Im Inneren des Lagers: Der Unterschied zwischen Käfigen und Distanzstücken

Collage mit drei Bildern von Rollen und Kugeln

Wissen Sie, warum wir in einigen Lagern Käfige einsetzen, um Rollen und Kugeln voneinander zu trennen, in anderen Abstandshalter – und was die Restlücke damit zu tun hat?

Ganz grob gilt: In den meisten Fällen sind Käfige teurer als Abstandshalter. Wenn man sie in einem Lager also nicht unbedingt braucht, nimmt man Abstandshalter (Ausnahmen dazu und eine Variante ohne jedes Trennelement erklären wir zum Schluss).

Käfige halten in Lagern Kugeln oder Rollen an einer fest definierten Position zueinander in der Laufbahn. Abstandshalter halten den Mindestabstand zum nächsten Wälzkörper ein.

Die Grundfunktion bei beiden ist es, zu verhindern, dass Rollen oder Kugeln bei der Drehung des Lagers gegeneinander reiben. Diese Reibung führt zu Hitzeentwicklung, Materialabnutzung und Abrieb. Dieser Abrieb sammelt sich in der Laufbahn und verschlechtert die Laufleistung, Laufruhe und verkürzt sogar die Lebensdauer des Lagers. 

Aber reiben denn die Kugeln und Rollen nicht auch am Käfig oder Abstandshalter?

Ja, daher werden diese aus reibungsfreundlichen Materialien gebaut. Sie bestehen bei uns meistens entweder aus Kunststoff oder kunststoffbeschichtetem Stahl oder, in der teuersten Version, aus Bronze. Das Reibverhalten dieser Stoffe ist viel besser als von Stahl, aus dem die Wälzelemente bestehen. 

Ok, beide erfüllen grundsätzlich die gleiche Funktion: wieso nutzen wir dann nicht immer Abstandshalter?

Das kommt unter anderem drauf an, ob die „Restlücke“ eine Rolle spielt oder nicht.

Wälzkörper und Abstandshalter werden in Lagern, die nur aus zwei Ringen bestehen, über ein Loch in einem der Ringe nacheinander eingefüllt.

Diese Lager aus zwei Ringen sind in der Regel Kugellager. Das Befüllen funktioniert grob so: Einer der beiden Ringe ist festgemacht, der andere wird langsam per mechanischem Antrieb gedreht. Der Monteur füllt Stück für Stück die Kugeln und Abstandshalter ein.

Dabei entstehen ständig kleine Lücken zwischen den Elementen. Das händische Befüllen über das Einfüllloch lässt eine 100%-ig lückenlose Befüllung nicht zu, u.a. weil die Kugeln sich bei der Montage schon bewegen. Am Ende summieren sich diese kleinen Lücken zu einer Restlücke, die bei einem großen Lager einige Zentimeter ausmachen kann.

Die Kugeln und Abstandshalter können sich also bei einem großen Lager auch bei der Drehung später um mehrere Zentimeter in der Laufbahn verschieben. Bei den Anwendungen, für die wir diese Lager herstellen, ist das egal. Hier gibt es festgelegte Toleranzen für diese Lücke. Für andere Lager wiederum ist es nicht egal.

Ab drei Ringen, wird übrigens einer der Ringe bei der Montage vor dem Befüllen weggelassen und die gesamte Laufbahn kann gleichzeitig und dichter befüllt werden und die Restlücke ist daher nicht so groß. 

In welchen Anwendungsfällen darf es keine Restlücke geben?

Lager mit Käfigen haben keine Restlücke und das ist insbesondere zwingend erforderlich bei Dauerdrehern, die durchdrehen und relativ hohen Drehzahlen. Zum Beispiel bei Rotorlagern von Windkraftanlagen. Diese drehen um 360 Grad plus, relativ schnell und das kontinuierlich über 20 Jahre oder mehr. Der fest definierte Abstand der Wälzkörper mit Käfig sorgt für Laufruhe und dafür, dass die Lastverteilung im Lager immer gleichmäßig ist, weil die lastaufnehmenden Teile immer den gleichen Abstand zueinander haben. So müssen auch immer die gleichen Kräfte für die Bewegung aufgewendet werden.

