Gestapelte Kegelrollenlagereinheiten

Die gestapelte Kegelrollenlagereinheit von Timken ist eine Weiterentwicklung der Tandemanordnung, bei der zusätzliche Lagerreihen zum Einsatz kommen. Sie kann in Situationen eingesetzt werden, in denen klassische Axiallager nicht geeignet sind, zum Beispiel bei höheren Axiallasten und strengen Lagerraumbegrenzungen.

16. März 2018

Schon seit Jahrhunderten folgen die Menschen dem olympischen Motto „Citius, Altius, Fortius” – schneller, höher, stärker –, um sich neuen Herausforderungen zu stellen und mehr und besseres zu erreichen. Konfrontiert mit immer komplexeren Anforderungen und einem äußerst anspruchsvollen wirtschaftlichen Umfeld, weist die industrielle Entwicklung unter essentiellem ökonomischem Druck seit Jahrzehnten die gleiche Tendenz auf.

Übersetzt in die Wälzlagersprache besteht die Herausforderung in der Erzeugung höherer Geschwindigkeiten, höherer Qualität und höherer Belastbarkeit. Extruder-Anwendungen beispielsweise erfordern eine zuverlässige Lagerlösung angesichts hoher Axiallasten bei begrenztem Platz, nämlich kleine Bohrungen und vor allem geringe Lageraußendurchmesser.

Eine Lösung für solche Herausforderungen, die Lagereinheit aus einreihigen Kegelrollenlagern mit Abstandsring in Tandemanordnung, wurde von Timken für genau diese Arten von Anwendungen entwickelt. Ihre Entwicklung basierte zunächst auf Erfahrungen und Erkenntnissen, die aus dem 2TS-TM-Lager  gewonnen wurden. Hierbei handelt es sich um grundlegende Anordnungen für Lagereinheiten mit Zwischenringen, die bereits erfolgreich bei Anwendungen wie hydrostatischen Axialkolbenpumpen und -motoren angewendet werden, bei denen erhebliche Druckbelastungen vorhanden sind.

Die Stapelanordnung der Kegelrollenlagerbaugruppe ist eine Weiterentwicklung der Tandemanordnung, bei der zusätzliche Lagerreihen zum Einsatz kommen. Sie kann in Situationen eingesetzt werden, in denen klassische Axiallager nicht geeignet sind, zum Beispiel bei höheren Axiallasten und strengen Lagerraumbegrenzungen. Die Herausforderung für die Lagereinheit besteht in der gleichmäßigen Verteilung der Axiallast auf die entsprechende Anzahl von Lagerreihen. In einem vereinfachten Ansatz wirken die Zwischenringe wie einfache Federn mit einer charakteristischen Steifigkeit in Axialrichtung, die vom Wert des Elastizitätsmoduls und dem Verhältnis ihrer Schnittfläche zur Länge abhängig ist.

Die Lager und die Federn bilden eine Baugruppe, die eine komplexe Steifigkeit besitzt. Daraus folgt bei Linienberührung in allen Schleifen für Innen- und Außenringabstandsstücke, dass die Last ungleichmäßig auf die Lagerreihen verteilt wird – und die erste und die letzte Lagerreihe am stärksten belastet werden. Wenn die berechnete Lebensdauer die vom Kunden gewünschte Ziellebensdauer überschreitet, kann die Anwendung als angemessen ausgelegt betrachtet und die Berechnung an diesem Punkt beendet werden. Als Bezugsgröße kann die berechnete Lebensdauer des gesamten Lagersystems oder die berechnete Lebensdauer jeder einzelnen Lagerreihe benutzt werden, falls sich der Kunde dafür entscheidet nur das ausgefallene Lager in der Baugruppe zu ersetzen.

