Technischer Leitfaden zur Lagerauswahl für Rotationswellen und Torsionswellen

Wellen gehören zu den zentralen Elementen nahezu jeder Maschine. Damit diese rotierenden und torsionsbelasteten Bauteile ihre Funktion zuverlässig erfüllen können, müssen die Lager, die diese Wellen führen, perfekt auf die jeweilige Anwendung und Einbausituation abgestimmt sein. Die Auswahl eines geeigneten Wellenlagers (Rotationslagers) hat daher einen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer und Energieeffizienz einer Maschine sowie deren Geräuschentwicklung und Wartungsaufwand.

Doch welche Lagerart ist die richtige für eine bestimmte Welle?

Dieser Leitfaden zeigt wie man auf Basis technischer Kriterien und praktischer Rahmenbedingungen die optimale Lagerlösung für Rotations- und Torsionswellen auswählt.

Aufgabe und Bedeutung von Wellenlagern

Wellenlager ermöglichen eine Lagerung (bewegliche Verbindung) zwischen zwei relativ zueinander bewegten Elementen wie zum Beispiel einer Welle und einem Gehäuse. Sie stützen die Welle, halten sie in Position und ermöglichen die Rotation der Welle um die eigene Längsachse. Die unterschiedlichen Bauformen unterscheiden sich nicht nur durch unterschiedliche Einschränkung der einzelnen Freiheitsgrade (Spiel, axial, radial, angular), sondern auch durch ihr Laufverhalten, ihre Präzision und ihre Belastbarkeit.

Je nach Einbausituation müssen von den Wellenlagern Radialkräfte, Axialkräfte oder eine Kombination aus beiden aufgenommen werden. Doch auch die Positioniergenauigkeit, Reibungsverluste und Wärmeentwicklung sowie Lebensdauer oder Schwingungsverhalten des Gesamtsystems werden von den eingesetzten Wellenlagerungen beeinflusst.

Das Problem:

Häufig stehen Ingenieure bei der Konstruktion vor der Situation, dass die Welle bereits vorgegeben ist. Funktion, Durchmesser und Werkstoff der Welle sind schon festgelegt und das Lager muss sich an die Welle anpassen. Der Innendurchmesser des Lagers ergibt sich in solchen Fällen direkt aus dem Wellenmaß, während andere Parameter wie Baugröße, Bauform, Toleranz, Abdichtung und Schmierung und Werkstoff gezielt gewählt werden können.

Welche Einflussgrößen gilt es zu beachten?

Die Wahl des Wellenlagers beginnt mit der Analyse der Anwendung und der Ermittlung der zu erfüllenden Anforderungen. Aus diesen Anforderungen ergibt sich, ob Radial-, Axial- oder Schräglager erforderlich sind.

Zu berücksichtigen sind insbesondere:

Kräfte und Kraftrichtungen am Wellenlager
Kraft Wirkrichtung Typische Ursache Detailbild
Radialkräfte Radial / senkrecht zur Wellenachse Riemenspannung,
Gewichtskraft,
Unwucht
Axialkräfte Axial / parallel zur Wellenachse Druckbelastungen in Achsrichtung, Schrägverzahnungen
Kombinierte
Kräfte
Senkrecht und parallel zur Wellenachse Liegt in der Praxis fast immer vor
Vereinfachte Darstellung

Drehzahl, Belastung und Lastwechsel

Hohe Drehzahlen erfordern Wellenlager mit geringer Reibung. Durch ihre geringe Kontaktfläche zwischen Lagerring und Rollkörper bieten sich hier Wälzlager an.
Hohe Lasten, wie sie bei Pressen oder Getrieben auftreten, sprechen für Rollenlager oder Nadellager da einwirkende Kräfte auf deren linienförmige Belastungsfläche besser verteilt werden können.

Kontaktfläche der Wellenlager
Lagerart Kontaktfläche
(vereinfacht)
Typische
Drehzahl
Tragfähigkeit
Kugellager Hoch Gering bis mittel
Rollenlager Mittel Hoch
Nadellager Mittel Sehr Hoch
Gleitlager Drehzahl und Last sind abhängig von Werkstoff und Reibung. Der PV-Wert gibt eine Aussage zur kombinatorischen Eignung des Druck-Drehzahl Verhältnisses.

