John Wallace, Vice President of Operations, AST Bearings und Steven Sanchez, PE, BSA-zertifizierter Lagerspezialist, Engineering Manager, AST Bearings

Erstausrüster (OEM) von Off-Highway-Ausrüstung und -Fahrzeugen suchen ständig nach neuen Wegen, um neue und alte Technologien in ihre Konstruktionen einfließen zu lassen – alles, was ihren Produkten einen Vorsprung in Produktivität, Nutzlast und Effizienz verschafft. Die von ihnen hergestellten Maschinen und Fahrzeuge müssen extremen Umgebungen, anspruchsvollen Betriebsbedingungen und schweren Lasten standhalten. Zuverlässigkeit und Wartungsfreundlichkeit sind von größter Bedeutung; Die Reparatur von Geräten vor Ort ist kostspielig und oft fast unmöglich. Viele Konstruktionen basieren jedoch auf bewährten Plattformen, die Antriebsstränge, Aufhängungen, Lenkgestänge, Torsionsstäbe, Pleuelstangen, Knickgelenke, Schwerlastgelenke und Hydraulikzylinder enthalten. Alle diese Anwendungen haben eine wichtige Gemeinsamkeit: Sie verwenden Radial-Gelenklager und Gelenkköpfe.

Folgendes sollten Sie über diese relativ einfachen und extrem robusten Lager wissen, die in den meisten Off-Highway-Anwendungen zu finden sind.

Wie sie arbeiten

Radial-Gelenklager haben einen Innenring mit balliger konvexer Außenfläche und einen Außenring mit entsprechend balliger (aber konkaver) innenliegender Gleitpaarung. Die beiden allgemeinen Stile beziehen sich auf das Herstellungsverfahren. Gesenkgeschmiedete Lager werden durch „Stauchen“ oder Formen des Außenrings über dem Innenring (oder der Kugel) hergestellt. Gebrochene Lager haben einen Außenring, der in einer Position geteilt oder gebrochen ist, um den Zusammenbau der Ringe während der Herstellung zu erleichtern.

Die Lager können aus unterschiedlichen Gleitpaarungen bestehen, dh die Gleitflächen von Innen- und Außenring bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen. Einige Kombinationen erfordern Wartung (z. B. Stahl-auf-Stahl), andere nicht.

Vergleich zu Gelenkköpfen

Gelenkköpfe bestehen aus einem augenförmigen Kopf mit integriertem Schaft, der ein Gehäuse bildet, und einer von drei Optionen: einem Standard-Gelenklager, einem Gelenklager-Innenring oder einem Gelenklager-Innenring mit einer Gleitschicht zwischen der Bohrung Kopf und Innenring. Gelenkköpfe sind in der Regel mit links- oder rechtsgängigem Innen- oder Außengewinde erhältlich. Stangenenden können die Gleitkontaktflächenkombinationen Stahl-auf-Stahl, Stahl-auf-Bronze, Stahl-auf-PTFE-Verbundmaterial oder Stahl-auf-PTFE-Gewebe haben.

Da Lager mit Stahl-auf-Stahl-Gleitpaarungen regelmäßig nachgeschmiert werden müssen, haben sie typischerweise Schmierbohrungen und -nuten im Innen- und Außenring, damit Fett in die Gleitkontaktbereiche fließen kann. Es ist wichtig, dass diese Merkmale bei der Montage mit den Rillen und Schmiernippeln in den Gegenstücken übereinstimmen.

Beim Einbau von Lagern mit gebrochenem Außenring ist unbedingt darauf zu achten, dass das Gelenk 90⁰ zur Hauptbelastungsrichtung steht, da sonst die Lebensdauer insbesondere bei hohen Belastungen verkürzt wird. Der Neigungswinkel oder die Fehlausrichtung wird in den meisten Katalogen normalerweise mit dem Symbol α angegeben und kann von 3⁰ bis 15⁰ variieren. Lagertoleranzen, Lagerluft und empfohlene Einbauverfahren sind in den technischen Abschnitten der meisten Kataloge aufgeführt. In den USA decken die ANSI/AFBMA-Standards 22.1 und 22.2, Serie 3, diese Lagertypen ab.

Eine der häufigsten Anwendungen von Gelenklagern in Off-Highway-Geräten sind Hydraulikzylinder, Linearaktuatoren, die dafür ausgelegt sind, Kraft in eine einzige Richtung zu übertragen, da sie Fluchtungsfehler – eine häufige Ursache für den Ausfall von Hydraulikzylindern – wirksam bekämpfen. Kalottenlager werden häufig in Gabelkopfbefestigungen von Hydraulikzylindern verwendet. Abweichungen von der Mittellinie der Last führen zu einer sogenannten „Seitenbelastung“. Dadurch werden Zylinderkolben, Dichtungen, Buchsen und Stangen seitlich belastet – diese Komponenten sind nicht darauf ausgelegt, diesen Kräften standzuhalten, sodass sie schnell ausfallen. Sphärische Lager ermöglichen ein gewisses Maß an Fehlausrichtung aufgrund von Seitenbelastung, was die Lebensdauer des Zylinders verbessert.

