Was verursacht eine Überhitzung des Wälzlagers? Eine technische Ursachenanalyse

Hauptursachen für Überhitzung in Wälzlagern

Überhitzung ist selten auf einen einzelnen, isolierten Faktor zurückzuführen. Häufiger ist es das Ergebnis miteinander verbundener Bedingungen, die die thermische Belastung verstärken. Die folgenden Kategorien stellen die am häufigsten identifizierten Grundursachen in industriellen Anwendungen dar.

Schmierungsfehler

Die Schmierung ist das Lebenselixier jedes Wälzlagers. Zu seinen Hauptfunktionen gehört es, Wälzkörper von den Laufbahnen zu trennen, Wärme abzuleiten und Korrosion zu verhindern. Wenn die Schmierung ausfällt, steigt die Reibung exponentiell an und es entsteht übermäßige Hitze.

• Falscher Schmierstofftyp oder falsche Viskosität: Die Verwendung eines Öls oder Fetts mit einer für die Betriebsgeschwindigkeit zu hohen Viskosität erhöht den Widerstand und die Wärmeentwicklung. Umgekehrt kann eine niedrige Viskosität keinen ausreichenden elastohydrodynamischen (EHD) Film aufrechterhalten, was zu Metall-auf-Metall-Kontakt und Reibungserwärmung führt.
• Schmierstoffabbau: Durch die Einwirkung von hohen Temperaturen, Verunreinigungen oder Oxidation werden Schmiergrundöle und Verdickungsmittel zersetzt und ihre Filmbildungsfähigkeit verringert. Verschlechtertes Fett kann aushärten oder seine Fähigkeit, Wälzkörper zu trennen, verlieren.
• Überfettung oder Unterfettung: Überschüssiges Fett füllt den Lagerhohlraum und verursacht Aufwirbelung und erhöhte Betriebstemperaturen. Zu wenig Fett führt zu Mangel- und Grenzschmierbedingungen. Untersuchungen deuten darauf hin, dass steifere Fette (höhere NLGI-Klassen) bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen möglicherweise eine bessere Leistung erbringen, da sie einem Zurückrutschen in die Rollbahn widerstehen und so den Widerstand verringern.
• Inkompatibilität: Das Mischen verschiedener Fettchemien (z. B. auf Lithiumbasis mit Polyharnstoffbasis) kann zu Erweichung, Verhärtung oder Ölabscheidung führen und die thermische Stabilität beeinträchtigen.

Falsche Montage und Passform

Die Beziehung zwischen einem Wälzlager und seinen angrenzenden Komponenten (Welle und Gehäuse) bestimmt das Innenspiel und die Lastverteilung. Eine falsche Montage wirkt sich direkt auf die Wärmeleistung aus.

• Übermäßige Presspassung: Ein zu fester Sitz auf der Welle oder im Gehäuse komprimiert die Lagerringe und verringert das innere Radialspiel. Durch diese Reduzierung kann das Betriebsspiel beseitigt werden, was dazu führt, dass die Wälzkörper eingeklemmt werden und extreme Reibung erzeugen.
• Unzureichender Abstand: Selbst bei korrekter Passung kann die Auswahl eines Lagers mit einem Anfangsspiel, das für die erwartete Wärmeausdehnung zu gering ist, zum Fressen führen, wenn sich das Lager erwärmt und ausdehnt.
• Fehlausrichtung: Eine Winkelfehlausrichtung zwischen Welle und Gehäuse zwingt die Wälzkörper dazu, sich auf schrägen Bahnen zu bewegen, was zu ungleichmäßiger Spannung und örtlicher Erwärmung führt. Dies wirkt sich besonders nachteilig auf Zylinder- und Nadellager aus, bei denen die Möglichkeit einer Fehlausrichtung begrenzt ist.

Übermäßige Belastung oder ungleichmäßige Belastung

Jedes Wälzlager ist für eine bestimmte dynamische und statische Belastbarkeit ausgelegt. Bei Betrieb außerhalb dieser Grenzen oder wenn das Lager einer ungleichmäßigen Lastverteilung ausgesetzt wird, erhöhen sich Spannung und Reibung.

• Überlastung: Das Überschreiten der berechneten Tragzahl des Lagers erhöht die Kontaktspannungen an der Schnittstelle zwischen Wälzkörper und Laufbahn. Höhere Spannung führt zu größerer elastischer Verformung und Reibungsenergie, die sich als Wärme manifestiert.
• Axiallast in unidirektionalen Lagern: Das Aufbringen von Axiallasten auf Lager, die nicht für erhebliche Axialkräfte ausgelegt sind (z. B. Standard-Zylinderrollenlager), führt zu Kantenbelastungen und übermäßiger Wärmeentwicklung. Kegelrollenlager oder Schrägkugellager sind speziell für die Aufnahme kombinierter Belastungen ausgelegt.
• Unwuchtige rotierende Komponenten: Eine unausgeglichene Welle oder ein unausgeglichener Rotor führt zu zyklischen Belastungen, die die dynamische Nennleistung des Lagers überschreiten, was zu schwankender Reibung und Temperaturspitzen führt.

Kontamination und Fremdpartikel

Partikel wie Schmutz, Staub, Metallspäne oder Prozessrückstände, die in das Lager eindringen, haben einen tiefgreifenden Einfluss auf das thermische Verhalten.

• Einkerbungsschaden: Partikel können von den Wälzkörpern überrollt werden, wodurch Eindrücke in den Laufbahnen entstehen. Diese „Brinelling“-Markierungen erhöhen die Oberflächenrauheit und erzeugen Reibung, wenn nachfolgende Wälzkörper auf sie treffen.
• Abrasiver Verschleiß: Im Schmierstoff suspendierte feine, harte Partikel wirken als Schleifmittel, tragen nach und nach Material ab und verändern die Geometrie des Lagers, was zu einem größeren Laufspiel und übermäßiger Hitze führt.
• Feuchtigkeitseintritt: Wasserverunreinigungen verringern die Dicke des Ölfilms und begünstigen Korrosion, wodurch Oberflächen aufgeraut und der Verschleiß beschleunigt werden, wodurch Reibung und Temperatur steigen.

Unzureichende Kühlung oder Belüftung

Selbst bei normaler Betriebsbelastung erzeugen Wälzlager eine Grundwärmemenge, die abgeführt werden muss. Eine unzureichende Kühlung kann zu einem allmählichen Temperaturanstieg führen.

• Eingeschränkter Luftstrom: Bei Maschinen mit natürlicher Konvektionskühlung können mangelnde Freiräume um das Gehäuse oder verschmutzte Kühlrippen zu Wärmeeinschlüssen führen.
• Ausfall des Kühlsystems: Bei flüssigkeitsgekühlten Gehäusen verhindern verstopfte Kühlmittelkanäle, niedrige Kühlmittelstände oder Pumpenausfälle die Wärmeabfuhr aus dem Lagerbereich.
• Hohe Umgebungstemperatur: Der Betrieb in bereits warmen Umgebungen verringert den für die Wärmeableitung verfügbaren Temperaturunterschied.