Ist bei der Anwendung mit Wechselbelastung oder Stoßlasten zu rechnen, müssen auch die Wellenlager darauf ausgelegt sein. Kegelrollenlager oder Schrägkugellager mit hoher innerer Stabilität sind hier oft vorteilhaft. Diese können über ihre Einstellbarkeit mit Spiel oder mit Vorspannung betrieben werden.
Bei hochfrequenten Lastwechseln (Vibrationen) ist zudem die Ermüdungsfestigkeit (Werkstoff) entscheidend.

Ausführliche Informationen zu Eigenschaften und Unterschieden von Gleit- und Wälzlagern finden sie in unseren Beiträgen Gleitlager in der Praxis und Unterschiede zwischen Kugellager und Gleitlager.

Betriebstemperatur

Nicht zu verachten ist die Auswirkung der Betriebstemperatur auf die Schmier- und Laufeigenschaften der Wellenlager. Bei Temperaturen über 70 °C änder sich bei vielen Schmiermitteln das Schmierverhalten und die Werkstoffeigenschaften des Schmiermittels. Sind höhere Betriebstemperaturen zu erwarten können Hochtemperaturfette hier eine Lösung sein.

Ebenso muss der Werkstoff des Lagers (Kunststoff, Stahl, Keramik) und seine Temperaturbeständigkeit betrachtet werden.

Einbauverhältnisse, Platzbedarf und Einbindung in die Konstruktion

Auch die Möglichkeiten der Integration der Wellenlager innerhalb der Maschine sollte betrachtet werden. Spielt bei kompakten Systemen vor allem die axiale Bauhöhe und Baubreite der Wellenlager eine Rolle, ist ein guter Zugang zu den eingebauten Wellenlagern nicht zu unterschätzen da er starken Einfluss auf die späteren Wartungsmöglichkeiten und Wartungskosten hat. Die unterschiedlichen Montagearten als Gehäuselager: Stehlager, Flanschlager oder integrierte Lagerlösungen bieten hier unterschiedliche Möglichkeiten. Während fertige Gehäuseeinheiten wie Stehlager oder Flanschlager eine einfache Integration ermöglichen, kann bei individuellen Konstruktionen das Lager direkt in das Bauteil integriert werden.

Die Passungsauswahl

In unserem Beispiel wurde die Welle und damit der Nenndurchmesser bereits ausgewählt. Der Nenndurchmesser des Lagerinnenrings steht damit fest. Für Lagerinnenringe und Lageraußenringe gibt es Toleranztabellen.

Für die Integration müssen 4 Toleranzfeldlagen betrachtet werden:

  1. Toleranzfeldlage der Welle
  2. Toleranzfeldlage des Lagerinnenrings
  3. Toleranzfeldlage des Lageraußenrings
  4. Toleranzfeldlage der Bohrung im Gehäuse

Am Markt übliche Toleranzfeldlagen für Wellen sind g6, h6, h7.

Eine typische Toleranzklasse für die Gehäusebohrung ist H7, woraus in Kombination mit der Außenringtoleranz eine Spielpassung resultiert. Der Vorteil dieser Passung ist eine einfache Montage. Wenn es erfordlich ist den Lageraußenring zu fixieren ist ein anerober Klebstoff empfehlenswert.

Die Toleranzfeldlagen für Lageraußen- und Lagerinnenringe von Radiallagern sind nach JIS oder ISO definiert. Hier werden die Genauigkeitsklassen festgelegt (z.B. P0).

Toleranzklassen für äußere Dimensionen des Lagers werden typischerweise in P-Klassen (precission-classes) angegeben. Die Toleranzklasse für inneres Spiel wird typischerweise als C-Klassen (clearance-class) angegeben,

Aus der gewählten Paarung der Passung zwischen Welle und Lager sowie Lager und Gehäuse ergibt sich im Zusammenhang mit allen tatsächlichen Toleranzen das Lagergesamtspiel.

