lage fixiert.

Die Einstellbarkeit ist ein großer Vorteil, da sie es ermöglicht, die Position eines Bauteils entlang einer Welle oder Gewindestange anzupassen, ohne die Mutter vollständig entfernen zu müssen. Allerdings besitzen Nutmuttern aufgrund ihres Designs im Vergleich zu anderen Arten von Muttern, wie z.B. Sechskantmuttern, eine geringere Tragfähigkeit. Nutmuttern werden typischerweise aus Stahl oder Edelstahl gefertigt.

Nutmutter mit Sicherungsblech und ggf. Federscheibe

Sicherungsbleche, auch Sicherungsscheiben genannt, werden häufig in Kombination mit Nutmuttern verwendet, wenn die Nutmuttern nicht selbst sichernd sind und daher eine gesonderte Verliersicherung erforderlich ist. Voraussetzung für die Verwendung eines Sicherungsbleches oder einer Sicherungsscheibe als Verliersicherung ist, dass die Welle im Bereich des Gewindes für die Nutmutter eine Keilnut aufweist.

Das Sicherungsblech, das optisch oft an eine Zahnscheibe erinnert, hat am Innenumfang einen "Führungszahn", der von der Keilnut der Welle geführt wird. Diese Führung verhindert ein Verdrehen der Sicherungsscheibe bzw. des Sicherungsbleches. Ist die gewünschte Position der auf die Welle aufgeschraubten Nutmutter erreicht, wird der zur Nutmutter passende Zahn des Sicherungsbleches in die Nut am äußeren Umfang der Nutmutter gebogen und verhindert ein Verdrehen der Nutmutter. Das Sicherungsblech wird plastisch verformt und verhindert durch den Formschluss, dass die Nutmutter sich von der Position auf dem Gewinde lösen kann.

Durch eine ggf. zusätzlich eingesetzte Federscheibe (Wellenfederscheibe) kann eine axiale Vorspannung gewährleistet und gleichzeitig eine evtl. auftretende Dehnung der Welle berücksichtigt werden. Dies ist ein Vorteil gegenüber anderen Befestigungsarten, da durch die Federwirkung bei entsprechender Dimensionierung Schwingungen, Stöße und thermische Maßänderungen ausgeglichen werden können.

Die Vorteile von Nutmuttern mit Sicherungsblech sind:

• Kein selbstständiges Lösen
• Verspannungsfreie Montage durch Formschluss mit Wellennut möglich
• Montage mit definierter Vorspannkraft durch Federscheibe möglich

Nutmuttern mit Gewindestift

In einer weiteren Ausprägung können Nutmuttern axial oder radial angeordnete Gewindestifte oder Madenschrauben besitzen, die zur Sicherung verwendet werden. Diese Verbindungen sind leicht lösbar. Die entsprechenden Nutmuttern sind ohne großen Kraftaufwand in jeder Position zu sperren.

Sperren mittels Kontermutter

Eine weitere Methode ist die Verwendung einer zweiten Nutmutter als Kontermutter, die gegen die erste Nutmutter verspannt wird. Diese Methode findet Anwendung, wenn die Nutmutter nicht gegen ein Widerlager oder einen Wälzlagerinnenring gespannt wird, sondern frei auf dem Bolzen aufgeschraubt ist. Das Sperren mittels Kontermutter ist eine häufig eingesetzte Methode, wenn ein definiertes Spiel zum Widerlager oder ein definiertes Maß auf dem Gewindebolzen eingestellt werden soll.

Sicherungselemente für Wellen

Mit Sicherungsscheiben werden üblicherweise Wellen gegen Herausrutschen aus dem Lagersitz gesichert (Wellensicherung). In der Anwendung werden die Scheiben einfach mit einem geeigneten harten Gegenstand in die Nut der Welle eingeklickt. Die Montage erfolgt in diesen Fällen radial. Das Lösen ist ebenso einfach und kann mit einem Dorn oder Schraubendreher erfolgen, welcher die Scheibe an der Aussparung von der Welle weg hebelt. Andere Ausführungen, sogenannte Greifringe, Klemmscheiben und auch Zackenringe, können axial auf das Ende der Achse geschoben werden. Sie greifen aufgrund ihrer Klemmkraft in den Außendurchmesser der Welle oder in eine Nut ein und sichern so die Scheibe in ihrer Position. Die Sicherungsscheiben bieten eine flache Oberfläche, die den Druck gleichmäßig verteilt und so dazu beiträgt, dass das Lager an der vorgesehenen Position bleibt. Sicherungsscheiben, wie Unterlegscheiben mit Zahnkranz oder Federringen, werden z.B. oft verwendet, um Schrauben und Bolzen sicher an Ort und Stelle zu halten und ein Lösen durch Vibrationen zu verhindern. Sicherungsscheiben können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, einschließlich Federstahl, Edelstahl oder Kunststoffen wie Nylon.

