Die Lager

Dampflokomotive Elektrolokomotive Diesellokomotive

Mit dem Begriff Lager haben wir uns womöglich übernommen. Das Wort wird in so vielen Bereichen verwendet, dass es leicht zu Verwirrungen kommen kann. Verstehen Sie, was ich meine, wenn ich schreibe, dass das Lager im Lager mit Lager durch Lager verschoben werden kann? Viermal steht das Wort Lager und in jedem Fall bedeutet es etwas anderes. Nur, was es ist, weiss niemand so genau, womöglich auch ich nicht.

Ich muss meinen Satz mit Zusätzen versehen, damit wir wirklich das gleiche mit dem Satz verstehen. Daher müsste ich wohl schreiben, dass das Warenlager im Schullager mit Lager durch Achslager verschoben werden kann. Ein Lager konnte ich nicht präzisieren, denn es ist ein Name, wie Müller oder Meier. Wenn wir nun wieder zur Lokomotive, oder auch zu einem Wagen gehen, vermuten wir, dass damit wohl das Achslager gemeint ist.

Achslager sind Lager, die einer Achse dienen. Ähnlich, wie das Warenlager Waren dient. Mit den Achslagern sind wir auf den richtigen Weg, denn das Achslager ist ein Lager, das eine drehende Achse in ihrer Position hält. Damit sind wir wieder auf unseren Weg und jeder weiss, von was ich spreche. Ein Hinweis soll hier noch sein, denn wenn ich auf den folgenden Abschnitten von einem Lager spreche, meine ich natürlich das Achslager.

Ein wichtiger Punkt für die Belastung eines Lagers ist die Drehzahl der gelagerten Welle. Je schneller diese Welle dreht, desto mehr an Reibung entsteht.

Stellen Sie sich eine solche Welle vor. Diese hat einen kleinen Fehler, einen feinen Riss, den man nicht erkennen kann. Dieser Riss führt nun aber im Lager zu Reibung.

Bei einer Umdrehung also immer einmal. Das so belastete Material hat bei einer Umdrehung pro Minute eine Minute Zeit um abzukühlen.

Je schneller ich die Welle dreht, desto kürzer wird die Zeit, die zur Abkühlung vorhanden ist.

Die Befestigung einer Welle mit der Hilfe eines Lagers nennt man Lagerung. Bevor sich die Logistiker lautstark melden.

Ich weiss, auch dieser Begriff kann anderes gedeutet werden, aber hier sprechen wir von den Achslagern und daher darf ruhig angenommen werden, dass ich damit wohl die Lagerung dieser Lager angenommen habe.

Wir bleiben bei den Lokomotiven, auch wenn die hier geschriebenen Worte bei einer Achse in einem Wagen ebenso gelten.

Mit Befestigung bin natürlich auch nicht richtig, denn bei der Lagerung einer Achse wird eigentlich nichts befestigt.

Vielmehr verhindert das Lager, das sich die Welle oder eben die Achse in eine bestimmte Richtung bewegen kann. Im Lager ist das die Querrichtung, aber es kann durchaus sein, dass in Längsrichtung eine Verschiebung sogar gewünscht ist. Daher sollten wir schnell zu den unterschiedlichen Ausführungen der Lager kommen. Auch hier werden wir wieder den geschichtlichen Ablauf wählen.

Aber Halt! Bevor wir mit der Betrachtung der Lager beginnen, müssen wir uns Gedanken über deren Belastung machen. Auf den Lagern lastet immer eine Last. Diese erzeugt nun im Lager Reibung. Reibung wiederum erzeugt Wärme. Wird die Wärme zu gross, kann das Material schmelzen und so das Lager zerstört werden. Daher müssen spezielle Stoffe verwendet werden, die verhindern, dass Lager zu heiss werden und so einen Defekt erleiden. Diese Schmierung werden wir bei jedem Lager ansehen.

 

Die Gleitlager

Gleitlager sind die ältesten Lager, die es überhaupt gibt. Man verwendete sie schon bei der ersten sich drehenden Welle, die an einem Ort gehalten werden sollte. Damit wir nicht zu weit in der Geschichte zurückgehen müssen, nehme ich die Lager der Kutschen und Karren, die zum Teil als Vorbild für die Gleitlager der Eisenbahn verwendet wurden. Diese Fahrzeuge gab es schliesslich schon vor der Eisenbahn.

