Lagerschäden verstehen – Ursachen, Schadensbild und Vorbeugung

Wälzlager sind robuste und zuverlässige Komponenten im Maschinenbau und Sondermaschinenbau. Unter bestimmten Bedingungen können dennoch Lagerschäden an diesen weit verbreiteten Maschinenelementen auftreten, die sich meist durch ein ungewöhnliches Verhalten beim Betrieb äußern. Im schlimmsten Fall können Lagerschäden zu einem vollständigen Funktionsausfall der Wälzlager führen, wodurch unerwünschte Stillstände auftreten. Daher ist es wichtig, erste Anzeichen von Wälzlagerschäden frühzeitig zu erkennen und deren Ursachen zu beheben. In diesem Artikel gehen wir auf die Symptome von Lagerschäden, deren Ursachen sowie typische Schadensbilder ein.

Wie entstehen Lagerschäden?

Lagerschäden können vielfältige Ursachen haben, die zum Teil auf Verschleiß und eine fehlerhafte Montage zurückzuführen sind. Häufiger entstehen Lagerschäden jedoch durch eine unsachgemäße Auslegung während der Konstruktionsphase, die zu einer Überlastung des Lagers führen kann. Neben fehlerhafter Montage und Überlastung sind Verschmutzung und unzureichende oder gar fehlende Schmierung typische Gründe dafür, dass Lager ausfallen.

In jedem Fall sind bei Lagerschäden tiefergehende Prüfungen der Ursachen notwendig, um die Langlebigkeit und Sicherheit der Anwendung zu gewährleisten. Hierbei sollten die beschädigten Lager nicht vollkommen isoliert betrachtet werden. Umgebende Bauteile können gegebenenfalls von dem gestörten Betriebsverhalten des Lagers in Mitleidenschaft gezogen werden oder unter Umständen sogar als Ursache für den Lagerschaden infrage kommen.

An welchen Symptomen lässt sich ein Lagerschaden erkennen?

Ein Lagerschaden ist in der Regel daran zu erkennen, dass sich das Betriebsverhalten allmählich verändert. Je nach Betriebsumgebung und Anwendung machen sich Lagerschäden in Form unterschiedlicher Symptome bemerkbar.

Sehr häufig lässt sich ein Lagerschaden an außergewöhnlichen Laufgeräuschen erkennen. Pfeifende, heulende oder ungleichmäßige Geräusche sind ein eindeutiges Indiz für Beschädigungen. Häufig werden Lagergeräusche von einer unzureichenden oder einer ungeeigneten Schmierung verursacht. Aber auch eine übermäßige Belastung sowie Fehler beim Einbau des Lagers können ein Grund für das Entstehen von Lagergeräuschen sein.

Sofern die Lager von außen zugänglich bzw. einsehbar sind, können Schäden auch an einem unruhigen Lauf der Lager erkannt werden. Ein unruhiger oder ungenauer Lauf kann durch Erschütterungen, Schwingungen aber auch durch Verschmutzungen hervorgerufen werden. Ein weiteres Symptom für Lagerschäden sind überhöhte Temperaturen. Überhöhte Temperaturen am Lager lassen sich in der Regel auf eine erhöhte Reibung zurückführen. Aber auch eine zu niedrige oder zu hohe Schmiermittelmenge, Überlastungen oder Einbaufehler können ebenfalls die Lagertemperatur erhöhen.

Grundsätzlich sollten Lager im Rahmen regelmäßiger Inspektionen auf diese Anzeichen hin untersucht werden, um Wälzlagerschäden zu vermeiden und einem dadurch bedingten Stillstand der Anwendung frühzeitig entgegenzuwirken.

Welche typischen Schadensbilder gibt es?

Jede Art von Schaden weist ihre eigenen charakteristischen Merkmale und Schadensbilder auf. Anhand der Schadensbilder können Rückschlüsse auf die Ursachen des Defekts gezogen und angemessene Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Typische Lagerschäden sind zum Beispiel Verschleiß, Korrosion, Eindrückungen, Anschmierungen und Stromdurchgang. Beschädigte oder ausgefallene Lager weisen dabei häufig eine Kombination aus unterschiedlichen Schäden auf.

