Toleranzklassen für Welle und Gehäuse bei Wälzlagern: Wie die Passungswahl die Lagerluft bestimmt

Zuerst klären: Welcher Ring rotiert relativ zur Last?

Die Passungswahl beginnt mit einer Frage: Rotiert die Lastrichtung relativ zum Ring, oder bleibt der Ring unter der Last stehen? Ein Ring, der sich relativ zur Last dreht, neigt dazu, auf seinem Sitz zu kriechen, wenn die Passung ihn nicht hält; der Sitz braucht also eine Press- oder Übergangspassung.

Bleibt die Lastrichtung steht, kann der Ring an Ort und Stelle bleiben — eine Spielpassung ist dann zulässig und oft erwünscht, weil sie dem Ring axiale Verschiebung erlaubt. Die beiden Sitze werden in getrennten Tabellen behandelt.

Auf der Welle verlangt eine rotierende Innenringlast Übermaßklassen wie h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 oder r6 je nach Last und Durchmesser, während eine feststehende Innenringlast g6 nutzt, wenn der Ring sich reibungsarm bewegen muss, und h6, wenn nicht².

Im Gehäuse verwenden feststehende Außenringlasten Spielpassungsklassen H7, H8, G7 oder F7, während rotierende Außenringlasten M7, N7 oder P7 nehmen⁵. Beide Tabellen sind Funktionen von Lastart, Lagertyp und Baugröße, daher lässt sich die Klasse nicht allein aus der Lastrichtung ableiten²⁵.

Ein Fehler hier kostet zweifach. Ein lockerer Sitz lässt die Wälzbahn rotieren und am Radiallauf verschleißen (Passungsrost), und ein Sitz, der den dünnen Ring nicht richtig abstützt, verkürzt die Servicelebensdauer und kann erzwingen, dass Welle oder Gehäuse aufgearbeitet werden müssen, bevor das Ersatzlager eingebaut wird¹¹.

Die Wellenklasse aus der Last- und Durchmessertabelle lesen

Für einen rotierenden Innenring wird die Wellenklasse gegen Lasthöhe und Wellendurchmesser tabelliert, und die Passung ist relativ zur Normaltoleranz der Lagerbohrung definiert — dieselbe Buchstabenklasse bedeutet also bei unterschiedlichen Durchmessern unterschiedliches absolutes Übermaß²¹².

Die folgende Tabelle zeigt den Leicht- und Normallastfall für Vollbohrungslager der Klassen 0, 6X und 6; Schwere- oder Stoßlast verschiebt die Klasse auf n6, p6 oder r6 und verlangt ein Lager mit größerer als standardmäßiger Lagerluft². Zwei Lockerungen sind relevant.

Wo hohe Genauigkeit gefordert ist, ersetzen js5, k5 und m5 js6, k6 und m6². Bei einreihigen Kegelrollenlagern und Schrägkugellagern dürfen k5 und m5 durch k6 und m6 ersetzt werden, weil die spielbedingte Reduktion der Lagerluft durch die Passung dort nicht berücksichtigt werden muss².

Die Gehäuseklasse aus der Last- und Verschiebetabelle lesen

Die Gehäuseklasse hängt davon ab, ob der Außenring axial verschiebbar bleiben muss, von der Lastart und davon, wie heiß Welle und Innenring laufen. Eine einzige Standardklasse ist daher für einen rotierenden Außenring oder eine heiße Welle falsch⁵.

Ist die Außenringlast feststehend und der Ring muss sich leicht verschieben lassen, ist H7 die übliche Wahl; bei großen Lagern oder großer Temperaturdifferenz zwischen Außenring und Gehäuse kommt G7 in Frage⁵. Laufen Welle und Innenring heiß, wandert die Gehäuseklasse auf G7, bei großem Lager oder großer Temperaturdifferenz F7⁵.

Eine rotierende Außenringlast ist nicht verschiebbar und erhält M7, N7 oder P7 je nach Last und Gehäusewandstärke⁵.

Prüfen, ob das Übermaß die Lagerluft auffrisst

Eine Presspassung weitet den Innenring, und diese Weitung reduziert die gefertigte, also die werkstattseitige Lagerluft des Lagers¹⁹. Eine enge Gehäusepassung bewirkt dasselbe von außen, indem sie den Außenring zusammenpresst; beide Reduktionen addieren sich³.

