Klassifizierung und Funktionen von Lagerkäfigen

Lagerkäfige (auch als Lagerhalterungen bezeichnet) sind eine der Kernkomponenten von Lagern. Zu ihren Funktionen gehören die Trennung der Wälzkörper (Stahlkugeln, Rollen), die Führung der gleichmäßigen Verteilung der Wälzkörper, die Verringerung der Reibung und Kollision zwischen den Wälzkörpern sowie die Verhinderung des Herausfallens der Wälzkörper. Das Material, die Struktur und der Herstellungsprozess von Käfigen wirken sich direkt auf die Drehzahl, die Tragfähigkeit, die Lebensdauer und die Einsatzbedingungen von Lagern aus. Im Folgenden finden Sie eine detaillierte Analyse gängiger Käfigtypen und ihrer Eigenschaften:

I. Klassifizierung nach Material

Die Wahl des Materials der Lagerkäfige muss den Betriebsbedingungen des Lagers (wie Temperatur, Korrosivität, Drehzahl usw.) entsprechen. Gängige Materialien und ihre Eigenschaften sind wie folgt:

1. Metallkäfige

1) Stahl

Das am häufigsten verwendete Material, darunter kohlenstoffarmer Stahl, kohlenstoffreicher Stahl und legierter Stahl, der durch Stanzen oder Drehen geformt wird:

• Vorteile: Hohe Festigkeit, Schlagfestigkeit und breite Anwendbarkeit (mittlere Drehzahl, hohe Belastung);
• Nachteile: Relativ hohes Gewicht, große Fliehkraft bei hohen Drehzahlen und Neigung zu Reibungserwärmung mit Wälzkörpern;
• Anwendungsbereiche: Allgemeine Maschinen (z. B. Motoren, Getriebe), mittlere Drehzahlen (≤ 3000 U/min) und normale Umgebungstemperaturen.

2) Kupferlegierungen

Hauptsächlich Messing und Bronze, meist durch Drehen geformt:

• Vorteile: Gute Verschleißfestigkeit, ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, niedriger Reibungskoeffizient mit Wälzkörpern, geeignet für den Hochgeschwindigkeitsbetrieb;
• Nachteile: Höhere Kosten, nicht beständig gegen starke Alkali- und Ammoniakkorrosion;
• Anwendungsbereiche: Hochgeschwindigkeitslager (z. B. Werkzeugmaschinenspindeln, Automobilgetriebe), Hochtemperaturumgebungen (≤ 250 °C).

2. Nichtmetallische Käfige

1) Phenolharz (Bakelit)

Hergestellt durch Pressen von mit Phenolharz imprägniertem Baumwollgewebe oder Glasfaser:

• Vorteile: Gute Isolierung, geringes Gewicht, niedriger Reibungskoeffizient, Verschleißfestigkeit und keine chemische Reaktion mit Schmiermitteln;
• Nachteile: Begrenzte Temperaturbeständigkeit (≤ 120 °C) und schlechte Schlagfestigkeit;
• Anwendungsbereiche: Motorlager (mit Isolierung), Haushaltsgeräte, mittlere bis niedrige Drehzahlen und geringe Belastungen.

2) Nylon (Polyamid, z. B. PA66)

Nylonmaterialien mit Verstärkungsfasern (Glasfaser, Kohlefaser):

• Vorteile: Gute Zähigkeit, Schlagfestigkeit, starke Selbstschmierung und Toleranz gegenüber geringfügigen Schmierungsmängeln;
• Nachteile: Hohe Hygroskopizität (Umgebungsfeuchtigkeit muss kontrolliert werden), neigt zu Alterung bei hohen Temperaturen (im Allgemeinen ≤ 120 °C; spezielle Typen wie PA46 können 150 °C erreichen);
• Anwendungsbereiche: Automobil-Radnabenlager, Wasserpumpenlager, feuchte Umgebungen (Schmiermittel müssen hinzugefügt werden, um Wasseraufnahme zu verhindern).

3) Polytetrafluorethylen (PTFE)

Ein Fluorkunststoff mit extrem hoher Korrosionsbeständigkeit:

• Vorteile: Beständigkeit gegen Säuren und Laugen, großer Temperaturbereich (-200 °C bis 260 °C), extrem niedriger Reibungskoeffizient (selbstschmierend);
• Nachteile: Geringe Festigkeit und hohe Kosten;
• Anwendungsbereiche: Chemische Anlagen, Umgebungen mit hohen Temperaturen oder starker Korrosion.

4) Cermet/Keramik

Beispiele: Zirkonoxid (ZrO₂) und Siliziumnitrid (Si₃N₄):

• Vorteile: Extreme Temperaturbeständigkeit (bis zu 800 °C oder höher), Isolierung, nichtmagnetische Eigenschaften und Verschleißfestigkeit;
• Nachteile: Hohe Sprödigkeit und extrem hohe Kosten;
• Anwendungsbereiche: Hochtemperaturöfen, Nuklearindustrie und nichtmagnetische Umgebungen.

