Kugellager

Kugeln rollen zwischen zwei Ringen und stützen eine drehende Welle. Industrielle Lager brauchen harte, genau geprüfte Oberflächen; ein von Hand gedrehtes Holzmodell zeigt die Bewegung.

Was es ist

Ein Kugellager stützt eine Welle und lässt sie im Gehäuse drehen. Der Innenring sitzt auf der Welle, der Außenring im Gehäuse. Dazwischen laufen Kugeln in kreisförmigen Rillen, den Laufbahnen. Ein Käfig hält Abstand zwischen den Kugeln, begrenzt ihre gegenseitige Berührung und führt sie auf ihrem Umlauf.

Die Tafel zeigt ein modernes Radialkugellager aus Stahl. In einer Maschine bestimmen Kräfte, Drehzahl, Einbau und Umgebung die Lagerwahl. Die Tragzahl ergibt sich aus Geometrie, Stahl und Prüfungen des Herstellers; ein Lager, das zwischen den Fingern leicht läuft, kann für die Aufgabe trotzdem ungeeignet sein.

Wie es funktioniert

Der Schmierfilm ist übertrieben dick dargestellt; die Last läuft über die Kontakte zwischen Kugel und Laufbahnen.

Dreht die Welle den Innenring, drehen sich die Kugeln um sich selbst und wandern zugleich um die Lagerachse. Kleine Kontaktflächen übertragen die Kraft zwischen den Ringen. Der Käfig hält die Abstände ein, die Last tragen Kugeln und Laufbahnen. Die Rillen führen die Kugeln auf ihrer Bahn, und der Einbau sorgt dafür, dass beide Ringe dieselbe Achse haben. Schon eine Delle in der Laufbahn oder eine zu große Kugel stört den gleichmäßigen Lauf.

Wälzen verringert die Reibung gegenüber einer Welle, die im Gleitlager gleitet, ganz verlustfrei läuft das Lager aber nicht. Örtliches Gleiten, Verformungen und der Widerstand des Schmierstoffs kosten Energie; berührende Dichtungen bremsen zusätzlich. Öl oder Fett müssen zum Einsatz passen, und zu viel davon erwärmt das Lager. Schmutz, Schiefstellung und falsches Spiel verschleißen Laufbahnen und Kugeln.

So geht’s

Das Anschauungsmodell wird nur von Hand gedreht und trägt keine Nutzlast.

Für das Modell einen Satz Stahlkugeln mit bekannter Lieferantenreferenz und angegebenem Durchmesser kaufen. Diese Angaben aufbewahren und die Kugeln vermessen, bevor die Holzteile angezeichnet werden. Zwei konzentrische Ringe aus Hartholz drehen und gegenüberliegende, abgerundete Laufbahnen glatt ausarbeiten. Die Konstruktion muss zerlegbar sein, damit sich die Kugeln einsetzen lassen. Die aufklappbaren Seitenplatten im Stillstand über die Kugeln schließen, damit keine herausfallen kann. Ein dünner, durchbrochener Holzkäfig hält Abstand, ohne die Kugeln einzuklemmen oder stark an den Ringen zu schleifen.

Welle und Ringe auf einer gemeinsamen Achse montieren. Zuerst im Stillstand alle Befestigungen und die Kugelrückhaltung prüfen, dann langsam von Hand drehen. Bei jeder klemmenden Stelle anhalten und zur Fehlersuche zerlegen. Ein Tropfen leichtes Öl ist möglich, wenn das Holz es verträgt.

Das Modell niemals motorisch antreiben, in ein Fahrzeug einbauen, zum Heben verwenden oder damit einen Menschen abstützen. Kleine Kugeln können verschluckt werden und bei mangelhafter Rückhaltung herausfliegen. Beim Drehen Werkstück sicher spannen, Schutzbrille tragen und Haare sowie Ärmel sichern. Handschuhe und Messwerkzeuge gehören nicht an ein rotierendes Werkstück. Schleifen und Wärmebehandlung erfordern eine entsprechend ausgerüstete Werkstatt.

Die industrielle Fertigung ist eine längere Kette. Die Ringe mit ihren Rillen werden auf der Drehmaschine vorbearbeitet. Kugelrohlinge werden geformt, passend zur Stahlsorte wärmebehandelt, geschliffen und geläppt. Maße, Rundheit, Koaxialität und Oberflächen werden kontrolliert, die Kugeln nach Größe sortiert; dann folgen Zusammenbau, Schmierung und Spielprüfung. Der Handversuch zeigt nur, dass das Modell ohne Klemmen und ohne Kugelverlust läuft. Zulässige Drehzahl, Ermüdungslebensdauer oder Tragzahl ergeben sich daraus nicht.

Geschichte und Entwicklung

Ungleich große Kugeln neben den gleich großen, runden Kugeln, die Fischers Schleifmaschine in Mengen lieferte.

Philip Vaughan ließ 1794 Kugellager für Wagenachsen patentieren; ihre gusseisernen Kugeln wurden von Hand nachgearbeitet. Friedrich Fischer eröffnete 1872 in Schweinfurt eine Werkstatt für Nähmaschinen und Fahrräder und kaufte englische Kugeln, die teuer und ungleich groß waren. 1883 baute er eine Kugelschleifmaschine, die gleich große, runde Kugeln in Mengen lieferte. Über ihren Werkstoff sind sich die Quellen uneins: Schaeffler nennt gehärteten Guss, die bei Gale erschienene Firmengeschichte gehärteten Stahl. Das Patent seiner verbesserten Maschine folgte 1890.

Der Fahrradbau steigerte die Nachfrage nach gleichmäßigen Kugeln, Automobile und Maschinen erweiterten später den Absatz. Heute entstehen viele Kugeln aus kurzen Drahtabschnitten, die zu Rohlingen gepresst und dann geschliffen und geläppt werden. Rollen, Nadeln und Keramikkugeln dienen besonderen Zwecken. Lebensdauer und ruhiger Lauf hängen weiterhin vom Einbau, vom passenden Schmierstoff und vom Schutz vor Schmutz ab.