Grundlagen von Axiallagern
A Axiallager (auch als Axiallager bezeichnet) ist ein spezielles Lager, das für die Aufnahme von Lasten ausgelegt ist, die parallel zur Wellenachse wirken – Axial- oder Druckkräfte – und das die Axialposition eines Rotors festlegt. Im Gegensatz zu einem radialen Gleitlager, das Lasten senkrecht zur Welle aufnimmt, weist ein Axiallager Kontaktflächen senkrecht zur Wellenachse auf, sodass es Kräften widerstehen kann, die die Welle in beiden Axialrichtungen zu verschieben versuchen. Zusammen bilden das Radial- und das Axiallager das vollständige Rotor-Lager-System.
Axiallager sind überall dort unentbehrlich, wo Axialkräfte auftreten – bei Pumpen, Kompressoren, Turbinen, Propellerwellen und vertikal angeordneten Aggregaten. Der Ausfall oder eine unzureichende Tragfähigkeit eines Axiallagers führt zu übermäßiger axiale Schwingung, axialem Wellenspiel und potenziell katastrophalen Schäden, wenn der Rotor stationäre Bauteile berührt.
1. Axiallager vs. Radiallager: Worin liegt der Unterschied?
Am deutlichsten lässt sich ein Axiallager verstehen, indem man es dem Radiallager gegenüberstellt, mit dem es zusammenarbeitet. Beide werden definiert durch die Richtung der Last, die sie aufnehmen sollen, nicht durch ihre Größe oder Bauart.
- Ein Radiallager (wie ein Gleitlager) trägt Last senkrecht auf die Welle — das Gewicht des Rotors sowie etwaige radiale Kräfte aus Unwucht. Seine lasttragenden Flächen sind zylindrisch und umschließen die Welle.
- Ein Axiallager trägt Last parallel auf die Welle — den axialen Schub entlang der Mittellinie. Seine lasttragenden Flächen sind ebene (oder geformte) Flächen, die im rechten Winkel zur Welle stehen und gegen einen Bund oder eine Schulter am Rotor anliegen.
Eine typische Maschine benötigt beides: Zwei Radiallager positionieren die Welle seitlich und stützen ihr Gewicht, während ein einzelnes Axiallager die axiale Position des Rotors festlegt und die resultierende Axialkraft aufnimmt. Manche Konstruktionen vereinen beide Aufgaben — ein Winkelkontakt oder Kegelrolle lager nimmt radiale und axiale Last gleichzeitig auf — doch bei großen Turbomaschinen ist das Axiallager fast immer eine eigenständige, von den Radiallagern getrennte Komponente, da die Axialkräfte zu groß sind, um sie gemeinsam aufzunehmen.
2. Bauarten von Axiallagern
Axiallager gliedern sich in zwei große Familien: Wälzlagertypen, die die Last über Kugeln oder Rollen aufnehmen, und Gleitlagertypen, die den Rotor auf einem druckbeaufschlagten Ölfilm schweben lassen. Die Wahl zwischen ihnen wird vor allem durch Last, Drehzahl und Maschinengröße bestimmt.
Axial-Wälzlager
Diese nehmen den Axialdruck über Kugeln oder Rollen auf und sind in Maschinen mit mittlerer Belastung und allgemeiner Verwendung weit verbreitet. Ihr Zustand lässt sich mit denselben Wälzkörperfehler Merkmalen wie bei Radiallagern überwachen.
- Axial-Rillenkugellager: Kugelelemente laufen zwischen flachen oder genutetem Druckscheiben. Mittlere Tragfähigkeit, mittlere bis hohe Drehzahl, gute axiale Positioniergenauigkeit. Eingesetzt in Werkzeugmaschinen, Fahrzeuggetrieben und anderen Anwendungen mit mittlerem Axialdruck.
- Axial-Zylinderrollenlager: Rollen zwischen Druckscheiben ermöglichen durch Linienkontakt statt Punktkontakt sehr hohe Tragfähigkeit, jedoch nur bei niedriger bis mittlerer Drehzahl. Eingesetzt in Schwermaschinen, Vertikalpumpen und Kranhaken.
