Wälzlager sind in vielen Rotationsanwendungen unverzichtbar, da sie die Reibung zwischen beweglichen Teilen minimieren und so die Effizienz und Lebensdauer von Maschinen verbessern. Ihre Lebensdauer ist entscheidend für die Verfügbarkeit und Sicherheit von Maschinen. Für den Anwender ist deshalb die Kenntnis einer Ausfallursache von zentraler Bedeutung, denn diese bietet ihm Ansatzpunkte, zukünftig identische Schäden zu vermeiden. Vor diesem Hintergrund klärt Patrick Schramm über Wälzlagerschäden und deren Ursachen auf. Schramm ist Application Engineer Industry bei der NTN Wälzlager (Deutschland) GmbH.
Was sind die Hauptursachen für Wälzlagerschäden?
Ermüdung bei Wälzlagern tritt auf, wenn zyklische mechanische Belastungen Mikrorisse im Material verursachen, die sich fortsetzen und zu Abplatzungen führen. Dieser Prozess ist ein normaler Alterungsprozess und kann auch unter optimalen Bedingungen auftreten, was schließlich zur Beendigung der Lebensdauer des Lagers führt. Zusätzlich kann Verschleiß, wie etwa abrasiver Verschleiß durch Fremdpartikel, die Ermüdung beschleunigen. Dabei rauen Partikel die Materialoberfläche auf, was Spannungsspitzen verursacht und die Ermüdung fördert.
Abrasiver und adhäsiver Verschleiß
Die Norm unterscheidet zwischen abrasivem und adhäsivem Verschleiß bei Wälzlagern. Abrasiver Verschleiß entsteht durch Fremdpartikel oder Ermüdungsausbrüche, die Reibung an der Oberfläche verursachen (Abb. 1). Fremdpartikel dringen meist während der Montage oder im Betrieb aufgrund unsachgemäß montierter Dichtungen ein. Adhäsiver Verschleiß entsteht durch Materialübertragung zwischen den aneinander reibenden Oberflächen, sichtbar als Materialverlust und -auftrag (Abb. 2).
Dazu erläutert Schramm: „Hauptursachen für den adhäsiven Verschleiß sind eine unzureichende Schmierung oder eine ungenügende Viskosität des Schmiermittels für den Einsatzzweck. Als Auslöser kommen aber auch zu hohe oder ungleichmäßige Belastungen sowie Schlupf bei niedrigen Belastungen und hohen Geschwindigkeiten in Frage.“
Wie können Stillstandsmarkierungen verhindert werden?
Eine besondere Art von Verschleiß sind Stillstandsmarkierungen, auch unter Riffelbildung bekannt. Diese erkennt man an den charakteristischen Mulden, die sich in den Laufbahnen bilden (Abb. 3). „Diese Laufbahnmarkierungen entstehen im Stillstand eines Wälzlagers“, erklärt der NTN-Ingenieur. „Werden – zum Beispiel von anderen Aggregaten – Vibrationen übertragen, entstehen durch diese erst korrosiver und dann abrasiver Verschleiß punktuell an den Stellen, an denen im Stillstand die Wälzkörper auf den Laufflächen stehen.“
Welche Rolle spielt Schmierung bei der Schadensprävention?
Korrosion an Wälzlagern tritt hauptsächlich aufgrund von Feuchtigkeit und als Reibkorrosion auf. Der Anwendungsingenieur Schramm erklärt: „Korrosion aufgrund von Feuchtigkeit entsteht, wenn Flüssigkeit aufgrund unzureichender oder beschädigter Dichtungen in das Lager eindringt, oder die Bauteile vor dem Einbau unsachgemäß gelagert wurden.“ Erkennbar ist sie an Oxidationserscheinungen wie rötlich-braunen oder schwarzen Verfärbungen (Abb. 4).
Zur Vermeidung sind trockene Lagerung, saubere Montage, Kontrolle und Austausch defekter Dichtungen sowie die Nutzung eines nach Herstellerangaben empfohlenen Schmierstoffs wichtig.
Korrosionsschäden durch Reibkorrosion
Schramm: „Reibkorrosion entsteht durch die Kombination von Druck und Reibung infolge kleiner Relativbewegungen zwischen Oberflächen unter bestimmten Lasteinwirkungen. Dies führt zu Oxidation mit sichtbar freigesetztem, pulvrigem Materialabtrag.“ (Abb. 5) Ähnlich entsteht Passungsrost durch Relativbewegungen an Passungen, wodurch Eisenverschleißpartikel mit Sauerstoff zu Rost reagieren, erkennbar an rotbraunen und schwarzen Abriebpartikeln.
Ursachen sind Vibrationen und unzureichender Festsitz. Zur Vermeidung sollten Geometrie und Lagersitztoleranzen gemäß Herstellerangaben geprüft, Montagepaste verwendet und die Anzugsmomente der Spannmuttern kontrolliert werden.
Warum führt Elektroerosion zu Schäden?