Mehr Informationen zu Sicherungselementen von Wellen finden Sie im Blog über Sicherungsstifte.

Lager-Sicherungsring für Bohrungen und Wellen

Sicherungsringe, auch Seegerringe oder Sprengringe genannt, sind mit Sicherungsscheiben stark verwandt. Es handelt sich um geschlitzte Ringe, die sich aufweiten oder verengen und sich je nach Ausführungsart in eine Nut einer Welle oder Nabe einsetzen lassen. Demzufolge trifft man auch eine Unterscheidung zwischen Bohrungssicherungsringen (Innenringe) und Wellensicherungsringen (Außenringe). Voraussetzung für die Anwendung von Sicherungsringen ist, dass die Nut radial um den gesamten Umfang von Achse oder Bohrung herumläuft, und dass gemäß den technischen Datenblättern ein Übermaß der Nut gegenüber der Dicke des Rings vorliegt. Soll Spiel und Klappern in Achsrichtung gänzlich vermieden werden, werden zusätzliche Federringe oder bogenförmige bzw. federnd vorgespannte Sicherungsringe verwendet, wobei der in der Nut befindliche Sicherungsring über seine Federwirkung kraftschlüssig gegen das zu sichernde Element gedrückt wird. Sicherungsringe werden z.B. vorzugsweise zur Sicherung von Kugellagern und Rollenlagern verwendet, um die Lager in Gehäusen zu fixieren und axiale Bewegungen zu verhindern. Statt Sicherungsringen können auch in einigen Fällen Lagerdeckel verwendet werden.

Sicherungsringe bestehen in der Regel aus Federstahl oder Edelstahl. Federstahl ermöglicht es den Ringen, sich aufgrund seiner Elastizität zu verengen oder zu erweitern und in eine Nut oder einen Sitz einzurasten. Edelstahl wird dagegen häufig gewählt, wenn Korrosionsbeständigkeit erforderlich ist.

Ein Vorteil von Sicherungsringen ist, dass sie kostengünstig sind und sich bei ordnungsgemäßer Entfernung wiederverwenden lassen. Außerdem lassen sie sich in der Regel einfach und ohne komplexe Werkzeuge oder Verfahren installieren. Ein Nachteil ist hier, dass es aufgrund der benötigten Nut zu Kerbwirkung in der Welle kommen kann, die konstruktiv berücksichtigt werden sollte.

Hydraulikmutter

Hydraulikmuttern sind Werkzeuge, welche die Montage und Demontage von Lagern erleichtern. Die Hydraulikmutter wird neben dem zu verspannenden Bauteil auf die Welle aufgeschraubt. Anschließend wird über einen Hydraulikanschluss ein definierter Druck in der Hydraulikmutter aufgebaut. Dadurch wird ein hydraulisch bewegtes Element der Hydraulikmutter gegen das Lager oder die Spannbuchse geschoben. Durch einen definierten Hydraulikdruck kann die Hydraulikmutter so eine definierte Vorspannkraft auf Maschinenelemente, z.B. große Wälzlager, aber auch Schrauben, aufbringen. Dies erleichtert sowohl die Montage der Lager als auch das Einbringen und Fixieren der entsprechenden Sicherungselemente, wie Nutmuttern, Sicherungsscheiben und Sicherungsringe. Ein großer Vorteil bei der Verwendung von Hydraulikmuttern ist die Zeitersparnis bei der Montage und Demontage. Außerdem verringert sich das Risiko von Maschinenschäden, da Hydraulikmuttern reibungsfrei aufgebracht werden können und gleichmäßigen Druck ausüben. Sie finden häufig Einsatz bei der Befestigung schwer zugänglicher Bauteile oder zum Klemmen rotierender Komponenten.

Individuelle Komponenten zur Lagersicherung

Die Lagersicherung wird in der Praxis als eine Kombination aus Normteilen und Anschlägen an Wellen und Bohrungen umgesetzt. Die Fertigung dieser Wellen und Bohrungen kann durch das Tool „meviy“ direkt aus dem CAD-Modell realisiert werden, ohne dass eine Zeichnungsableitung erstellt werden muss.