Gleitlager

Ein Gleitlager trägt eine drehende Welle, indem es sie in einer eng passenden Bohrung gleiten lässt, mit Fett oder Öl zwischen den Flächen. Im Lauf kann die Welle auf einem dünnen Ölfilm schwimmen, ohne das Lager zu berühren. Die ältesten Zeugnisse stammen von Töpfern der Obeid-Zeit in Mesopotamien, deren Drehscheiben sich im 5. Jahrtausend v. Chr. auf einem Pflock drehten.

Was es ist

Ein Gleitlager hält eine Welle an ihrem Platz und lässt sie dabei drehen. Der Teil der Welle, der im Lager läuft, heißt Lagerzapfen. Er dreht sich in einer nur wenig größeren Bohrung, die mit einem gut gleitenden Werkstoff ausgekleidet ist, und Fett oder Öl füllt den schmalen Spalt. Nichts rollt: Die Flächen gleiten einfach aneinander vorbei, darin liegt der Unterschied zum Kugellager.

Gleitlager gibt es überall. Eine Tür, die sich auf einem Zapfen in einer steinernen Pfanne dreht, hat eines, ebenso ein Wagenrad auf seiner geschmierten Achse (Rad) oder die Kurbelwelle eines Motors in ihren Lagern aus Bronze oder Weißmetall.

Bei einem Stehlager des 19. Jahrhunderts, wie es die Wellen von Maschinen und Mühlen trug, ist ein gusseiserner Lagerkörper auf einen Stein geschraubt, und ein Deckel wird von zwei Schrauben darauf gehalten. Dazwischen sitzen zwei Lagerschalenhälften aus Bronze, die mit einem weichen Weißmetall ausgegossen sind, und ein Öler oben versorgt den Zapfen durch eine Bohrung. Weil sich das Lager in Höhe der Wellenmitte öffnen lässt, kann man abgenutzte Schalen ersetzen und den Deckel nachziehen, um den Verschleiß auszugleichen.

Wie es funktioniert

Der drehende Zapfen zieht Öl in den enger werdenden Spalt, wo der Druck so weit steigt, dass er die Welle trägt.

Der Zapfen braucht Platz zum Drehen und einen Spalt für das Schmiermittel. Für Lager mit Weißmetallausguss nennt ein Konstruktionsleitfaden ein Lagerspiel von einem halben bis einem Tausendstel des Durchmessers, und eine verbreitete Werkstattregel nimmt ein Tausendstel: Eine Welle von 50 mm läuft in einer Bohrung, die etwa 0,05 mm größer ist. Bei zu wenig Spiel wird das Lager heiß. Bei zu viel sinkt die Last, die das Öl tragen kann, und die Welle beginnt zu schwingen.

Im Stillstand liegt die Welle unten im Lager und ist von ihm nur durch eine dünne Schicht Schmierstoff getrennt, die an beiden Flächen haftet. Beim Anlaufen reiben die Flächen durch diese Schicht hindurch aneinander. Mit steigender Drehzahl zieht der Zapfen Öl in den Teil des Spalts, der sich zur belasteten Seite hin verengt. Das Öl kann nicht schnell genug entweichen, sein Druck steigt und hebt den Zapfen an, der dann leicht außermittig auf einem dünnen Ölfilm schwimmt. Von da an bleibt als Reibung nur noch der Widerstand des Öls gegen das Scheren.

Der Ausguss ist absichtlich weicher als die Welle. Der Leitfaden eines Lagerherstellers beschreibt Weißmetall, eine weiche Zinnlegierung mit etwas Antimon und Kupfer, als den Teil, der die Schäden anstelle der teureren Welle auffängt: Kleine Schmutzkörner drücken sich hinein, statt den Zapfen zu riefen. Bronze verträgt höhere Temperaturen, nimmt Schmutz aber schlechter auf.

So geht’s

Zwei geteilte Lager aus Hartholz mit einer Stahlstange zeigen, wie Lagerspiel, Schmierung und Nachstellen funktionieren. Die Stange nur von Hand drehen.

Die Klötze herstellen. Für jedes Lager zwei Klötze aus feinporigem Hartholz wie Buche oder Eiche schneiden, etwa 8 cm lang, 5 cm breit und 3 cm dick, und die Flächen, die aufeinanderliegen sollen, plan hobeln, bis sie satt aufliegen. Einen Streifen dünnen Karton als Beilage dazwischenlegen, das Paar fest in einen Schraubstock spannen und entlang der Fuge ein Loch in der Stärke der Stange durchbohren, zum Beispiel 12 mm. Jedes Paar markieren, damit es wieder gleich zusammenkommt.

Den Ölweg anlegen. Im oberen Klotz ein kleines Loch von oben bis in die Bohrung bohren und mit einer Rundfeile eine flache Nut oben entlang der Bohrung feilen. Zwei Löcher durch beide Klötze bohren, je eines neben der Bohrung, für Schrauben, die den Deckel halten.