Bei den Kutschen legte man die Wellen der Achse in eine Schale aus Holz und schloss dieses Lager mit einer weiteren Schale auf der oberen Seite oder einfach mit einem aus Eisen bestehenden Bogen. Diese einfachen Lager wurden bei der Drehung der Welle schnell abgenutzt, so dass sie oft ersetzt werden mussten. Die Drehzahlen der Achsen waren jedoch so gering, dass das Holz verbrennen konnte, daher gab es keine zusätzliche Schmierung.

Bei den Gleitlagern für die Eisenbahn verbesserte man diese Lager ein wenig. Bei der Welle führte man nur eine bessere Fertigung ein, so dass hier weiterhin Stahl verwendet wurde. Stahl eignet sich gerade für Achsen gut und wird daher auch heute noch verwenden. Das zähelastische Material ist den Ansprüchen gut gewachsen und neigt damit selten zu Brüchen oder anderen Schäden. Die Flächen im Lager waren mit einer glatten Oberfläche versehen worden.

Statt Holz verwendete man nun Metall für den stehenden Teil des Lagers. Dieses Metall war weicher, als der Stahl der Achse, so dass der Verschleiss beim weichen Material zu finden war. Da man aber den restlichen Rahmen aus Stahl fertigte, konnte man diese weichen Metalle nur mit speziellen Einlagen anwenden. Diese Einlagen, die eigentlichen Lagerschalen, nannte man Achsbüchsen und wir werden sie nun genauer ansehen.

Die Achsbüchsen, also die Lagerschalen, sind das zweite metallische Bauteil eines Gleitlagers. Damit man sie mit einem möglichst geringen Aufwand auswechseln kann, sind die Achsbüchsen oft geteilt ausgeführt worden.

So kann man die Lagerschalen auch wechseln, wenn die Welle noch im Lager liegt und beim geöffneten Lager leicht angehoben wurde. Reparaturen werden so vereinfacht, was aber die Produktion etwas aufwendiger werden lässt.

Die Achsbüchsen sind ebenso genau und sauber bearbeitet worden, wie die Welle. Durch die feinen Flächen wird die Reibung reduziert und bei geringer Reibung entsteht weniger Wärme und weniger Verschleiss.

Hinzu kommen die weichen Metalle der Lagerschalen, die zudem für eine grundlegende Schmierung sorgen. Daher kommen hier nur ganz bestimmte Metalle zur Anwendung. Gemeinsam ist, dass sie selber schon gewisse Schmiereigenschaften haben.

Ein Metall, das für Achsbüchsen verwendet wird, ist Weissmetall. Darunter versteht man oft aus Zinn oder Zinnlegierungen gefertigte Lagerschalen. Zinn ist ein sehr weiches Metall, das bei Reibung gute Schmiereigenschaften hat.

Nachteilig bei Weissmetall ist, dass es sehr empfindlich auf Wärme reagiert. Der Grund ist die geringe Schmelztemperatur dieses Metalls. Daher muss verhindert werden, dass die Lager zu heiss werden.

Den Vorteil beim Weissmetall fand man bei der Verarbeitung. Das Metall ist so weich, dass man es mit einfachen Mitteln giessen und bearbeiten konnte.

Dadurch war eine saubere Fertigung auch mit den primitiven Maschinen von früher möglich. Lager mit Lagerschalen aus Weissmetall sind daher eher älterer Ausführung und die Lager zeigen so, wie gut sie sind, auch wenn man bei der Schmierung aufpassen muss.

Daher werden Gleitlager mit Lagerschalen aus Weissmetall mit speziellen Schmierölen geschmiert. Diese Öle haben bei geringen Temperaturen eine hohe Schmiereigenschaft, was die durch die Reibung entstehende Wärme gut ableitet. Entstehende Probleme mit der Wärme korrigiert man mit einer veränderten Zufuhr des Schmiermittels. So werden solche Lager zuverlässig betrieben, ohne dass es zu schweren Schäden kommt.

Die anderen Metalle, die bei Gleitlagern verwendet werden, sind Buntmetalle. Hier kommen Metalle wie Bronze oder Messing zur Anwendung. Diese beiden Metalle sind Legierungen, die aus Kupfer und Zinn oder Zink gefertigt werden. Dank dem in der Legierung enthaltenen Weissmetall, bleiben die Schmiereigenschaften der Weissmetalle erhalten. Der Zusatz von Kupfer macht die Lager aber weniger empfindlich gegen Wärme.

Buntmetalle können mit den Schmiermittel der Weisslager oder mit speziellen Fetten geschmiert werden. Gerade beim Einsatz von Fetten kann man eine Reduktion bei der Wartung erreichen. Wichtig ist aber auch hier, dass der Schmierfilm zwischen der Achsbüchse und der Welle geschlossen ist. Dadurch wird die Reibung im Lager zusätzlich reduziert und der Verschleiss des Lagers wird verringert. Auch entsteht weniger Wärme, die abgeführt werden muss.