- Kegelrollen-Axiallager: Die kegeligen Rollen ermöglichen eine echte Rollbewegung, die sich für kombinierte und hohe Axiallasten eignet. Ein einzelnes Lager nimmt sowohl radiale als auch axiale Lasten auf, und die Vorspannung lässt sich über den Abstand einstellen. Verbreitet in Radnaben von Kraftfahrzeugen, Getrieben und bei kombinierten Lastfällen.
- Pendelrollen-Axiallager: Die tonnenförmigen Rollen und die gewölbte Laufbahn nehmen sehr hohe Axiallasten auf und tolerieren zugleich Wellenfluchtungsfehler — nützlich bei langen, sich leicht durchbiegenden Wellen in der Schwerindustrie.
- Schrägkugellager: Der Kugelkontakt ist schräg angestellt, sodass das Lager sowohl Radial- als auch Axialkräfte aufnimmt; häufig paarweise montiert (Rücken-an-Rücken oder Gesicht-an-Gesicht). Hochtourenfähig; eingesetzt in Werkzeugmaschinenspindeln und Hochdruckpumpen.
Hydrodynamische Axialgleitlager
Diese lagern den Rotor auf einem hydrodynamischen Ölfilm und dominieren große, leistungsstarke Maschinen. Da im Normalbetrieb kein Metall-zu-Metall-Kontakt auftritt, bieten sie eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer und eine ausgezeichnete Dämpfung, allerdings um den Preis einer kontinuierlichen Druckölversorgung.
- Kippsegment-Axiallager (oft nach ihren Erfindern Kingsbury- oder Michell-Lager genannt): Mehrere schwenkbare Segmente kippen jeweils so, dass sich ein konvergierender Ölkeil bildet, der den Druckring von den Segmenten abhebt. Die Tragfähigkeit erreicht in großen Turbinen den Megawattbereich, die Drehzahl ist praktisch unbegrenzt (eingesetzt bis über 30.000 U/min) und die Dämpfung ist ausgezeichnet. Zu finden in Dampfturbinen, Gasturbinen, großen Verdichtern und Generatoren.
- Festsegment-Axiallager (mit Keilflächen): Feststehende Segmente, die mit einer keilförmigen Rampe bearbeitet sind, erzeugen den Ölkeil ohne bewegliche Schwenkpunkte. Hohe Tragfähigkeit, einfach und robust ohne bewegliche Teile, jedoch weniger tolerant gegenüber Lastumkehr als Kippsegmente. Eingesetzt in vertikalen Pumpen und Wasserturbinen.
3. Wo Axiallager eingesetzt werden: Anwendungen
Jede Maschine, deren Rotor einen resultierenden Schub entlang seiner Achse erfährt, benötigt ein Axiallager, um diese Kraft aufzunehmen und den Rotor in Position zu halten. Die häufigsten Anwendungen sind:
- Kreiselpumpen und Verdichter: Der Druckanstieg über jedes Laufrad erzeugt eine große Axialkraft zur Saugseite hin, die das Axiallager aufnehmen muss.
- Dampf-, Gas- und Wasserturbinen: Das Arbeitsmedium drückt axial auf die Schaufelreihen; das Axiallager — in der Regel ein Kippsegmenttyp — hält den Rotor gegen diese Kraft und gegen die eng eingestellten Spalte der Dichtungen und Schaufelspitzen.
- Schiffsantrieb (Axiallager für Schiffe und Boote): Der Schub des Propellers treibt das gesamte Schiff über die Propellerwelle vorwärts, und ein hochbelastbares Schiffs-Axiallager überträgt diesen Schub von der Welle in den Schiffsrumpf. Dies ist eine der anspruchsvollsten Einsatzfälle für Axiallager im Maschinenbau.
- Generatoren und Elektromotoren: Bei vertikalen Maschinen trägt das Axiallager zusätzlich das Eigengewicht des Rotors, und in allen Maschinen widersteht es axialen magnetische Anziehungskraft.