Elektroerosion tritt auf, wenn elektrischer Strom durch das Wälzlager fließt. Dadurch entsteht eine ungewollte Potenzialdifferenz zwischen Innen- und Außenring. Diese Entladungen können Krater (Abb. 6) oder Aufschmelzungen an der Oberfläche verursachen, während kontinuierliche Ströme linienförmige Markierungen, sogenannte Elektroriffel, und dunkle Verfärbungen hinterlassen (Abb. 7).
Schramm zu den Ursachen: „Grund sind oft nahegelegene elektrische Geräte oder fehlerhafte Masseanschlüsse, etwa beim Schweißen. Zur Vermeidung sollten Spannungserzeuger vom Lager getrennt oder geerdet werden. Zudem kann eine elektrische Isolation des Lagers durch Beschichtungen oder keramische Wälzkörper sinnvoll sein, oder die Welle sollte geerdet werden, um Ströme gezielt abzuleiten.“
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Wie wird Verschleiß durch Überlastung vermieden?
Die statische Tragzahl C0 ist ein entscheidender Parameter für Wälzlager und gibt an, wann eine Belastung im Ruhezustand zu einer bleibenden plastischen Verformung von 0,01 Prozent bei Wälzkörpern oder Laufbahnen führt. Schramm: „Über die statische Tragsicherheit, die Lagertyp und Anwendungsfall berücksichtigt, wird ermittelt, ob ein Lager den statischen Belastungen, einschließlich Stoßbelastungen, standhält. Das Überschreiten der Grenzwerte führt zu lokalen plastischen Verformungen, zum Beispiel Eindrückungen in den Laufbahnen durch die Wälzkörper.“
Diese Materialverdrängungen erzeugen Aufwürfe am Rand der Mulden, die beim Überrollen durch Wälzkörper zu höheren Kontaktspannungen, Vibrationen, Geräuschentwicklung und schließlich erhöhtem Verschleiß sowie Ermüdung führen. Schramm rät: „Es ist daher wichtig, die vom Hersteller vorgegebenen Grenzwerte für die statische Belastung des Wälzlagers entsprechend dem Anwendungsfall und der Betriebsart einzuhalten.“
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Schäden durch Eindrückungen
Eindrückungen in Wälzlagern entstehen zum Beispiel durch das Eindringen kleiner Partikel, die Materialverdrängungen und Aufwürfe an den Rändern der Eindruckstellen verursachen (Abb. 8). Diese Fremdkörper gelangen häufig durch verschmutztes Öl ins Lager und führen zu vorzeitiger Ermüdung und Materialausbrüchen. „Vermeiden lassen sich solche Schäden durch saubere Arbeitsumgebungen, korrekte Abdichtungen und gefiltertes Schmieröl. Eindrückungen können auch durch unsachgemäße Handhabung, wie Fallenlassen oder Schläge während der Montage, entstehen“, so Schramm.
Kugellager zeigen oft kegelförmige Eindrückungen am Laufbahnrand (Abb. 9), während Zylinderrollenlager Rillen aufweisen (Abb. 10). Schramm betont, dass beim Einbau mit Triebschlägen die Schläge stets an dem Lagerring mit Festsitz angesetzt werden sollten (Abb. 11). Die Verwendung eines Rohrs mit gleichem Durchmesser hilft, die Kraft gleichmäßig auf den Lagerring zu verteilen, um weitere Schäden zu vermeiden.
NTN Wälzlager
Mit über 23.000 Mitarbeitenden an Standorten in 33 Ländern ist die NTN Corporation ein global agierendes Unternehmen. In den Produktsegmenten Radlager, Gleichlaufgelenke und Wälzlager zählt sich das Unternehmen zu den Weltmarktführern.
Mit www.waelzlagerwissen.de hat die NTN Corporation eine umfassende digitale Wissensplattform rund um Wälzlager geschaffen.
Zu hohe radiale Vorspannung
Eine wichtige Schadensursache, die nicht in der Norm explizit erwähnt wird, ist die nicht optimale Lagerbefestigung. Eine zu starke Verspannung, etwa durch ein zu großes Übermaß beim Presssitz oder aufgrund von Wärmedehnung, kann das radiale Betriebsspiel auf unter Null setzen, was zu einer ungünstigen Vorspannung führt. Diese verursacht erhöhte Reibung und Wärme, was das Lager überhitzen und letztlich ausfallen lassen kann. Bei Verklemmen gleiten die Wälzkörper nur noch, was die Wärme weiter erhöht. Zur Vermeidung sollten Maßtoleranzen der Welle und Anzugsmomente der Nutmuttern geprüft werden.
Schramm fasst zusammen: „Die Kenntnis der Schadensbilder von Wälzlagern ist wichtig, um Schadensursachen zu vermeiden und so frühzeitige Ausfälle zu verhindern. So wird nicht nur das Lebensdauerpotenzial des jeweiligen Wälzlagers ausgenutzt, sondern ungeplante Anlagenstillstände mit Ausfallzeiten für die Produktion sowie nötigen Spontaneinsätzen der Instandhaltung werden vermieden.“