Alles über Lagerpassungen: So wählst du die richtige Passung

Was ist eine Passung?

Im Maschinenbau bezeichnet eine Passung das Spiel oder den Presssitz, der entsteht, wenn zwei Bauteile zueinander passen. Je nach Anwendung legen Sie fest, ob eine Spielpassung, Übergangspassung oder Presspassung erforderlich ist. Bei einer Spielpassung besteht immer Raum (Spiel) zwischen Welle und Bohrung, sodass sich die Bauteile frei zueinander bewegen können. Eine Übergangspassung liegt dazwischen: Die Toleranzzonen überlappen sich so, dass manchmal leichtes Spiel und manchmal ein leichter Presssitz entsteht; die Teile lassen sich gleitend zusammenfügen. Eine Presspassung bedeutet, dass die Welle etwas größer ist als die Bohrung, es also kein Spiel gibt. Ein Kugellager kann auf zwei Arten montiert werden: indem das Lager auf eine Welle oder in ein Gehäuse eingepresst oder thermisch erweitert wird. Die Bauteile werden dann fest miteinander verbunden und können nicht manuell demontiert werden.

Belastungsarten auf Lagerringen

Bei der Bestimmung der Passung für ein Kugellager ist zunächst festzulegen, wie die Lagerringe belastet werden. Dies kann auf drei Arten geschehen: umlaufende Belastung, stehende Belastung und unbestimmte Belastung eines Rings.

• Bei einer umlaufenden Belastung dreht sich der Lagerring relativ zur Belastungsrichtung oder umgekehrt: Der Ring steht still, während die Belastungsrichtung um den Ring rotiert. In beiden Fällen „wandert“ die Belastung um den gesamten Umfang des Rings – dies wird auch als Umfangslast bezeichnet. Ein typisches Beispiel ist ein Innenring auf einer rotierenden Welle bei fester äußerer Belastung (z. B. Schwerkraft): Der Innenring dreht sich, die Belastung (z. B. nach unten gerichtetes Gewicht) bleibt im Raum konstant, wodurch der Innenring über 360° belastet wird.
   
• Bei einer stehenden Belastung bleibt die Richtung der Belastung relativ zum Ring konstant. Dies ist der Fall, wenn sich der Ring nicht relativ zur Belastungsrichtung bewegt, zum Beispiel: ein Lagerring, der bei stillstehender Belastungsrichtung stillsteht, oder ein Ring, der sich mit der Belastung mitdreht. In einer solchen Situation wirkt die Kraft kontinuierlich auf dieselbe Stelle des Rings – die Belastung „lokalisiert“ sich.
   
• Unbestimmte Belastung tritt auf, wenn Richtung und/oder Größe der Belastung variieren, etwa bei Vibrationen, Stoßbelastungen oder oszillierenden Bewegungen. Dabei ist unklar, wo die Belastung am Ring genau auftritt, oder sie wechselt ständig, weshalb aus Sicherheitsgründen häufig so ausgelegt werden muss, als würde die Belastung umlaufen.
   

Warum ist das für die Passung wichtig? Weil eine Umfangslast dazu neigt, den Ring auf seinem Sitz rollen oder kriechen zu lassen, wenn die Passung zu locker ist, wird bei umlaufender Belastung immer eine feste (Press-)Passung empfohlen. Umgekehrt kann bei lokaler (stehender) Belastung eine Spielpassung ausreichen, weil der Ring nicht versucht, sich von seinem Sitz wegzubewegen. Zusammengefasst: Wenn sich ein Lagerring relativ zur Belastungsrichtung dreht, wählen Sie eine feste Passung; steht ein Ring relativ zur Belastung still, kann eine lose Passung verwendet werden. Diese Faustregel hat großen Einfluss auf die Auslegung von Lagerpassungen.

Drehender Innenring und stehender Außenring

Belastung in konstanter Richtung

Die Belastung steht im Raum fest (z. B. Schwerkraft). Die Belastungszone rotiert über den Innenring und bleibt auf dem Außenring nahezu stationär.

• Passungsempfehlung: feste Passung am Innenring; Außenring kann leichter ausgeführt werden.

Belastung dreht mit dem Innenring mit

Die Belastung ist wellengebunden und dreht mit. Die Belastungszone ist auf dem Innenring stationär und rotiert relativ zum Außenring.