- Getriebe: Schräg- und Kegelräder erzeugen Axialreaktionen, die die Axiallager der Welle aufnehmen müssen.
- Werkzeugmaschinenspindeln, Kfz-Antriebsstränge und Krane: Kleinere Wälz-Axiallager positionieren die Welle und nehmen moderate Axiallasten auf.
4. Axiallager für vertikale Wellen
Vertikale Maschinen — vertikale Pumpen, Wassergeneratoren, große vertikale Motoren — stellen eine besondere Anforderung an das Axiallager, da es nicht nur die axiale Prozesskraft, sondern auch das gesamte statische Gewicht der rotierenden Baugruppe, das bei einem großen Wasserkraftgenerator mehrere hundert Tonnen betragen kann. Bei einer horizontalen Maschine tragen die Radiallager dieses Gewicht; bei einer vertikalen Maschine wirkt das Gewicht senkrecht entlang der Wellenachse und lastet vollständig auf dem Axiallager.
Aus diesem Grund verwenden vertikale Maschinen fast immer ein großes hydrodynamisches Axiallager — typischerweise in Kippsegmentbauweise —, das für die kombinierte Last aus Gewicht und Prozessbelastung ausgelegt und am oberen oder unteren Ende der Welle montiert ist. Der Ölfilm und die Kühlung des Lagers müssen für den dauerhaften Volllastbetrieb ausgelegt sein, und seine Temperatur und axiale Position gehören zu den am genauesten überwachten Parametern der gesamten Maschine, da ein Versagen des Axiallagers bei vertikaler Welle den Rotor ohne jeden Spielraum zur Rettung auf den Stator fallen lässt.
5. Quellen der Axialbelastung
In Pumpen und Kompressoren
- Hydraulischer Axialschub des Laufrads: die Druckdifferenz über ein Laufrad erzeugt eine resultierende Axialkraft, eine der hauptsächlichen hydraulische Kräfte in einer Pumpe.
- Größe: dies kann selbst bei einer mittelgroßen Pumpe mehrere tausend Pfund betragen.
- Richtung: typischerweise in Richtung der Saugseite.
- Ausgleichen: Ausgleichsbohrungen, hintere Leitschaufeln oder gegenläufige Laufräder reduzieren den Nettoschub
In Turbinen
- Dampf- oder Gasströmung erzeugt axialen Druck auf die Schaufeln — Teil der aerodynamische Kräfte die auf den Rotor wirken.
- Die Schubkraft nimmt mit der Leistungsabgabe zu.
- Kann sich beim Anfahren oder bei Laständerungen umkehren
- Ausgleichskolben oder Entlastungskolben werden eingesetzt, um diese Kraft zu kompensieren.
In Getrieben
- Schrägverzahnte Zahnräder erzeugen einen axialen Schub proportional zum übertragenen Drehmoment.
- Kegelräder erzeugen Axialkraftkomponenten.
- Die Schubrichtung hängt von der Verzahnungshand (der Richtung des Schrägungswinkels) ab.
Andere Quellen
- Magnetischer Zug: in Elektromotoren, magnetische Unwucht erzeugt Axialkräfte.
- Propeller und Lüfter: aerodynamischer Schub durch Beschleunigung des Arbeitsfluids.
- Riementriebe: schräg laufende Riemen erzeugen Axialkraftkomponenten.
- Fehlausrichtung: winklige Fehlausrichtung in Kupplungen erzeugt oszillierende Axialkräfte.
6. Axiallagerprobleme und Diagnose
Häufige Ausfallarten
- Überlast: die Axialbelastung übersteigt die Nennkapazität des Lagers — oft, weil eine Prozessstörung oder eine verschlissene Ausgleichseinrichtung zulässt, dass die resultierende Axialkraft über die Auslegung hinaus anwächst.
- Unzureichende Schmierung: unzureichender Öldurchfluss oder Fettmangel unterversorgt den Kontakt, sodass der Ölfilm zusammenbricht und sich die Oberflächen berühren.