Würden wir hier Abstandshalter einsetzen, käme die Restlücke ins Spiel: Es gäbe Bereiche im Lager, in denen die Last nicht gleichmäßig verteilt ist. Dort wo die Lücke ist, muss eine Kugel mehr Last aufnahmen, weil ihr Nachbar, der ihr normalerweise helfen würde, weiter weg ist.

Dieser Effekt der Lücke entsteht bei aufrechtstehend montierten Kugeldrehverbindungen (mit horizontaler Drehachse) in verschärfter Form, wie es bei Rotorlagern von Windkraftanlagen der Fall ist.  Die Kugeln, die mit Abstandshaltern getrennt werden, würden sich durch die Schwerkraft immer unten im Lager einfinden. Die Restlücke wäre also immer an einem Ort und damit eine dauernde Schwachstelle im Lager. Bei Käfigen passiert das nicht, weil die Wälzkörper immer da sind, wo sie sein sollen. 

Und wann macht die Restlücke nichts aus?

Abstandshalter mit Restlücke werden insbesondere dann eingesetzt, wenn die Drehung des Lagers nicht über 360 Grad erfolgt, nicht kontinuierlich ist, und wenn das Lager in der Maschine liegt. Zum Beispiel bei einem Baukran.

Hier stört die Lücke nicht: dadurch, dass die Kugeln nicht nach unten rutschen, ist sie nicht immer an der gleichen Stelle und nicht immer gleich groß. Der Effekt der Lücke ist also ungeordnet.

Außerdem dreht der Kran nur langsam und auch nicht kontinuierlich, sondern macht lediglich Schwenkzyklen, die kleiner als 360 Grad sind. Er schwenkt hin und her. Der Einfluss der Reibung und nicht 100%-ig gleichmäßiger Wälzköperverteilung ist daher gering und ein gleichförmiger Lauf ist von untergeordneter Bedeutung. 

Gibt es auch Lager, bei denen die Wälzkörper nicht getrennt werden müssen?

Ja. Das nennen wir Vollbestückung. Das eignet sich dann, wenn das Lager sich nicht oft dreht und meistens auch nur um wenige Grad. Dadurch entsteht wenig Reibung, obwohl die Wälzkörper aneinander liegen und es besteht auch nicht die Gefahr, dass sich die Kugeln gegeneinander verklemmen. Typischer Anwendungsfall sind Lenkkränze bei LKWs, also die Verbindung zwischen Auflieger und Zugmaschine. Die LKWs fahren meistens geradeaus und wenn sie lenken, dann meistens nur um wenige Grad.

Das ist von den Varianten am kostengünstigsten und diese Vollbestückung hat sogar einen weiteren Vorteil: Der Abstand zwischen zwei Wälzkörpern ist minimal, das heißt ich kann mehr Rollen oder Kugeln einsetzen, die wiederum mehr Last tragen können. 

Gibt es auch Fälle, in denen Abstandshalter teurer sind als Käfige?

Ja. Es gibt Sonderfälle wie Hochtemperatur-Anwendungen, zum Beispiel bei einem Pfannendrehturm im Stahlwerk. Der dreht sich auch nicht durch, sondern nur hin und her, und das Lager liegt. Eigentlich ein Fall für Zwischenstücke. Passt hier aber nicht.

Kunststoff kommt ab einer gewissen Temperatur nicht mehr in Frage, so dass hier doch Stahl eingesetzt werden muss. Allerdings sind Stahlzwischenstücke teurer als ein Stahlkäfig, teilweise auch weil elastische Elemente aus speziellem Federstahl benutzt werden müssten. Deswegen haben die Lager hier häufig einfach einen Stahlkäfig.