Weitere Informationen finden Sie in unseren Beiträgen: Grundlagen von Maßtoleranzen und der Passungsauswahl und Passungsarten und Toleranzen - Ein Überblick.

(1) 0.6mm gehört zu dieser Klasse.
Vdp : Ungleichheit des Innendurchmessers in der Ebene
Vdmp : Mittlere Ungleichheit des Innendurchmessers in der Ebene
Kia : Radialabweichung des Innenrings
VBs : Ungleichheit der Innenringbreite
𝚫 dmp : Toleranz des mittleren Innendurchmessers in der Ebene
𝚫 Bs : Abweichung der einzelnen Innenringbreite vom Nennmaß
Toleranzen bei Radiallagern (Klasse 0) - Innenring   (Einheit: μm)  - Auszug aus JIS B 1514
d
Nenn-
durchmesser

Innenring
in mm
dmp Durchmesserreihe Vdmp Kia Ein Lager Mehrere Lager V Bs
9 0, 1 2, 3, 4 Bs Bs
Vdp
Von Bis Von Bis Max. Max. Max. Von Bis Von Bis Max.
0.6(1)2.50-810866100-4012
2.5100-810866100-1200-25015
10180-810866100-1200-25020
18300-10131088130-1200-25020
30500-12151299150-1200-25020
50800-1519191111200-1500-38025
801200-2025251515250-2000-38025
1201800-2531311919300-2500-50030
1802500-3038382323400-3000-50030
2503150-3544442626500-3500-50035
3154000-4050503030600-4000-63040
4005000-4556563434650-45050
5006300-5063633838700-50060
6308000-75800-75070
80010000-100900-100080
100012500-1251000-1250100
125016000-1601200-1600120
160020000-2001400-2000140
(3) 2.5mm gehört zu dieser Klasse.
(4) Gilt bei nicht vorhandenem Sicherungsring.
VDp : Ungleichheit des Außendurchmessers in der Ebene
VDmp : Mittlere Ungleichheit des Außendurchmessers in der Ebene
Kea : Radialabweichung des Außenrings
V Cs : Ungleichheit der Außenringbreite
𝚫 Dmp : Toleranz des mittleren Außendurchmessers in der Ebene
𝚫 Cs : Gemessene Außenringtoleranz
Toleranzen bei Radiallagern (Klasse 0) - Außenring   (Einheit: μm)  - Auszug aus JIS B 1514
D
Nenn-
durchmesser

Außenring
in mm
Dmp Offenes Lager Geschlossenes Lager,
Geschütztes Lager
(4)
VDmp
Kea Cs VCs
Durchmesserreihe
9 0, 1 2, 3, 4 2, 3, 4
VDp
Von Bis Von Bis Max. Max. Max. Max. Von Bis Max.
2.5(3)60−8108610615 Abhängig von der Toleranz
Bs zu d
desselben Lagers
Abhängig von der Toleranz
Bs zu d
desselben Lagers
6180−8108610615
18300−9129712715
30500−111411816820
50800−13161310201025
801200−15191911261135
1201500−18232314301440
1501800−25313119381945
1802500−303838232350
2503150−354444262660
3154000−405050303070
4005000−455656343480
5006300−5063633838100
6308000−7594945555120
80010000−1001251257575140
100012500−125160
125016000−160190
160020000−200220
200025000−250250

Axiale Lagersicherung

Bei der Kombination Welle, Lager und Gehäuse sollte eine axiale Verschiebung verhindert werden. Damit sollte bei einer Doppellagerung einer Welle mindestens eine Seite als Festlager ausgeführt werden.

Hierzu gibt es für die 2 Schnittstellen Außenring-Gehäuse und Innenring-Welle verschiedene Möglichkeiten.

Folgende Sicherungselemente bzw. Sicherungsmethoden sind unter anderem verfügbar:

  • formschlüssige Sicherungen wie: Sprengringe, Sicherungsringe, Sicherungsscheibe oder Nutmuttern.
  • kraftschlüssige Sicherungen wie: Krallen-Klemmscheiben, Stellringe oder Klemmringe
  • reibschlüssige Sicherungen wie: Anerobe Klebstoffe oder Presspassung

Weiterführende Informationen finden Sie in unserem Beitrag Elemente zur axialen Lagersicherung.