Wird die Reduktion nicht berücksichtigt, bleibt möglicherweise nicht genug werkstattseitiges Spiel übrig, um überhaupt Betriebsspiel zu lassen, und das Lager kann in negatives Spiel, übermäßige Reibung und Frühausfall kippen³¹⁹. Die Reduktion ist nicht schlicht das Nennübermaß.

Das wirksame Übermaß wird als zwei Drittel des Nennübermaßes minus einer Abplattungsgröße berechnet, für Innen- wie für Außenring, und die resultierende Spieländerung hängt vom wirksamen Übermaß, dem passenden Wellendurchmesser und der Wandstärke der Gehäusebohrung ab⁹. Deshalb müssen Passungsklasse und Spielklasse gemeinsam statt nacheinander gewählt werden.

Wo die Passung fest ausfällt, die Betriebstemperatur dauerhaft hoch ist oder die Drehzahlen den Standardbereich überschreiten, ist eine größere Spielklasse wie C3 die richtige Wahl; C4 ist außergewöhnlich hohen Temperaturen, signifikanter thermischer Differenz zwischen Welle und Gehäuse, dünnwandigen Gehäusen oder schwerem Fluchtungsfehler vorbehalten²⁰.

Ein Lieferant nennt C3 als Standardempfehlung für viele gängige Industriemotoren und Getriebe — das ist die Position dieses Lieferanten, keine Regel für jede Anwendung²⁰.

Temperaturdifferenz und die Anordnung mit freier Lagerseite

Das Spiel wandert auch mit der Temperatur. Läuft der Innenring oder die Welle erwartungsgemäß heißer und dehnt sich stärker aus als Außenring oder Gehäuse, fällt das Spiel im Betrieb, daher ist von vornherein ein höheres Radialspiel erwünscht; dehnt sich der Außenring stärker als der Innenring, steigt das Spiel stattdessen⁴.

Denselben Mechanismus widerspiegelt die Spielklasse: C3, wenn die Betriebstemperatur dauerhaft hoch ist, die Passungen fest ausfallen oder die Drehzahlen über dem Standard liegen, und C4, wenn die thermische Differenz zwischen Welle und Gehäuse signifikant ist²⁰. Ein Lager auf der freien Seite ist der andere Weg, diese Bewegung aufzunehmen.

Es kompensiert die durch Temperaturänderung im Betrieb verursachte Ausdehnung oder Schrumpfung, und wo ein nicht zerlegbares Lager auf der freien Seite läuft, wird eine Spielpassung zwischen Außenring und Gehäuse vorgesehen, in einigen Fällen auch zwischen Welle und Innenring²¹. Diese Spielpassung ist eine bewusste thermische Vorkehrung, keine Variante mit größerem Spiel der Festseitenpassung.

Das Übermaß an beiden Enden begrenzen

Die Passung muss eng genug sein, um das Kriechen des Rings zu verhindern, und weit genug, um ihn nicht zu überlasten.

Korrekte Passungen verhindern die Rotation der Wälzbahn relativ zu Welle oder Gehäuse samt daraus folgendem Passungsrost und Fressen und stützen die relativ dünnen Lagerringe; die zulässigen Wellen- und Gehäusetoleranzen sind nur geringfügig größer als die der zugeordneten Lagerkomponenten¹¹. Das Aufpressen des Innenrings vergrößert die Umfangsspannung im Ring.

Für einen konkreten Fall — ein Schrägkugellager mit 120 mm Bohrung als Axiallager einer Hauptwelle in M50-Stahl für ein Turbotriebwerk — empfiehlt die Quelle, dass diese pressungsbedingte Komponente der Umfangsspannung etwa 140 MPa nicht überschreiten sollte¹⁷.

Dieser Wert stammt aus einer einzelnen Hochgeschwindigkeits-Luftfahrtanwendung und ist keine allgemeine Industriegrenze; verstehen Sie ihn als Erinnerung, dass das maximale Übermaß durch die Ringspannung begrenzt ist, und fragen Sie den Lagerlieferanten nach dem für Ihr Lager geltenden Grenzwert.

Ein Montageverfahren wählen, das die Passung erreicht

Das auf der Zeichnung stehende Übermaß muss sich ohne Schaden an der Wälzbahn erreichen lassen. Lager mit zylindrischer Bohrung werden im Allgemeinen durch Aufpressen montiert oder durch Erhitzen des Innenrings, um seine Bohrung vor dem Einbau zu weiten — ein Schrumpfsitz²⁶.