• Passungsempfehlung: feste Passung am Außenring; Innenring kann leichter ausgeführt werden.

Stehender Innenring und rotierender Außenring

Belastung in konstanter Richtung

Die Belastung bleibt konstant, während der Außenring rotiert. Die Belastungszone rotiert über den Außenring und bleibt auf dem Innenring stationär.

• Passungsempfehlung: feste Passung am Außenring; Innenring kann leichter ausgeführt werden.

Belastung dreht mit dem Außenring mit

Die Belastung ist an das Gehäuse gekoppelt und dreht mit. Die Belastungszone ist auf dem Außenring stationär und rotiert relativ zum Innenring.

• Passungsempfehlung: feste Passung am Innenring; Außenring kann leichter ausgeführt werden.

Faktoren, die bei Lagerpassungen zu berücksichtigen sind

Die richtige Passung ist entscheidend für die Lebensdauer eines Lagers. Eine zu straffe Montage kann zu übermäßiger Wärmeentwicklung und Spannungen führen, während eine zu lose Passung Verschleiß und Vibrationen verursacht. Da keine zwei Anwendungen gleich sind, müssen bei der Auswahl immer Faktoren wie Belastung, Drehzahl, Temperatur und Material berücksichtigt werden.

Belastungen oder Stöße: Je höher die Belastung, desto stärker neigt ein Ring dazu, unter dieser Kraft zu „rollen“ oder sich zu verschieben. Bei hoher Belastung wird daher eine festere Passung gewählt als bei geringer Belastung. So kann beispielsweise eine Übergangspassung, die bei geringer Belastung ausreicht, bei hoher Belastung durch eine feste Presspassung ersetzt werden. Dadurch wird eine Relativbewegung unter Spitzenbelastung verhindert.

Hohe Drehzahlen: Eine hohe Drehzahl erfordert eine präzise Auswuchtung und minimale Exzentrizität. Strammere Passungen tragen zu einer besseren Rundlaufgenauigkeit bei, wodurch Rollen und Vibrationen vermieden werden.

Temperatureinflüsse: Zwischen Innen- und Außenring kann sich das effektive Spiel verändern. In der Regel wird der Innenring wärmer (durch Reibung) als der Außenring, wodurch sich der Innenring ausdehnt und die Passung auf der Welle straffer wird, während das Spiel im Lager selbst abnimmt. Bei hohen Betriebstemperaturen empfehlen wir grundsätzlich Lager mit größerem internem Lagerspiel, wie C3 oder C4, und gegebenenfalls eine etwas lockerere Passung.

Material und Konstruktion: Die Wirksamkeit einer Passung hängt von der Steifigkeit der Welle oder des Gehäuses ab. Leichtmetalle oder dünnwandige Materialien verformen sich leichter und haben bei gleicher Passung weniger effektive Klemmkraft auf den Ring. Deshalb wählt man in solchen Fällen eine festere Passung als bei massivem Stahl.

Lagerausfall – Rollen und Kriechen von Lagerringen

Laut SKF fallen 16 % der Lager vorzeitig aufgrund einer falschen Montage aus. Wenn die Passung zwischen einem Lager und seinem Sitz nicht korrekt gewählt ist, kann ein Phänomen auftreten, das als Rollen oder Kriechen bezeichnet wird. Dabei beginnt sich der Lagerring langsam relativ zu seiner Passfläche mitzubewegen. Anstatt dass sich nur die Wälzkörper im Lager bewegen, verschiebt sich der gesamte Ring relativ zur Welle oder zum Gehäuse. Dies kann verschiedene Ursachen haben: eine zu lose Passung bei umlaufender Belastung – der Ring wird dabei wiederholt über den gesamten Umfang belastet und beginnt dadurch langsam auf seinem Sitz zu drehen. Vibrationen oder wechselnde Belastungen – selbst bei einer scheinbar geeigneten Passung kann der Ring kleine Mikrobewegungen ausführen.

Folgen des Rollens: Rollen ist unerwünscht, weil es Verschleiß sowohl am Ring als auch an der Passfläche verursacht. Durch die Mikrobewegungen entstehen Materialverformungen, Oberflächenermüdung und manchmal sogar Reibkorrosion. Letztlich führt dies zu einem Verlust der Maßgenauigkeit, erhöhtem Spiel und einer verkürzten Lebensdauer des Lagers und der umliegenden Komponenten.

