Radiale oder axiale Belastung: Was ist der Unterschied?

Was ist eine Radiallast?

Eine Radiallast ist eine Kraft, die im rechten Winkel zur Wellenachse wirkt, entlang eines Radius. Das einfachste Beispiel ist die Schwerkraft an einer liegenden Welle: Die Welle drückt nach unten auf den Grund der Lagerbohrung. Riemenspannung, Kettenzug, die Radialkraft zwischen geradverzahnten Zahnrädern, Unwuchtkräfte und die Reaktion an einem Gelenkbolzen sind alle radial.

In einem Gleitlager trägt die zylindrische Lauffläche die Radiallast. Die Welle berührt nicht die ganze Bohrung; sie liegt auf einem belasteten Bogen auf, der für die Auslegung als projizierte Fläche Bohrungsdurchmesser × Länge behandelt wird. Deshalb wird die spezifische Belastung einer Zylinderbuchse als p = F / (d × L) geschrieben: Dieselbe Kraft ergibt an einer längeren Hülse oder einer größeren Bohrung eine geringere Flächenpressung.

Was ist eine Axiallast?

Eine Axiallast, auch Axialschub oder Längskraft genannt, wirkt parallel zur Wellenachse. Sie versucht, die Welle durch das Lager zu schieben statt quer dazu. Quellen sind die Reaktion eines Pumpenlaufrads oder Propellers, die Axialkomponente von Schräg- oder Schneckenverzahnungen, die Spannkraft entlang einer Schraube oder Spindel und das Gewicht einer stehenden Welle.

Eine zylindrische Bohrung kann keine Axiallast tragen; die Welle würde einfach hindurchrutschen. Der Schub wird von einer ebenen Fläche im rechten Winkel zur Achse aufgenommen: einer Anlaufscheibe zwischen Wellenabsatz und Gehäuse, dem Bund einer Bundbuchse oder der Stirnfläche einer Hülse gegen einen Wellenabsatz. Die spezifische Belastung ist Kraft geteilt durch Lagerfläche, p = F / A, wobei A die Ringfläche von Scheibe oder Bund abzüglich der Nuten ist.

Beispiele für radiale und axiale Belastung

Dieselbe Maschine enthält meist beides. Ein Auslegerbolzen am Bagger trägt das Auslegergewicht und die Grabreaktion radial, während Seitenkräfte am Löffel Axialschub auf die Bolzenenden erzeugen. Die Welle einer Kreiselpumpe sieht Radiallast aus der hydraulischen Unwucht des Laufrads und Axiallast aus der Druckdifferenz über das Laufrad. Eine Fahrzeugradnabe trägt das Fahrzeuggewicht radial und die Kurvenkraft axial.

Kombinierte Lasten und wie sie getragen werden

Die meisten Gelenke sehen beide Lasten gleichzeitig. Drei Anordnungen tragen sie. Eine Zylinderbuchse mit separater Anlaufscheibe hält jede Last auf ihrer eigenen Fläche und lässt jede unabhängig auslegen und tauschen; das ist die übliche Wahl für schwere Maschinen. Eine Bundbuchse vereint beides in einem Teil: Die Hülse trägt die Radiallast, der Bund eine leichte bis mäßige Axiallast, und zugleich fixiert er die Buchse im Gehäuse. Ein Paar Buchsen mit Absätzen auf der Welle ist die dritte Anordnung, verbreitet in kleinen Mechanismen.

Der Bund einer Bundbuchse ist kein vollwertiges Axiallager. Er ist dünn, auf seiner Rückseite meist ungeschmiert, und seine Fläche ist klein; er eignet sich für Fixierkräfte und gelegentlichen Schub, nicht für dauernde Axiallast. Ist die Axialkomponente nennenswert, schreiben Sie eine Anlaufscheibe vor.

Was jede Last im Lager bewirkt

Die Radiallast bestimmt die Flächenpressung im belasteten Bogen, den hydrodynamischen Film in einem ölgeschmierten Lager und – über das Laufspiel – wie weit die Welle aus der Mitte wandert. Zu viel Radiallast für den Werkstoff führt zu plastischem Fließen der Lagerschicht (Bronze und Bimetall), zum Kaltfließen des Polymers (PTFE, POM) oder zu Ermüdungsrissen unter Wechsellast. Schiefstellung macht aus einer verteilten Radiallast eine Kantenlast an einem Ende der Bohrung – die häufigste Ursache für frühen Buchsenausfall in Drehpunkten.