 

Neben konstruktiven Aspekten und den Platzverhältnissen sollte aber auch die Abdichtung und der Schutz der Wellenlager betrachtet werden. Staub, Feuchtigkeit und Späne können nicht nur negative Auswirkungen auf das Schmierverhalten und die Laufeigenschaften der Wellenlager haben. Sie können im Ernstfall bis zu einem Lagerschaden führen.

Übliche Dichtungstypen für Wälzlager sind:

  • Deckscheiben (Z / ZZ): ein- oder beidseitig, für trockene, saubere Umgebungen
  • Dichtscheiben (RS / 2RS): schützen gegen Feuchtigkeit, Staub und leichte Spritzwasserbelastung
  • Labyrinthdichtungen und Deckscheiben: für raue Industrieumgebungen mit starkem Schmutzeintrag

Weiterführende Informationen finden Sie in unserem Beitrag: Kugellager: Dichtscheiben / Deckscheiben.

Anordnung und Kombinationsmöglichkeiten

Unter Berücksichtigung der Wellenform und Wellenabmessung, sowie des zur Verfügung stehenden Bauraums müssen die Wellenlager auch die Anforderung an Genauigkeit und Belastung erfüllen. Die Auswahl, Einbindung und  Anordnung der Lager muss daher gründlich überlegt sein.

Wir stellen Ihnen hier einige Montagebeispiele vor:

Das Rillenkugellager

Montagebeispiel eines Rillenkugellagers
Montagebeispiel eines Rillenkugellagers

 

Rillenkugellager sind für hohe Drehzahlen ausgelegt. Durch die geringen Kontaktflächen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnen von Innen- und Außenring zeichnen sie sich durch niedrige Reibung und eine geringe Wärmeentwicklung aus. Sie können sowohl radiale als auch mäßige axiale Lasten aufnehmen und bieten damit eine zuverlässige Lösung für viele Anwendungen.

Für Anwendungen mit hohen Momentbelastungen, Fluchtungsfehlern oder axialen Verschiebungen sind Rillenkugellager jedoch weniger geeignet.

Das Schrägkugellager

Montagebeispiel eines Schrägkugellagers
Montagebeispiel eines Schrägkugellagers

 

Auch Schrägkugellager sind für hohe Drehzahlen geeignet. Sie können kombinierte Lasten aufnehmen, also gleichzeitig Radial- und Axialkräfte.

Aufgrund ihrer Bauweise sind Schrägkugellager jedoch nur aus einer Richtung axial belastbar. Wird die Axialkraft aus der entgegengesetzten Richtung aufgebracht, verschieben sich die Lagerringe und Wälzkörper, was zum Versagen des Lagers führen kann. Wie bei allen Kugellagern ist die Tragfähigkeit durch die punktförmige Kontaktfläche zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen begrenzt. Soll die Axialkraft in beide Richtungen aufgenommen werden, ist eine paarweise Anordnung erforderlich.

Anordnungsmöglichkeiten für Schrägkugellager

Schrägkugellager bieten eine wirtschaftliche Möglichkeit neben Radialkräften auch Axialkräfte aufzunehmen. Die richtige Anordnung der Lager ist dafür entscheidend.

Bei einer O-Anordnung (1) oder X-Anordnung (2) können sich die Lager gegenseitig stützen.

Eine parallele Anordnung
(3 =Tandemanordnung) kann dafür deutlich höhere Axialkräfte in eine Richtung aufnehmen, bietet aber keinen Stützeffekt in entgegengesetzter Richtung.