Wie montiert man Lager bei einer Presspassung?

Die korrekte Montage von Lagern bei einer Presspassung ist wichtig, um Schäden und vorzeitigen Verschleiß zu vermeiden. Je nach Anwendung und Lagertyp können Sie zwischen Montage mit einer hydraulischen Presse, einer Montagehülse oder der Wärme- und Kältemethode wählen, bei der sich das Lager ausdehnt oder zusammenzieht.

Lagerrichtig positionieren: Richten Sie das Lager gerade auf der Welle oder im Lagergehäuse aus. Achten Sie dabei darauf, dass die Oberflächen sowohl der Welle als auch des Lagersitzes sauber und gratfrei sind. Eine dünne Schicht Öl oder Fett auf der Wellenoberfläche kann die Montage erleichtern. Durch die korrekte Ausrichtung vermeiden Sie, dass das Lager schief in die Passung gedrückt wird, denn dies verursacht Schäden an den Laufbahnen und verkürzt die Lebensdauer des Lagers erheblich.

Das richtige Montagewerkzeug verwenden: Platzieren Sie eine Druckscheibe, die genauso groß ist wie der Außendurchmesser des Lagers. Dadurch wird die Kraft gleichmäßig auf den Innen- und Außenring verteilt. Die Druckscheibe verhindert Beschädigungen und damit vorzeitigen Ausfall. Sie sollten niemals direkt mit einem Hammer auf das Lager schlagen oder schlimmer noch auf die Dichtungen schlagen, da dies zu Eindrückungen auf der Laufbahn und zu einem beschädigten Käfig führt.

Das Lager langsam auf seinen Sitz drücken: Verwenden Sie vorzugsweise eine hydraulische Presse oder ein Schlaghülsenset, um die Kraft kontrolliert aufzubringen. Drücken Sie langsam und gleichmäßig, bis das Lager vollständig auf seinem Sitz sitzt. Achten Sie darauf, dass das Lager beim Einpressen gerade bleibt und nicht verkantet. Bei korrekter Montage spüren Sie einen deutlichen Widerstandsanstieg, wenn das Lager am Anschlag anliegt.

Keine Presse oder kein Montageset verfügbar? Wenn Ihnen keine Presse oder kein Montageset zur Verfügung steht und es sich um ein kleines Lager handelt, kann es auch vorsichtig mit einem Kunststoffhammer eingeschlagen werden, oder mit einem Stück Rohr oder einem alten Lager als Zwischenstück. Schlagen Sie das neue Lager dann gleichmäßig und vorsichtig in die Bohrung ein. Schlagen Sie mit kurzen Schlägen rundum, nicht mit harter Gewalt. Das ist nur für kleine Lager geeignet.

Wärme- und Kältemethode für Lagerpassungen

Bei Presspassungen kann auch ein Temperaturunterschied genutzt werden, um das Lager einfacher zu montieren, ohne übermäßige mechanische Kraft anzuwenden. Dies geschieht, indem das Lager für die Montage auf einer Welle erwärmt oder für den Einbau in einen Lagersitz gekühlt wird.

Erwärmen für die Montage auf einer Welle

Wenn ein Lager auf einer Welle montiert werden muss, wird das Lager selbst auf etwa 80 bis 120 °C erwärmt. Durch die Wärme dehnt sich der Innendurchmesser vorübergehend aus, sodass das Lager leichter über die Welle gleitet. Diese Methode verhindert Schäden, die durch Pressen oder Schlagen entstehen können. Es ist wichtig, das Lager gleichmäßig zu erwärmen, zum Beispiel mit einem Induktionserwärmer oder einem speziellen Lagererwärmungsofen, und es schnell zu montieren, bevor es abkühlt.

Kühlen für die Montage in einen Lagersitz

Beim Einbau eines Lagers in ein Lagergehäuse kann das Lager gekühlt werden; meist wird es dazu vorübergehend in einen Gefrierschrank gelegt. Durch die Kälte schrumpft das Lager, sodass der Außenring mit weniger Kraft in den Sitz gleitet oder sogar hineinfallen kann. Sobald das Lager wieder Normaltemperatur erreicht, dehnt es sich aus und sitzt fest in der Passung.