Gleitlager sind besonders im neuen Zustand anfällig auf Lagerschäden. Diese entstehen, weil sich die Materialen noch nicht eingelaufen haben und so ungewollte Reibung entsteht. Zudem können die Toleranzen zu genau gearbeitet sein, so dass sich zwischen der Welle und der Achsbüchse nur schwer ein benötigter Schmierfilm aufbauen kann. Mit zunehmender Abnutzung reduziert sich diese Gefahr jedoch, so dass Gleitlager gut funktionieren und daher immer noch verwendet werden.

Ein grosser Nachteil der Gleitlager ist der Verschleiss an Schmiermittel. Gerade die Schmieröle neigen dazu, sich durch die feinen Lücken des Lagers ins Freie zu verirren. Daher muss man regelmässig Öl nachfüllen und die Lager kontrollieren. Zudem belasten die ausgetretenen Schmiermittel die Umwelt. Das soll aber nicht heissen, dass man heute keine neuen Gleitlager baut und diese nicht gut funktionieren, denn Gleitlager benötigen wenig Platz.

Dass Gleitlager heute bei der Eisenbahn nahezu verschwunden sind, liegt nicht an den Nachteilen der Gleitlager alleine. Die neuen Lager, die anders aufgebaut wurden, waren einfach so viel besser, dass man auf diese Lager umstellte und so die Gleitlager zunehmend verschwanden. Wie gut die neuen Lagertypen waren, zeigt die Tatsache, dass man sogar Lokomotiven von Gleitlager auf diese neuen Lager umbaute.

 

Die Wälzlager

Nach den Gleitlagern kommen wir nun zu den Lagern, die dafür sorgen, dass Gleitlager immer mehr verschwinden. Diese Lager haben sich so gut bewährt, dass sie heute nahezu ausschliesslich verwendet werden. Daher lohnt es sich sicherlich, wenn wir uns in die Welt der Wälzlager begeben. Nur, was sind Wälzlager und warum sind sie so gut? Beginnen wir doch gleich beim Namen, denn den kennen Sie vielleicht gar nicht.

Wälzlager sind wohl besser unter einer bestimmten Bauform bekannt. Vermutlich haben Sie den Begriff Kugellager schon einmal gehört. Nur mit dem Kugellager wird nur ein kleiner Teil der grossen Vielfalt dieser Lager besprochen. Daher sprechen wir um es genau zu nehmen, von Wälzlagern. Ein Begriff, der die Funktion dieser Lager zu deutlich aufzeigt. Die bekannten Bauformen werden wird dann im Anschluss sehen, denn die Funktion ändert sich nicht.

Beim Wälzlager werden zwei Lagerschalen aus Stahl verwendet. Diese Lagerschalen werden sowohl an der Welle, als auch bei der Achsbüchse befestigt. Sie haben richtig gelesen, die Lagerschalen bei diesen Lagern werden befestigt. Dazu verwendet man meistens einen Passsitz, der die Lagerschalen mechanisch fixiert. Sie werden somit nicht festgeschraubt, sondern halten nur dank der mechanischen Reibung.

Zwischen diesen beiden Ringen werden nun die Kugeln oder Walzen angeordnet. Diese geben dem Lager letztlich den Namen. Diese Walzen oder Kugeln werden durch die Bauform der Lagerschalen zwischen diesen beiden Schalen gehalten. Ein Ring, der Käfig genannt wird, sorgt zudem dafür, dass sich diese Walzen oder Kugeln gleichmässig zwischen den Schalen verteilen und diese so auf Abstand halten.

Beginnt sich die Welle nun zu drehen, werden die Kugeln oder Walzen in Drehung versetzt. Dadurch beginnen sich die Walzen nun ebenfalls zu drehen. Damit verschieben Sie sich gegenüber der stehenden und drehenden Lagerschale. Die Kugeln oder Walzen drehen sich nun mit der halben Geschwindigkeit der Welle. Durch diese Drehung wird die Reibung im Lager deutlich reduziert, so dass es kaum mehr Reibung gibt.

Der Käfig sorgt dafür, dass die Kugeln oder Walzen während der Drehung ihre Position beibehalten. Daher können sich die einzelnen Walzen oder Kugeln nicht berühren. Da es nun aber wegen den sich drehenden Walzen kaum mehr Reibung gibt, arbeiten Wälzlager nahezu verschleissfrei. Oft werden sie bei der Fertigung geschmiert und müssen danach nicht mehr gewartet werden. Wälzlager sind heute nicht mehr wegzudenken.