Wirksamkeit der gestapelten Kegelrollenlagereinheit berechnen

Für Fälle, in denen die Anwendung jedoch eine längere Lebensdauer erfordert, hat Timken zwei zusätzliche Berechnungen zur Bestimmung der Wirksamkeit der gestapelten Kegelrollenlagereinheit entwickelt:

Die erste Methode, basierend auf identischen Innen- und Außenringsabstandhaltern, löst das Problem der ungleichmäßigen Verteilung der Last auf die gestapelten Reihen durch eine individuelle Axialeinstellung (Axialspiel oder Vorspannung) für jedes von zwei benachbarten Lagern einer Schleife. Dieser Sollwert richtet sich nach der einwirkenden Last, der Anzahl der Lagerreihen, der Schleifenposition und der Steifigkeit des Abstandhalters. Diese Methode wird am häufigsten angewendet, wenn die Axiallast einen eindeutigen Wert hat. Die Vorteile sind Einfachheit und die einheitliche Konstruktion der Abstandhalter. Der einzige Nachteil besteht im Vorhandensein eines Lastzyklus, da die Lager nur auf einen Betriebszustand eingestellt sind. In der Praxis wird dieser Nachteil überwunden, indem die Lageranordnung für den höchsten Lastzustand des Zyklus ausgelegt wird. In diesem Fall wird die größte Last gleichmäßig auf die Reihen verteilt. In anderen Zuständen werden die Reihen ungleich belastet; da die Gesamtlast jedoch kleiner ist, ist die spezifische Last auf jede Reihe meist zulässig.  Die Belastung kann mithilfe der Berechnung der gewichteten Lagerlebensdauer und schließlich durch Auswerten der Kontaktspannung zwischen Rollkörper und Laufbahn geprüft und die Anwendung durch Hinzufügen einer zusätzlichen Lagerreihe optimiert werden.

Das zweite Verfahren besteht in der Berechnung eines Verhältnisses zwischen dem Innen- und dem Außenringabstandhalter innerhalb einer Schleife in Abhängigkeit von der Anzahl der Lagerreihen und der Schleifenposition. Der große Vorteil dieses Verfahrens ist die Unabhängigkeit von der Last oder Einstellung. Die zweite Lösung erfordert jedoch spezifische Abstandhalter für jede Reihe, eine Herausforderung an die Konstruktion, wenn es sich um eine große Anzahl von Lagerreihen handelt. Timken verwendet sein eigenes Berechnungsprogramm Syber für die Validierung der Stapellösung – insbesondere zur Überprüfung der Lastverteilung, die Berechnung der Lebensdauer und die Stressprüfung. Syber ist ein effizientes Werkzeug für die Analyse komplexer Lageranordnungen und -kombinationen. Die in der Anwendungsberechnung tätigen Timken Ingenieure benutzen es täglich bei ihren Analysen und Berechnungen.

Um sich den Bedingungen der Praxis so nahe wie möglich anzunähern, reicht die Bandbreite der Belastbarkeitsberechnungen von einfach bis komplex. Diese Berechnungen können mit einer einfachen Katalogberechnung der Nennwerte der Kegelrollenlageranordnung beginnen (Auswahl eines einzelnen Kegelrollenlagers basierend auf der Lagerbelastung, verfügbarer Geometrie, Berechnung der Reihen und Ziellebensdauer) und reichen bis zu komplexen Syber-Modellierungen einschließlich Welle, Gehäuse, Lagern und allen anderen notwendigen Parametern wie Steifigkeit der Abstandsringe, spezifische Einstellungen, Passung, Temperaturen, Schmierungsdaten usw. Der Anwender erhält alle Einzelheiten der Berechnung für jede Reihe, einschließlich Lastzone, Lebensdauer, Last, Rollkörperkontaktspannung und vieles mehr.

Interesse an gestapelten Kegelrollenlagereinheiten steigt

Die gegenwärtigen Marktentwicklungen auf den Gebieten der Öl- und Gasförderung, der Primärmetalle ebenso wie in der Aggregate- und Mobilindustrie erzeugen ein verstärktes Interesse an gestapelten Kegelrollenlagereinheiten. Diese äußerst vielfältig einsetzbare Lösung repräsentiert einen weiteren wichtigen Schritt in die Zukunft von Wälzlagern und deren Einsatzgebiete.