- Kontamination: Partikel im Öl verkratzen und beschädigen die Axiallaufflächen.
- Verschleiß und Ermüdung: Oberflächenschädigung durch Abrieb oder zyklische Belastung, von Lochfraß bis Abplatzungen des Weißmetalls oder der Laufbahn.
- Fehlausrichtung: ein Druckbund, der nicht rechtwinklig zur Welle steht, belastet die Segmente ungleichmäßig und überhitzt eine Seite.
- Elektrische Erosion: Wellenströme, die durch den Ölfilm fließen, hinterlassen Grübchen auf den Lagerflächen — ein zunehmendes Problem bei Maschinen mit Frequenzumrichter.
- Überhitzung: das Endergebnis der meisten der genannten Ursachen — übermäßige Reibung oder unzureichende Kühlung, die das Weißmetall erweicht und die Segmente auswäscht.
Die Sicherheitsmarge gegenüber diesen Betriebsmodi lässt sich quantitativ überprüfen. Wenn ein Lager sowohl Radial- als auch Axiallast aufnimmt, führt der Rechner für die äquivalente dynamische Lagerbelastung diese zu einem einzigen Wert zusammen, dem Rechner für statischen Sicherheitsfaktor schützt vor Brinellieren unter Stillstandsaxiallast, und der L10-Lagerlebensdauerrechner prognostiziert die erwartete Betriebsdauer.
Schwingungs- und Axialmesssymptome
- Starke axiale Schwingungen: der primäre Indikator für ein Axiallagerproblem, in der Regel am besten erkennbar in der axiale Richtung statt in der radialen.
- Ansteigende Axialposition: Bei gleitgelagerten Maschinen ist das Wandern der Welle in Richtung ihrer Grenzlage bei verschleißenden Gleitschuhen ein direktes Maß für den Lagerverschleiß.
- Niederfrequente Schwingung: die axiale Schwimmstellung der Welle innerhalb ihres Spiels.
- Stoßbelastung: Ist das Axialspiel zu groß, schlägt die Welle gegen ihre Anschläge und erzeugt scharfe Spitzen im Vibration Signal.
- Messung: axial Näherungssonden oder Beschleunigungsaufnehmer diese Symptome aufdecken.
Andere Indikatoren
- Temperaturanstieg: das Heißlaufen des Axiallagers — oft das allererste Symptom bei einem Gleitlager.
- Lärm: ungewöhnliche Geräusche aus dem Bereich des Axiallagers.
- Axialspiel: messbare Wellenbewegung in axialer Richtung.
- Ölqualität: metallische Partikel im Schmiermittel.
7. Beurteilung des Axiallagerzustands vor Ort
An eingebauten Maschinen wird der Zustand von Axiallagern anhand von in situ durchgeführten Axialmessungen beurteilt – nicht auf einem Prüfstand. Ein tragbares Zweikanal-Schwingungsanalysegerät wie das Balanset-1A ermöglicht es einem Ingenieur, die axiale Schwingungsamplitude zu erfassen und Phase am Axiallagerende, sie mit den radialen Messwerten zu vergleichen und echte Axiallagerschäden von der axialen Schwingung zu trennen, die Fehlausrichtung oder eine verbogene Welle ebenfalls erzeugen kann — und das alles, ohne die Produktion für eine Demontage anzuhalten. Da dasselbe Gerät auch das umfassendere Vibration Bild erfasst und den Rotor in seinen eigenen Lagern auswuchten kann, sobald Unwucht bestätigt ist, verknüpft es den Axiallager-Messwert mit dem Gesamtzustand der Maschine.
8. Überwachung und Wartung
Kritische Überwachungsparameter
- Axialvibration: kontinuierlich oder in regelmäßigen Begehungen als Teil eines Schwingungsüberwachung Programm.
- Axiale Position: Wegaufnehmer, die die axiale Position der Welle relativ zum Axiallager verfolgen.
- Temperatur des Axiallagers: RTD- oder Thermoelement-Überwachung, oft der früheste Hinweis auf eine Störung (siehe Temperatursensoren).