Ein grosses Problem für Wälzlager ist Rost. Die Stahlteile des Lagers neigen dazu Rost anzusetzen. Dadurch wird die Oberfläche rau und die Reibung wird erhöht. Geschieht das, kann sich der Käfig lösen und die Kugeln oder Rollen fallen aus dem Lager. Das Lager leiert aus und beginnt sich zu verformen. Die Folgen sind auch hier dramatisch und führen zum Ausfall des Lagers. Ein Vorteil von Wälzlagern ist jedoch deren leichter Ersatz. Das Lager ist schnell gewechselt und das Fahrzeug wieder einsatzbereit.

Die Kugellager: Das Kugellager gehört wohl zu den bekanntesten Wälzlagern, die es gibt. Landläufig spricht man von Kugellager und meint dabei die anderen Bauformen von Wälzlagern. Dabei sind die Kugellager nur eine bestimmte Bauform dieser Lager. Der Unterschied zu den anderen Bauformen befindet sich zwischen den beiden Lagerschalen. Beim Kugellager werden dort, wie man unschwer erraten kann, Kugeln verwendet.

Die Kugeln beim Kugellager werden aus gehärtetem Stahl gefertigt. Dadurch sind sie den hohen Belastungen, die auf die Kugeln wirken, gewachsen. Die harten Bauteile können dann verschleissfrei betrieben werden. Die Kugeln waren die ersten Lösungen, die beim Bau von Wälzlagern verwendet wurden und Kugellager sind heute nahezu überall zu finden. Selbst bei Ihnen zu Hause wird es Kugellager geben.

Kugellager haben viele Vorteile, die nun aber für alle Wälzlager sprechen. Daher erwähne ich hier nur die Vorteile dieser Bauform. Durch die Kugeln kann das Lager auch leicht auf Torsion beansprucht werden. Kugellager können daher auch geringe Kräfte, die entgegen der Achslinie wirken aufnehmen. Damit neigen sie bei auf Torsion belasteter Welle weniger zu Schäden. Ihr Einsatzbereich reicht daher vom Bürostuhl bis zum zur grössten Maschine.

Nachteile finden sich auch bei einem so guten Lager, wie dem Kugellager. Die Belastungen, die auf die Lager wirken, beanspruchen die Kugeln. Diese müssen die Lasten schliesslich übertragen. Das kann bei einem überlasteten Lager dazu führen, dass die Kugeln zerdrückt werden und der Käfig beschädigt wird. Die Kugeln können sich lösen und herausfallen, das Lager erleidet dadurch einen schweren Lagerschaden.

Da man gerade das Problem mit der geringen Belastung der Kugellager als ernst bezeichnen kann, kamen in diesen Bereichen lange Zeit immer noch die veralteten Gleitlager zur Anwendung. Diese benötigten bei der vergleichbaren Belastung viel weniger Platz, als die Kugellager. Trotzdem auch dieses Manko konnte den Kugellagern keinen Schaden beifügen, denn mit einem geänderten Aufbau, wurden auch die Wälzlager besser.

Die Rollenlager: An der Stelle von Kugeln, die beim Kugellager verwendet werden, verwendet man beim Rollenlager Stahlrollen. Diese Stahlrollen werden, wie die Kugeln aus gehärtetem Stahl gefertigt und sie müssen sehr exakt gefertigt werden, denn es darf keine Unterschiede bei den Durchmessern geben, da sonst das Lager nicht mehr korrekt funktioniert. Daher müssen diese Rollen zylindrisch ausgeführt.

Man nennt die Rollenlager daher auch Zylinderrollenlager, was eigentlich der korrekte Name für diese Lager ist, denn der Begriff Rollenlager ist etwas zu ungenau, wie wir später noch erfahren werden. Der entscheidende Punkt dieser Lager sind die Rollen genannten Zylinder, die wie die Kugeln beim Kugellager in einem Käfig gehalten werden. Die Funktion ist ebenfalls identisch, so dass wir gleich zu den Vorteilen kommen können.

Mit der Hilfe von Zylinderrollenlagern, konnten auch grosse Kräfte abgestützt werden. Die auf die länglichen Rollen wirkenden Kräfte verteilten sich besser, als bei den Kugeln, wo nur eine punktuelle Belastung erfolgen konnte. Die wirklich schwer belasteten Lager, waren daher Rollenlager und so überrascht es wenig, wenn bei den Eisenbahnen und deren Achsen solche Lager verwendet werden, denn nur sie konnten die Kräfte aufnehmen.