Anornungsmöglichkeiten: 1= O-Anordnung, 2= X-Anordnung, 3= Tandemanordnung
1= O-Anordnung, 2= X-Anordnung, 3= Tandemanordnung

Das Pendelkugellager

Montagebeispiel eines Pendelkugellagers
Montagebeispiel eines Pendelkugellagers

 

Pendelkugellager bestehen aus zwei Reihen von Kugeln, die zwischen einem Innen- und einem Außenring angeordnet sind. Durch ihre spezielle Bauweise können sich die Wälzkörper leicht in axialer Richtung bewegen, sodass sich das Lager bei Fluchtungsfehlern innerhalb eines bestimmten Bereichs selbst „einpendeln“ kann.

Innerhalb eines begrenzten Bereiches können angulare Fehlstellungen (Winkelfehlstellungen) ausgeglichen werden. Gleiches gilt für Spannlager mit balligem Außenring.

Die Laufbahn des Außenrings bildet eine gewölbte Fläche, deren Kurvenmitte auch die Lagermitte ist. Innenring, Kugeln, und Käfig können frei um das Kugellagerzentrum drehen und sich selbst ausrichten. Pendelkugellager sind gut für die Verwendung bei Antriebswellen mit Neigung zum Durchbiegen geeignet. Eignen sich aber auch in Situationen, in denen die Ausrichtung von Welle und Gehäuse schwierig ist.

Beispiel für den Einsatz eines Pendelkugellagers ( 1 = Welle)
Beispiel: Einsatzmöglichkeit eines Pendelkugellagers ( 1 = Welle)

Das Axialkugellager

Montagebeispiel eines Axialkugellagers
Montagebeispiel eines Axialkugellagers
 
Axial- Rillenkugellager – häufig auch einfach als Axiallager bezeichnet – werden eingesetzt, um auf eine Welle wirkende Axialkräfte aufzunehmen. In geringem Maße können sie auch radiale Kräfte übertragen.
Axialkugellager ermöglichen eine reibungsarme Drehbewegung der Welle bei gleichzeitig hoher axialer Stabilität und Präzision.

Fertige Wellenlagergehäuse

Wellenlagergehäuse bieten die Möglichkeit eine fertige Wälzlagerpositionierung und Ausrichtung vehältnismäßig einfach in ein bestehendes System einzubinden. Meist sind die Wellenlagergehäuse bereits herstellerseitig vorgeschmiert und abgedichtet. Zusätzlich reduzieren sie durch die Bereitstellung als fertige Baugruppe den Konstruktionsaufwand und die Ersatzteilbeschaffung.

Im Beispiel eine Kombination aus 2 Schrägkugellagern und einem Rillenkugellager.

①  Schräglager-Kombination (Festlager, O-Anordnung)
②  Rillenkugellager (Loslager)
③  Gehäusekorpus
④  Abstandhalter*
⑤  Abdeckung

⑥  Abdeckung
⑦  Hülse für Innenring
⑧  Schraube

(* bei abgesetzter Welle nicht notwendig)

Das Gleitlager als Alternative zum Wälzlager

Im Gegensatz zu Wälzlagern arbeiten Gleitlager nicht mit Wälzkörpern, sondern mit dem Prinzip des Gleitens auf einem Schmierfilm. Gleitlager sind wartungsarm und kostengünstig, aber meist verschleißanfälliger als Wälzlager. Bei sehr hohen Radialbelastungen, starken Stößen oder langsamer Bewegung können sie eine sehr gute Alternative zu Wälzlagern sein. Weitere Informationen finden Sie in unserem Beitrag: MISUMI – Unterschiede zwischen Kugellager und Gleitlager.

Zusammenfassung - Vorgehensweise zur Lagerauswahl

  1. Analyse der Wellenfunktion (Drehbewegung, Drehmoment, Belastung)
  2. Bestimmung der Belastungsart (radial, axial oder kombiniert)
  3. Berechnung der Lasten und Drehzahlen
  4. Festlegung der Bauform (Kugel-, Rollen-, Kombi- oder Gleitlager)
  5. Bestimmung von Passung, Schmierung und Dichtung
  6. Überprüfung der Einbauverhältnisse
  7. Simulation / Nachrechnung der Lebensdauer (DIN ISO 281)
  8. Einbindung in das CAD-System