Zwei geteilte Hartholzlager auf einem Brett tragen eine Stahlstange, die mit einer Holzkurbel gedreht wird.

Zusammenbauen. Die beiden unteren Klötze fluchtend auf ein Brett schrauben, eine glatte Stahlstange hineinlegen und die Deckel mit den Kartonbeilagen aufschrauben. An einem Ende der Stange eine Holzkurbel befestigen.

Den Versuch machen. Die Stange trocken drehen und Kraftaufwand und Wärme nach einer Minute beachten. Dann ein paar Tropfen dünnflüssiges Maschinenöl in jedes Ölloch geben und wieder drehen: Sie läuft leichter und bleibt kühler. Die Beilagen herausnehmen und die Deckel nach und nach anziehen, bis die Stange klemmt, dann lösen, bis sie frei und ohne Klappern läuft. So stellt man ein abgenutztes Lager nach.

Geschichte und Entwicklung

Ein Überblick von EBSCO über die Obeid-Kultur Mesopotamiens beschreibt deren Gefäße als auf einer Drehscheibe gefertigt, deren Platte sich auf einem Pflock drehte, und Alev Erarslan setzt das Aufkommen dieser langsamen Scheibe in die Endphase der Epoche, Obeid 4, die Luca Volpi für das südliche Mesopotamien auf etwa 4800 bis 4400 v. Chr. datiert. Manche Obeid-Keramik, zwischen etwa 5900 und 4600 v. Chr. hergestellt, trägt so gleichmäßige gemalte Bänder, dass Johnny Baldi und Valentine Roux schließen, das Gefäß habe sich unter einer ruhigen Hand auf einem Zapfen gedreht. Sie beschreiben auch eine Tonscheibe von etwa 26 cm Durchmesser mit einer leichten Vertiefung auf der Unterseite aus einer Töpferwerkstatt der späten Obeid-Zeit um 4700 v. Chr. in Tell Feres al-Sharqi im Nordosten Syriens und vermuten, dass sie sich als Drehscheibe auf einem Zapfen drehte.

Die Tür dreht sich auf einem Zapfen in einer polierten Mulde im Stein.

Türen drehten sich auf dieselbe Weise. Eine ägyptische Tür hatte oben und unten an ihrer Drehkante einen Zapfen, den oberen in einem Loch im Sturz, den unteren in einer Pfanne im Boden; auf einem Boden aus Lehmziegeln setzte man einen Stein ein, der Gewicht und Verschleiß aufnahm. Eine Türpfanne aus Stein von 3000–2800 v. Chr., die an Ort und Stelle am Eingang des Tempels von Hierakonpolis gefunden wurde, befindet sich heute im Penn Museum. Enrico Ciulli, der Duncan Dowsons Geschichte der Tribologie zusammenfasst, vermerkt, dass solche Pfannen mit Bitumen oder Tierfett geschmiert wurden. Räder auf Achsen liefen seit dem 4. Jahrtausend v. Chr. in derselben Art von Lager. Eine Ablagerung von der Achse eines Streitwagens aus einem ägyptischen Grab von etwa 1400 v. Chr. wurde im 20. Jahrhundert untersucht: Tierfett mit Sand und Kalkverbindungen.

Jahrhundertelang bestanden Lager aus Holz, Stein, Bronze oder Messing und wurden mit Talg geschmiert oder geölt. Maschinenbauer des späten 18. Jahrhunderts setzten die Zapfen ihrer Wellen in zwei Messingschalen in einem gusseisernen Kasten, mit einem Deckel, den zwei Schrauben hielten und den man nachzog, wenn die Schalen sich abnutzten, wie John Farey 1827 beschrieb.

Im Juli 1839 ließ sich Isaac Babbitt aus Boston ein Verfahren patentieren, Lagerkästen mit einem weichen Metall auszukleiden; sein Beispiel bestand aus fünfzig Teilen Zinn, fünf Teilen Antimon und einem Teil Kupfer. Der Gedanke setzte sich durch, und in Großbritannien heißen solche Legierungen Weißmetall. 1854 ließen sich John Penn und Francis Pettit Smith ein Stevenrohrlager für Schraubenwellen aus Pockholz patentieren, einem sehr dichten tropischen Holz, das vom umgebenden Seewasser geschmiert wird.

Anfang der 1880er-Jahre ließ Beauchamp Tower, der für einen Reibungsausschuss der Institution of Mechanical Engineers arbeitete, einen Versuchszapfen unter einer Last von etwa 100 Pfund pro Quadratzoll (etwa 7 bar) laufen. Als oben in das Lager ein Loch gebohrt wurde, stieg Öl darin auf und drückte die hineingesteckten Stopfen heraus, und Manometer zeigten dort einen Druck weit über der mittleren Last. 1886 veröffentlichte Osborne Reynolds die Theorie des Ölfilms, die Towers Ergebnisse erklärte, und die Berechnung von Gleitlagern beruht noch heute auf seiner Gleichung.