- Ölfluss und -druck: Bei gleitgelagerten Axiallagern ist ein Ausfall der Versorgung ein sofortiger Alarmzustand.
Wartungspraktiken
- Ausreichende Schmierung und Ölversorgung des Axiallagers überprüfen.
- Axialspiele bei Überholungen prüfen.
- Die Axialflächen auf Verschleiß oder Schaden überprüfen.
- Wo möglich, die tatsächlichen Axialkräfte messen, z. B. mit Dehnungsmessstreifen oder Kraftmessdosen.
- Temperatur- und Schwingungsdaten im Trend verfolgen und die Befunde mit detaillierten Schwingungsanalyse, als Teil eines Zustandsüberwachung Programm.
Axiallager erhalten häufig weniger Aufmerksamkeit als Radiallager, sind jedoch entscheidend für die Steuerung der axialen Position und die Aufnahme axialer Lasten in rotierenden Maschinen. Das Verständnis der verfügbaren Bauarten, der Ursachen von Axialkräften und der Ausfallmodi ermöglicht eine sachgerechte Lagerauswahl, eine wirksame Überwachung und eine rechtzeitige Wartung — um Ausfälle zu vermeiden, die in einem Rotor-Stator-Kontakt und der Zerstörung der Maschine enden.
9. Häufig gestellte Fragen
Was macht ein Axiallager?
Ein Axiallager nimmt Axiallasten auf — Kräfte, die parallel zur Welle wirken — und fixiert die axiale Position des Rotors. Es nimmt den resultierenden Schub auf, den der Prozess erzeugt (Laufradschub, Schaufelschub, Propellerschub), und verhindert, dass die Welle in feststehende Teile wandert.
Was ist der Unterschied zwischen einem Axiallager und einem Radiallager?
Belastungsrichtung. Ein Radiallager nimmt Lasten senkrecht zur Welle auf (das Gewicht des Rotors und Querkräfte); ein Axiallager nimmt Lasten parallel zur Welle auf (den axialen Schub). Die meisten Maschinen nutzen beide, und einige kombiniert belastbare Bauarten wie Schrägkugel- oder Kegelrollenlager erfüllen beide Aufgaben zugleich.
Was sind die wichtigsten Bauarten von Axiallagern?
Zwei Familien. Wälzlagerbauarten – Kugel-, Zylinderrollen-, Kegelrollen-, Pendelrollen- und Schrägkugellager – eignen sich für mäßige Lasten und allgemeine Maschinenanwendungen. Gleitlagerbauarten – Kippsegmentlager (Kingsbury) und feste Segmentlager mit Keilflächen – tragen den Rotor auf einem Ölfilm und bewältigen die sehr hohen Lasten großer Turbinen, Verdichter und vertikaler Maschinen.
Warum benötigen vertikale Maschinen ein spezielles Axiallager?
Bei einer vertikalen Welle nimmt das Axiallager nicht nur die axiale Prozesskraft auf, sondern das gesamte statische Gewicht des Rotors, das genau entlang der Wellenachse nach unten wirkt. Aus diesem Grund verwenden vertikale Pumpen und Wasserkraftgeneratoren große Gleit-Axiallager, die für die kombinierte Last ausgelegt sind.
Wie wird ein ausfallendes Axiallager erkannt?
Die deutlichsten Anzeichen sind steigende Axialschwingungen, eine Drift in der gemessenen axialen Position der Welle und ein Anstieg der Lagertemperatur. Axiale Wegsensoren, Beschleunigungsaufnehmer und Temperatursensoren werden über die Zeit getrendet, und ein tragbarer Analysator kann die Diagnose an der laufenden Maschine bestätigen.
Was verursacht den Ausfall von Axiallagern?
Überlastung jenseits der Nennkapazität, Schmierungsausfall, Ölverschmutzung, Oberflächenermüdung (Pitting und Abplatzungen), Fluchtungsfehler des Druckbunds und elektrische Erosion durch Wellenströme. Überhitzung ist meist der gemeinsame Endpunkt, der das Lager zerstört.