Auch diese Zylinderrollenlager waren nicht vor Schäden geschützt. Im Gegenteil, es kam zu den, bei den Kugellagern schon bekannten Problemen, ein neues Problem hinzu. Die Rollen, die im Lager montiert wurden, reagierten sehr empfindlich auf unterschiedliche Druckkräfte. Das heisst, eine radiale Verdrehung der Achse führt unweigerlich mit der Zeit zum Ausfall des Lagers. Daher muss man darauf achten, dass Zylinderrollenlager gleichmässig belastet werden.

Mit den Zylinderrollenlagern hatte man nun auch die Bereiche abdecken können, die von den Kugellagern nicht übernommen werden konnten. Damit konnten nun auch die letzten Gleitlager abgelöst werden. Zwar werden immer noch neue Gleitlager verwendet, aber wenn es geht, werden entweder Zylinderrollen oder Kugeln in den Wälzlagern verwendet. Trotzdem, ein Problem hatte man immer noch, so das ein weiterer Typ entwickelt wurde.

Die Kegelrollenlager: Die Probleme, die man mit den Kugellagern und den Zylinderrollenlagern hatte, führten dazu, dass man die Kegelrollenlager entwickelte. Beim Kegelrollenlager werden die Zylinder, beziehungsweise die Kugeln, durch kegelförmige Rollen ersetzt. Damit diese trotzdem korrekt funktionieren konnten, mussten die Lagerschalen entsprechen geformt werden. Beim Material änderte man jedoch nichts mehr.

Kegelrollenlager werden sehr oft als zweireihige Lager ausgeführt. Das heisst in einem Lager sind zwei Reihen Kegelrollen, die gegeneinander gerichtet sind, eingebaut worden. Wobei natürlich auch einreihige Lager oder sogar mehrreihige Lager möglich sind. Die Kegelrollen werden dabei bei allen Ausführungen in einem gemeinsamen Käfig gehalten. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass die nun aufgeführten Vorteile in beiden Richtungen ohne Einschränkungen gelten.

Das Kegelrollenlager löste gleich sämtliche Probleme, die man bei den Zylinderrollenlagern hatte. Ein Kegelrollenlager kann somit die gleichen Kräfte aufnehmen, wie das gewöhnliche Rollenlager. Hingegen kann ein Kegelrollenlager auch Kräfte, die das Lager auf Torsion belasten aufnehmen. So wurde der grösste Nachteil der Rollenlager eliminiert. Man hatte das perfekte Lager geschaffen, das nun wirklich überall verwendet werden konnte.

Der Nachteil des Kegelrollenlagers ist dessen Fertigung. Die aufwendige Fertigung dieser Lager macht sie sehr teuer. Das lohnt sich nicht, wenn man die beiden anderen Wälzlager sorgfältig verarbeitet, funktionieren diese gut. Daher werden Kegelrollenlager wirklich nur dort verwendet, wo man schwere Wellen und hohe Lasten übernehmen musste und man dabei mit Kräften in Torsionsrichtung rechnen musste. Es entstanden daher Speziallager, die von den Kegelrollenlagern übernommen wurden.

Jedoch bleibt immer noch das Problem von Rost und Montagefehlern bei den Wälzlagern. Fertigungsfehler führen schnell und wiederholt zu Beschädigungen am Wälzlager. Das hat zur Folge, dass man das Lager auswechseln muss. Wälzlager, die beschädigt wurden, können oft nicht mehr repariert werden. Mit Verbesserungen bei der Fertigung bekam man diese Probleme in den Griff und die Lager funktionierten gut, zumindest so lange, bis sie Rost ansetzen.

Der grösste Feind der Wälzlager ist das Wasser. Dringt Feuchtigkeit in das Lager ein, wird das Fett, das zur Schmierung benötigt wird, ausgewaschen und die Rollen und Kugel setzen Rost an. Daher muss man darauf achten, das Wälzlager trocken bleiben und sie regelmässig geschmiert werden. Die Abstände für die Schmierung dieser Lager sind aber so hoch, dass man dies beim regelmässigen Unterhalt prüft und allenfalls verbessert.

Ein vollwertiger Schutz vor Nässe bieten die geschlossenen Lager. Bei diesen Lagern ist zwischen den beiden Lagerschalten eine Abdeckung aus Kunststoff eingebaut worden. Dieser Kunststoff besteht aus zwei Hälften, die so übereinander gelegt werden, dass keine Feuchtigkeit eindringen kann. Diese geschlossenen Lager bieten einen etwas grösseren Drehwiderstand, jedoch sind sie hervorragen vor dem gefürchteten Rost geschützt.

 

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