Praxisbeispiele

Beispiel:
Hochgeschwindigkeitsspindel mit Drehzahl von ca. 25 000 min⁻¹ und geringer Belastung.
Mögliche Anwendung:
Schrägkugellager (Paaranordnung) mit Fettfüllung

Beispiel:
Antriebswelle im Getriebe (Kombinierte Last und moderate Drehzahl)
Mögliche Anwendung:
Kegelrollenlager (vorspannbar)

Beispiel:
Förderrollenwelle (niedrige Drehzahl mit hoher Last in Staubumgebung)
Mögliche Anwendung:
Pendelrollenlager mit Labyrinthdichtung

Häufige Fehlerquellen:

  • Falsche Passung: führt zu Spiel oder Pressungsschäden.
  • Ungeeignete Schmierung: Hauptursache für Lagerschäden.
  • Fehlausrichtung: erhöht Lagerbelastung drastisch.
  • Überlastung: reduziert Lebensdauer exponentiell.
  • Mangeldichtung: führt zu Korrosion und frühzeitigem Ausfall.
Lagerart Beispiel Typische Eigenschaften Schnitt
Kugellager Rillenkugellager
(z.B. nach DIN 625)
• Universell einsetzbar
• Hohe Drehzahlen möglich
• Geringe Geräuschentwicklung
• Radiale und moderate axiale Kräfte in beide Richtungen
Schrägkugellager
(z.B. nach DIN 628)
• Für kombinierte Belastungen (radial + axial)
• Axialkraftaufnahme in eine Richtung (beidseitig bei X- oder O-Anordnung)
Vierpunktlager • Sonderform des Schrägkugellagers
• Axiale Kräfte in beide Richtungen, radial nur begrenzt belastbar
• Ideal bei hoher Präzision und begrenztem Bauraum
Pendelkugellager
(z.B. nach DIN 630)
• Kompensiert Fluchtungsfehler
• Gut geeignet bei Gehäuseverformungen oder Wellendurchbiegung
• Mittelhohe Drehzahl und Belastung
Axialrillenkugellager
(z.B. nach DIN 711)
• Nur axiale Kräfte aufnehmbar
• Häufig in Kombination mit Radiallagern eingesetzt
Rollenlager Zylinderrollenlager
(z.B. nach DIN 5412)
• Sehr hohe radiale Tragfähigkeit
• Geringe axiale Aufnahme (nur speziellen Bauformen)
Kegelrollenlager
(z.B. nach DIN 720)
• Aufnahme kombinierter Kräfte
• Präzise Einstellbarkeit des Lagerspiels
• Häufig in Fahrzeugachsen und Getrieben
Pendelrollenlager
(z.B. nach DIN 635)
• Selbstjustierend bei Fluchtungsfehlern
• Sehr hohe Tragzahlen
• Besonders geeignet bei stoßartigen Belastungen
Kreuzrollenlager • Kreuzweise angeordnete Zylinderrollen
• Hohe Steifigkeit und Präzision bei kompaktem Aufbau
• Ideal für Roboterachsen oder Drehtische
Axialrollenlager,
Axialnadellager
• Reine Axialkraftaufnahme, sehr tragfähig
• Verwendung in Pressen, Förderanlagen oder Werkzeugmaschinen

Scheibenarten:
GS = Montage auf Gehäuseseite
WS = Montage auf Wellenseite
LS = Mittellage bei doppelter Käfiganordnung oder keine unterschiedliche Phasenanordnung notwendig ist.
Nadellager • Schlanke Bauform bei hoher Tragfähigkeit
• Ideal bei begrenztem Bauraum
• Empfindlich gegenüber Schiefstellung
• Häufig in Getrieben und Gelenkwellen
Kombilager Kombination aus Kugel und Rollenlager
(NKX-Lager)
• Vereint die Vorteile der verwendeten Lagertypen in einem Lager

Konfigurieren Sie Ihre Bauteile

Mit dem MISUMI-Konfigurator können Sie Wellen und andere Bauteile frei konfigurieren.

Wählen Sie die Art der Bauteile und stellen Sie die gewünschten Spezifikationen und Merkmale ein.

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