Nachfolgend werden einige der häufigsten Schadensbilder, deren Merkmale und möglichen Ursachen näher betrachtet und mit Beispielen unterlegt.

Lagerschäden aufgrund von Verschleiß

Zu Verschleiß zählen solche Oberflächenschäden, die unter anderem durch Gleitreibung an den Wälzkörpern, Laufbahnflächen oder Stirnflächen verursacht werden. Bei Wälzlagern tritt unter gewöhnlichen Umständen kaum ein bemerkenswerter Verschleiß auf. Jedoch kann Verschleiß auftreten, wenn das Lager mit Fremdpartikeln in Kontakt kommt oder die Schmierung nicht ausreichend ist. Zudem können auch Vibrationen an stillstehenden Lagern zu Verschleiß führen.

Kleine Partikel wie Metallabrieb können Verschleiß an den Laufbahnen, Wälzkörpern und dem Käfig des Lagers verursachen, wodurch wiederum die Oberflächen matt werden. Die Körnung und die Art der Partikel bestimmen dabei den Grad der Mattierung. So kann zum Beispiel eine grünliche Verfärbung des Lagerschmierfettes auf einen Abrieb am Messingkäfig hindeuten. Weitere Zeichen des Verschleißes können kleine Eindrückungen auf den Laufbahnen sein. Ursachen dafür sind unter anderem mangelnde Sauberkeit beim Einbau, ineffektive Dichtungen oder verunreinigte Schmierstoffe.

Wenn zu wenig Schmierstoff vorhanden ist oder dieser seine Schmierfähigkeit verliert, bildet sich kein ausreichend tragfähiger Schmierfilm. Dies führt zu direktem metallischem Kontakt zwischen den Wälzkörpern und Laufbahnen. Bei vollständigem Verbrauch des Schmierstoffs steigt die Temperatur deutlich an. Dadurch verliert der gehärtete Wälzlagerstahl seine Härte und die Oberflächen verfärben sich. In extremen Fällen kann die Temperatur so hoch ansteigen, dass das Lager blockiert. Fehlt der Schmierfilm und kommt es dadurch zu einem direkten metallischen Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen, können Schwingungen kleine Bewegungen zwischen Wälzkörpern und Laufringen verursachen. Dies kann wiederum dazu führen, dass kleine Partikel von den Oberflächen abbrechen. Mit der Zeit entstehen dadurch Vertiefungen, in denen aufgrund der Oxidation der abgelösten Partikel häufig Rost entsteht.

Lagerschäden durch Eindrückungen in Laufflächen

Eindrückungen bzw. Vertiefungen in den Oberflächen von Lagern treten auf, wenn hohe Belastungen auf ein stillstehendes Lager wirken oder Fremdkörper in das Lager eindringen. Aber auch eine Überbelastung durch unsachgemäßen Einbau können Eindrückungen verursachen.

Dringen Fremdpartikel in das Lager und werden diese von den Wälzkörpern in die Laufbahnen eingewalzt, können so Eindrückungen entstehen. Fremdkörper und andere Schmutzpartikel können durch eine ungenügende Erstreinigung oder mangelnde Reinigung nach Arbeitsvorgängen im Lager zurückbleiben. Stehen Lager unter Belastung und Schwingung für längere Zeit still, können sich sogenannte Stillstandsmarkierungen bilden. Typisch für Stillstandsmarkierungen sind die gleichförmig über die Lauffläche verteilten Eindrücke im Abstand der Wälzkörper. Spitzenbelastung durch Stöße oder statische Überlastung können ebenfalls zu Vertiefungen in Laufflächen führen, die sich ebenfalls durch Eindrücke im Abstand der Wälzkörper äußern. Die Schadensbilder resultieren oftmals aus übermäßiger Krafteinwirkung auf einen der Laufringe bei der Montage und Demontage.