Bei größeren Lagern oder höherem Übermaß reduziert das Warmmontieren das Risiko einer Beschädigung der Wälzbahn beim Pressen, und wo der Außenring eine Presspassung braucht, kann das Lager zuvor mit Trockeneis gekühlt werden, mit vorher aufgetragenem Rostschutz²⁶. Das Werkzeug zählt so viel wie die Temperatur.

Lagerpressen, Induktionsheizgeräte oder hydraulische Pressen sind je nach Lagertyp und Passung zu verwenden, und Kraft darf niemals direkt auf die Wälzkörper ausgeübt werden — nur auf den Ring, der montiert wird¹³.

Was vor der Bestellung auf der Zeichnung zu bestätigen ist

Passungen werden als Buchstabe-plus-Ziffer-Kombinationen wie m6 und H7 geschrieben, wobei ein Kleinbuchstabe ein Wellenaußendurchmesser und ein Großbuchstabe eine Gehäusebohrung ist, und jede davon ist relativ zur Normaltoleranz der Lagerbohrung bzw. des Lageraußendurchmessers definiert¹².

Weil diese Normaltoleranzen mit der Lagergröße wachsen, erzeugt dieselbe Klasse an einem größeren Lager eine andere absolute Passung; die Zeichnung ist also unvollständig ohne die Lagertoleranzklasse, gegen die sie definiert ist¹². Die Quellen liefern keine numerischen Sitzgeometrie- oder Oberflächenwerte, daher sind diese als Prüfpunkte zu formulieren, nicht als kopierte Zahlen.

• ✓Die Lagertoleranzklasse angeben, gegen die die Passung definiert ist, in der vom Lieferanten verwendeten Bezeichnung nach ISO, DIN, ANSI/ABEC oder JIS [S12][S14][S25]
• ✓Die Wellenklasse gegen den Lastfall und den tatsächlichen Wellendurchmesserbereich bestätigen, nicht gegen eine Standardklasse [S2]
• ✓Die Gehäuseklasse gegen den Verschiebebedarf des Außenrings und die Wellentemperatur bestätigen [S5]
• ✓Die Lagerluftklasse (CN, C3 oder C4) und die Passung, mit der sie gewählt wurde, angeben [S20]
• ✓Von der Fertigung verlangen, dass Wellendurchmesser, Gehäusebohrung, Oberflächengüte und Form vor der Montage geprüft werden [S11]
• ✓Vom Lieferanten die erwartete Spielreduktion für die spezifizierte Passung bestätigen lassen [S19][S9]
• ✓Das Montageverfahren samt Werkzeug benennen, damit das spezifizierte Übermaß ohne Beschädigung der Wälzbahn erreichbar ist [S26][S13]

Wo die Quellen widersprechen oder schweigen

Die obigen Tabellen stammen aus Passungswahl-Leitfäden von Lieferanten, und sie zeigen nicht alle in dieselbe Richtung. Die folgenden Zeilen halten jede Position getrennt; die Evidenz klärt nicht, welche für eine bestimmte Maschine gilt, daher verifiziert der Einkäufer gegen die tatsächliche Anwendung.

Was die Quellen nicht belegen

• Keine Quelle gibt numerische Δdmp/ΔDmp-Bohrungs- und Außendurchmesser-Abweichungswerte für ein bestimmtes Lager an, sodass das tatsächliche Übermaß aus diesem Artikel nicht berechnet werden kann.
• Keine Quelle gibt numerische Bereiche des radialen Luftspiels für CN, C3 oder C4 vor der Montage an.
• Keine Quelle gibt eine vollständige Formel für den Ringverhältnis-Faktor zur Luftspielreduzierung an; nur der 2/3-Faktor und das Ebnemaß G* werden genannt.
• Keine Quelle gibt numerische Wärmeausdehnungsberechnungen oder die Temperaturdifferenz an, bei der C3 oder C4 erforderlich wird.
• Keine Quelle gibt eine Mindest-Übermaßformel zur Vermeidung von Durchrutschen oder Reibkorrosion oder eine allgemeine Höchstgrenze des Übermaßes für Rissbildung oder Umfangsspannung an.
• Keine Quelle gibt numerische Anforderungen an Oberflächenrauheit (Ra), Zylinderform, Rundheit oder Schulterrechtwinkligkeit an.
• Keine Quelle gibt erreichbare oder erforderliche Übermaßwerte oder Montagekraftwerte für Presspassung, Induktionswärmen, Öleinspritz- oder Hydraulikmuttermethoden an.
• Keine Quelle gibt numerische Wellen- oder Gehäusesitz-Geometrietoleranzen relativ zu den Lagertoleranzen an.