II. Klassifizierung nach Struktur und Herstellungsverfahren

Die Struktur des Lagerkäfigs bestimmt seine Führungsmethode (Innenringführung, Außenringführung, Wälzkörperführung) und seine Fähigkeit, Wälzkörper zu fixieren. Gängige Typen sind wie folgt:

1. Gestanzte Käfige

• Eigenschaften: Durch Stanzen dünner Metallbleche (Stahl, Kupfer) hergestellt, mit einfachen Strukturen (z. B. kronenförmig, schalenförmig, wellenförmig), geringem Gewicht, niedrigen Kosten und geeignet für die Massenproduktion;
• Führungsmethode: Meist wälzkörpergeführt oder innenringgeführt, mit allgemein hoher Drehzahlfestigkeit;
• Anwendungsbereiche: Kleine und mittelgroße Lager (z. B. Rillenkugellager, Pendelkugellager), allgemeine Maschinen (Motoren, Wasserpumpen).

2. Gedrehte Käfige

• Eigenschaften: Aus Stangen oder Rohren durch Drehen gefertigt, mit präzisen Strukturen, hoher Maßgenauigkeit und gleichmäßigen Abständen zwischen den Wälzkörpern;
• Führungsmethode: Meist außenringgeführt (Kontakt mit Außenringbord), mit guter Hochgeschwindigkeitsstabilität;
• Anwendungsbereiche: Große Lager, hochpräzise Lager (z. B. Werkzeugmaschinenspindellager, Schrägkugellager), hohe Drehzahlen und hohe Belastungen.

3. Genietete/geschweißte Käfige

• Eigenschaften: Bestehen aus zwei Halbkäfigen, die durch Nieten (Nieten) oder Schweißen verbunden sind, geeignet für Lager mit einer großen Anzahl großer Wälzkörper (z. B. Pendelrollenlager);
• Vorteile: Feste Montage, geeignet für große Wälzkörper und hohe Tragfähigkeit;
• Hinweise: Schweißen kann zu lokaler Spannungskonzentration führen, daher ist strenge Prozesskontrolle für Vermeidung der Risse erforderlich.

4. Massivkäfige

• Eigenschaften: Integrierte Struktur (meist für nichtmetallische Werkstoffe verwendet), nahtlos, hohe Festigkeit, geeignet für Zentrifugalkräfte bei hohen Drehzahlen
• Typische Werkstoffe: Nylon, Phenolharz, Cermet
• Anwendungsbereiche: Hochgeschwindigkeitslager, Bedingungen, bei denen Ablösen der Wälzkörper verhindert werden muss (z. B. Vertikalantriebe)

III. Hauptfunktionen von Käfigen und Auswirkungen von Ausfällen

Kernfunktionen

• Trennen der Wälzkörper, um Verschleiß und Wärmeentwicklung durch direkten Kontakt zu vermeiden;
• Führen der Wälzkörper für reibungslose Bewegung entlang der Laufbahnen, wodurch Vibrationen und Geräusche reduziert werden;
• Unterstützen der Wälzkörper bei der Positionsanpassung, wenn das Lager gekippt oder falsch ausgerichtet ist (z. B. Pendelkugellager), um eine gleichmäßige Kraftverteilung aufrechtzuerhalten.

Folgen des Ausfalls

• Käfigbruch: Führt zur Desorganisation und Blockierung der Wälzkörper, was sofortigen Lagerausfall und sogar Stillstand der Anlage zur Folge hat.
• Käfigverschleiß: Erzeugt metallische oder nichtmetallische Abriebpartikel, verunreinigt Schmierstoffe und beschleunigt den Gesamtverschleiß des Lagers.
• Verschleiß der Führungsflächen: Verursacht Abweichungen in der Bewegungsbahn der Wälzkörper, erhöht die Reibung und die Wärmeentwicklung und verringert die Lebensdauer des Lagers.

IV. Überlegungen zur Auswahl

1. Anpassung an die Betriebsbedingungen: Wählen Sie leichte Werkstoffe (Aluminiumlegierung, Nylon) für hohe Drehzahlen, Metall oder Keramik für hohe Temperaturen und PTFE oder Titanlegierungen für korrosive Umgebungen.

2. Belastungsart: Käfige aus Stahl oder Kupferlegierungen für hohe Belastungen, Nylon oder Phenolharz für geringe Belastungen.

3. Einbauumgebung: Vermeiden Sie die Verwendung von Nylon in feuchten Umgebungen (um Wasseraufnahme zu verhindern) und wählen Sie Phenolharz oder Keramik für Isolationsanforderungen.

4. Herstellerangaben: Käfigkonstruktionen variieren je nach Marke (z. B. SKF, NSK), daher sollten für die Auswahl die technischen Handbücher der jeweiligen Modelle herangezogen werden.

Sinnvolle Auswahl des Lagerkäfigs kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Lagers erheblich verbessern. Käfige sind besonders wichtig unter extremen Bedingungen (hohe Drehzahlen, hohe Temperaturen, Korrosion).