Die Axiallast bestimmt die Flächenpressung auf der Anlauffläche. Weil Anlaufflächen klein sind und ihre Gleitgeschwindigkeit mit dem Radius zunimmt, laufen sie bei gleicher Pressung heißer als Hülsen; meist wird der pv-Grenzwert zuerst überschritten, nicht der Belastungsgrenzwert. Der Schmierstoff muss über radiale Nuten auf die Fläche geführt werden, denn von der Seite kann er nicht eindringen wie in einer Hülse.

Spezifische Belastung p und Gleitgeschwindigkeit v werden getrennt gegen p max, v max und (p·v) max des Werkstoffs geprüft. Wer einen Grenzwert ausreizt, hat für die anderen keinen Spielraum mehr.

Einflüsse auf die Lastverteilung

Die Nennrechnung geht davon aus, dass sich die Last gleichmäßig über die projizierte Fläche verteilt. In der Praxis verschlechtern mehrere Einflüsse das Bild.

• Schiefstellung zwischen Welle und Gehäuse konzentriert die Radiallast an einem Ende der Bohrung (Kantenlast). Selbsteinstellende Bauarten, kürzere Buchsen oder ein sphärischer Sitz mindern sie.
• Verhältnis Länge zu Durchmesser: Eine lange, schlanke Hülse (L/d über etwa 1,5) reagiert empfindlicher auf Schiefstellung; eine kurze (L/d unter 0,5) trägt weniger Last und lässt mehr Schmierstoff entweichen.
• Laufspiel: Zu wenig Spiel lässt den Film verhungern und das Lager fressen; zu viel lässt die Welle aus der Mitte wandern und unter Wechsellast hämmern.
• Gehäusesteifigkeit: Ein dünnes oder geschlitztes Gehäuse lässt die Buchse unter Last verformen, sodass die Bohrung nicht rund bleibt.
• Stöße und Lastwechsel: Zyklische und wechselnde Lasten ermüden die Lagerschicht bei geringerer Pressung als eine ruhende Last; es gilt der dynamische Grenzwert, nicht der statische.
• Wärmedehnung: Bei Temperatur dehnen sich Welle, Buchse und Gehäuse unterschiedlich aus, und das Spiel ändert sich; das Spiel wird für die Betriebstemperatur festgelegt, nicht für die Montagetemperatur.

So berechnen Sie die spezifische Belastung

Für eine Zylinderbuchse mit Bohrung d und Länge L unter der Radialkraft F ist die spezifische Belastung p = F / (d × L). Für eine Anlaufscheibe mit Innendurchmesser d₁ und Außendurchmesser d₂ unter der Axialkraft F ist die Tragfläche A = π (d₂² − d₁²) / 4 abzüglich der Nuten, und p = F / A. Die Gleitgeschwindigkeit einer drehenden Hülse ist v = π d n / 60 (d in Metern, n in min⁻¹); für eine Scheibe wird der mittlere Durchmesser (d₁ + d₂) / 2 eingesetzt.

Rechenbeispiel: Eine Bronzehülse mit 50 mm Bohrung × 60 mm Länge unter 60 kN Radiallast läuft mit p = 60.000 / (50 × 60) = 20 N/mm². Bei 30 min⁻¹ beträgt die Gleitgeschwindigkeit π × 0,050 × 30 / 60 = 0,079 m/s, also p·v = 1,6 N/mm²·m/s. Beide Werte werden anschließend gegen die veröffentlichten Grenzwerte des gewählten Werkstoffs geprüft.

Unser Lagerbelastungsrechner rechnet diese Werte für Hülsen und Scheiben durch. Liegt die Beanspruchung nahe an einer Grenze, senden Sie sie mit der Anfrage; wir bestätigen den Werkstoff dagegen.

Das Lagerelement nach der Last wählen

Für eine überwiegend radiale Last schreiben Sie eine Zylinderbuchse vor und legen sie nach p und p·v aus: geschmierte Bronze, Bimetall oder gehärteter Stahl für schwere, langsame Beanspruchung; PTFE-Verbund, Graphitbronze oder Sinterbronze, wo das Gelenk nicht abgeschmiert werden kann. Für eine überwiegend axiale Last schreiben Sie eine Anlaufscheibe aus denselben Werkstoffen vor und führen den Schmierstoff über radiale Nuten auf die Fläche. Für eine kombinierte Last nehmen Sie Hülse plus Scheibe, wo der Schub dauernd wirkt, oder eine Bundbuchse, wo er nur fixiert oder gelegentlich auftritt.

Ganz gleich, welche Anordnung: Geben Sie Lastrichtung, Größe und Lastkollektiv in der Anfrage an. Die Zeichnung zeigt die Geometrie; erst die Lasten sagen uns, welcher Werkstoff darin überlebt.