Da nach dem Entstehen von Eindrücken durch Fremdkörper die Konturen des Eindrucks bei jedem erneuten Überrollen stark belastet werden, kann es zu sogenannten Ausbrüchen kommen. Diese können sich V-förmig in Rollrichtung über die gesamte Lagerfläche hinweg ausbreiten. Je stärker die Abgrenzung der Eindruckskontur (z.B. bei harten Mineralien) und je höher die Belastung, desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit für weitere Ausbrüche und ein Lagerversagen.

Lagerschäden durch Korrosion

Korrosion zählt zu den schwerwiegendsten Schäden von Lagern. Sie tritt in Betriebsbedingungen auf, in denen Feuchtigkeit oder aggressive Medien in Kontakt mit dem Lager kommen und der Schmierstoff die Lageroberflächen nicht mehr schützen kann.

Korrosion durch Feuchtigkeit (Rost) bildet sich ungleichmäßig verteilt über das Lager hinweg in Form von braun verfärbten Rostnarben. Bei längerem Stillstand sind oftmals auch rostige Defekte im Abstand der Wälzkörper vorzufinden. Korrosionsschäden durch Feuchtigkeit entstehen bei unsachgemäßer Lagerung, Kondensierung durch Temperaturschwankungen, aber auch durch eine unzureichende Abdichtung sowie durch defekte Deckscheiben.

Neben Feuchtigkeit können auch aggressive Medien Korrosionsschäden an Lagern verursachen. Deshalb ist es wichtig, bei der Auslegung die im Kontakt mit dem Lager stehenden Betriebsstoffe zu berücksichtigen und eine Reinigung bzw. Wartung nur mit den zugelassenen Reinigungsmitteln auszuführen. Die Defekte unterscheiden sich meist in ihrer Farbe und werden bedingt durch Dichtungsfehler oder durch Kontakt mit aggressiven Chemikalien oder unpassenden Schmierstoffen.

Weitere Arten von Lagerschäden

Bei Wälzlagern in stromführenden Umgebungen (z.B. bei Elektromotoren oder beim Schweißen) können Stromdurchgänge durch das Lager zu thermischen Materialschäden führen. Solche Schadensbilder sind in der Regel als Krater oder Riffelungen am Lager ausgebildet und entstehen an den Kontaktstellen der Wälzpartner. Diese Form von Lagerschäden kann sich auf die gesamte Lageroberfläche erstrecken.

Lagerschäden aufgrund unsachgemäßer Schmierung sind ein weit verbreitetes Problem, das die Leistung und Lebensdauer der Lager erheblich beeinträchtigen kann. Zu viel Schmiermittel kann genauso schädlich sein wie zu wenig. Überfüllung führt zu erhöhtem Widerstand im Lager, was wiederum eine übermäßige Wärmeentwicklung zur Folge hat. Diese Hitze kann die Schmierfähigkeit des Schmiermittels beeinträchtigen und zu einer Verschlechterung der Lagerkomponenten führen. Im Gegensatz dazu führt ein Mangel an Schmiermittel zu erhöhter Reibung zwischen den beweglichen Teilen des Lagers. Dies resultiert in übermäßigem Verschleiß, erhöhter Wärmeentwicklung und letztendlich in vorzeitigem Lagerausfall. Wasser, Staub und andere Fremdstoffe können die Schmiermittel kontaminieren und deren Schmierfähigkeit reduzieren. Darüber hinaus verlieren Schmiermittel mit der Zeit ihre Effektivität. Alte Schmierstoffe können ihre Schmiereigenschaften verlieren, was zu erhöhtem Verschleiß und Lagerausfall führen kann.