Ein typischer Bagger oder Bagger hat ein halbes Dutzend Zylinder oder mehr für Löffel, Ausleger, Löffelstiel, Stützen, Lenkung und andere Ausrüstung und Zubehörteile des Fahrzeugs, in denen diese Lager verwendet werden, zusätzlich zu Lenkgestängen, Stoßdämpfern und Drehpunkte.

Gelenklager sind in verschiedenen Typen und Konfigurationen erhältlich, um spezifischen Belastungs- und Betriebsbedingungen sowie Umgebungsbedingungen gerecht zu werden.

Versiegelter Typ

Gelenklager sind mit Dichtungen erhältlich, um die Gleitflächen in rauen Umgebungen zu schützen. Die Dichtungen sind am Außenring befestigt und stellen einen positiven Kontakt mit dem Innenring her, wodurch Schmutz und Ablagerungen draußen und das Schmiermittel drinnen bleiben. Variationen in Dichtungsmaterialien und -design variieren je nach Hersteller, aber die meisten Dichtungen sind entweder ein Polyester-Elastomer-Material oder ein Buna-Nitril Gummi auf Stahlblecheinlage geklebt. Diese Kunststoff- und Gummidichtungen eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen die Lager häufig kippen oder sich in Umfangsrichtung bewegen. Dies neigt dazu, die Kontaktflächen sauber zu halten.

Verlängerter Innenring

Um die Montage zu erleichtern und die Notwendigkeit von Distanzstücken zu eliminieren, sind diese Lager auch mit verlängertem Innenring erhältlich. Diese haben einen etwas höheren Preis.

Hoher Winkel

Abhängig von ihrer Größe nehmen die meisten Gelenklager Fluchtungsfehler im Bereich von 5 bis 15 Grad auf. Höhere Fluchtungswinkel können jedoch mit einer Sonderserie aufgenommen werden. Diese Serie hat einen Innenring mit vergrößertem Querschnitt, der einen größeren Neigungswinkel von bis zu 20 Grad ermöglicht.

Schlagfest

Bei einigen Off-Highway-Anwendungen kommt es häufig zu Stoß- oder Stoßbelastungen, die verheerende Auswirkungen auf die Lager haben können. Die meisten Gelenklager werden aus durchgehärtetem 52100 Chromstahl hergestellt. Diese Lager haben eine gute Verschleißfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Aufgrund ihrer hohen Härte sind sie jedoch unter diesen Bedingungen anfällig für Abplatzungen, Risse und Brüche. Für diese Anwendungen werden Gelenklager empfohlen, die aus kohlenstoffarmen Aufkohlungsstählen wie 8620 hergestellt und mit einer speziellen Wärmebehandlung, dem so genannten Einsatzhärten, behandelt werden. Die Einsatzhärtung bietet eine äußere Schicht mit hoher Härte für Verschleißfestigkeit und Ermüdung, und der Kern des Lagers ist „weicher“ oder duktiler, wodurch das Lager Stöße absorbieren kann. Diese Lager haben einen Preisaufschlag.

Laden und Leben

Gelenklager können Belastungen sowohl in axialer als auch in radialer Richtung aufnehmen, wobei letztere überwiegend radial belastet werden. Winkelkontakttypen sind für stärkere Schub- oder Axialbelastungen erhältlich. Lasten können kombiniert sein und die Richtung konstant oder wechselnd sein.

Andere Ladeüberlegungen:

Belastungen sind dynamisch, wenn in einem belasteten Lager Gleitbewegungen stattfinden, die zu Verschleiß im Lager führen.

Dynamische Lasten können oszillierend oder rotierend sein. Oszillationslasten können nur entlang der Querachse aufgenommen werden und sind auf den Winkel der Fehlausrichtung oder Neigung beschränkt, der für das Lager vorgesehen ist.

Je höher die Oszillationsfrequenz ist, desto geringer ist die Lagerlebensdauer für eine gegebene Anwendung.

Bei statischer Belastung ist der begrenzende Faktor die Festigkeit des Lager- bzw. Gelenkkopfmaterials.

Obwohl diese Lager sehr einfache Konstruktions- und Funktionsprinzipien haben, ist die Berechnung der Lebensdauer schwierig – daher wird den Ingenieuren empfohlen, sich an den Hersteller zu wenden, um Unterstützung zu erhalten. Die Werte der Tragzahlen hängen von der verwendeten Definition ab, daher ist es nicht immer möglich, direkte Vergleiche mit den von jedem Hersteller veröffentlichten Tragzahlen anzustellen.

Dynamische Tragzahl

Die dynamische Tragzahl wird für Berechnungen verwendet, wenn das Gelenklager dynamisch beansprucht wird. Sie stellt die nach Betrag und Richtung konstante Belastung dar, unter der eine nominelle Lebensdauer, ausgedrückt als Gleitweg, bei dauernder oszillierender Bewegung mit definierter Gleitgeschwindigkeit bei Raumtemperatur erreicht wird. Sie geht davon aus, dass Radial- und Schräggelenklager sowie Gelenkköpfe rein radial und Axial-Gelenklager rein axial und zentrisch belastet werden. Dynamische Beanspruchungen treten häufig in Kombination auf: bei Kipp-, Schwing- oder Rotationsbewegungen unter Last; bei Mikrogleitbewegungen unter Wechselbelastung; und bei hochfrequent wechselnden Lasten.