Verspannungen in der Einbaulage wirken sich insofern auf die Lauffläche aus, als dass eine ungleichförmige Abnutzung ersichtlich wird. Dabei ist entscheidend, welche Art der Verspannung vorliegt. Radialverspannungen an einem Kugellager, wie zum Beispiel ein zu eng dimensionierter Lagerspalt, können sich dadurch äußern, dass auf beiden Ringen des Lagers umlaufende Spuren sichtbar sind. Schadensbilder an Kugellagern durch Ovalverspannungen hingegen sind an einer höheren Abnutzung von gegenüberliegenden Laufflächen zu erkennen, während die dazwischenliegenden Anteile eine deutlich geringere Abnutzung aufweisen. Ein Beispiel dafür wäre ein durch radiale Quetschbelastungen verspannter Außenring. Die Ursachen für Verspannungen sind oftmals in der Deformation von Lagern oder umliegenden Komponenten zu finden. Auch kann eine ungeeignete Auswahl eines Lagers im Hinblick auf die einwirkenden Kräfte der Anwendung Ursache für die Verspannung sein.

Wie kann man Lagerschäden vorbeugen?

Im Allgemeinen erreichen sorgfältig ausgewählte Wälzlager ihre erwartete Lebensspanne. Dennoch führen oft vermeidbare Fehler zu einer vorzeitigen Abnutzung dieser Lager. Diese frühzeitigen Defekte resultieren meistens nicht aus Materialermüdung, sondern sind auf eine Reihe von Fehlern zurückzuführen:

• fehlerhafte Montage
• fehlerhafte Handhabung
• unzureichende Schmierung
• das Eindringen von Fremdkörpern
• übermäßige Hitzeentwicklung.

Um effektive Maßnahmen gegen solche Ausfälle zu ergreifen, ist eine gründliche Untersuchung der Schadensbilder, der Ausfallart und der potenziellen Ursachen erforderlich. Dies erfordert genaue Kenntnisse über alle relevanten Bedingungen, die vor und nach dem Ausfall bestanden haben, einschließlich der spezifischen Anwendung, der Betriebsbedingungen und der Umgebung. Mit der Implementierung erfolgreicher Gegenmaßnahmen können ähnliche Probleme in Zukunft größtenteils verhindert werden.

Potenzielle Risiken für die Beschädigung und den Ausfall von Lagern sollten daher bereits bei der Lagerauswahl und der Bestimmung der Spezifikationen berücksichtigt werden. Beispielsweise sind lebensdauergeschmierte Lager im Zweifelsfall gegenüber nachzuschmierenden Lagern zu bevorzugen. Außerdem sollten das Material und das Schmiermittel des Lagers der Tragzahl, den statischen und dynamischen Belastungen, den erwarteten Temperaturen und den im Kontakt mit dem Lager befindlichen Umgebungsmedien entsprechen.

MISUMI bietet Ihnen eine umfangreiche Auswahl an hochwertigen, individuell konfigurierbaren Wälzlagern an. Außerdem sollten immer die Vorgaben des Lager-Herstellers sowie des Schmierstoff-Lieferanten eingehalten werden. Mithilfe einer fachgerechten Montage und regelmäßiger Inspektion und Wartung sorgen Sie bei Wälzlagern für eine lange Lebensdauer und ein hohes Maß an Sicherheit in Ihrer Anwendung.

Im modernen Produktionsmanagement kann die Überwachung von Lagerstellen auch durch Geräuschüberwachung (Mikrofon), Frequenzanalyse oder Schwingungsanalyse erfolgen. Das Funktionsprinzip beruht auf der Ermittlung überhöhter Schallemissionen bzw. auf der Untersuchung von kugellagerspezifischen Schadfrequenzen, die auf Schäden an den betreffenden Lagern hinweisen. Diese Systeme sind in der Praxis verfügbar und werden direkt in die Produktionssteuerung eingebunden. Es ist aber auch möglich, entsprechende Prüfungen unabhängig von der Produktionssteuerung im Rahmen der Wartung bzw. vorbeugenden Instandhaltung einzusetzen. MISUMI bietet zur Überwachung z.B. folgende Messinstrumente an: Vibrations-Messgerät und Industrie-Stroboskop (beobachtet Schwingungen bei laufendem Betrieb).