Warum spielt die Wärmeausdehnung bei Lagern eine Rolle?

Wenn sich eine Welle im Betrieb erwärmt, dehnt sie sich axial aus. Sind beide Lager axial fixiert (Festlager), erzeugt die Ausdehnung eine innere Vorspannung, die Reibung und Temperatur erhöht. Eine geeignete Fest-/Loslageranordnung ermöglicht die Wärmeausdehnung, ohne die Lager zu beschädigen.

Was ist eine Fest-/Loslageranordnung?

Bei einer Fest-/Loslageranordnung ist ein Lager axial fixiert (Festlager), um die Welle zu positionieren, während das andere Lager axial verschiebbar ist (Loslager), um die Wärmeausdehnung auszugleichen. Dies ist die gebräuchlichste Anordnung.

Was ist der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von Stahl?

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von Kohlenstoffstahl beträgt etwa 11–12 × 10⁻⁶ /°C. Edelstahl liegt bei etwa 16–17, Aluminium bei 23 und Gusseisen bei 10–11.

Wie hoch ist die typische Expansion?

Eine 1 Meter lange Stahlwelle dehnt sich bei einer Temperaturerhöhung von 50 °C um etwa 0,6 mm aus. Dies mag gering erscheinen, kann aber enorme Kräfte erzeugen, wenn beide Lagerpositionen axial fixiert sind.

Was passiert, wenn Welle und Gehäuse aus unterschiedlichen Materialien bestehen?

Wenn Welle und Gehäuse unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen (z. B. Stahlwelle in Aluminiumgehäuse), muss die differentielle Ausdehnung berechnet werden. Das Gehäuse dehnt sich bei Aluminium stärker aus als die Welle, wodurch die Presspassung unter Umständen verringert wird.

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Wärmeausdehnungsrechner für Lager

Berechnung der axialen Wärmeausdehnung von Wellen und Gehäusen unter Berücksichtigung der Lageranordnung. Enthält eine Anleitung für Fest-/Loslageranordnungen.

δ = L × α × ΔTVerschiedene MaterialienAnordnungsleitfaden

Ergebnisse

Axiale Wellenausdehnung δ_shaft

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Axiale Gehäuseausdehnung δ_Gehäuse

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Unterschiedliche Wärmeausdehnung

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Anordnungsempfehlung

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Formel zur Wärmeausdehnung

L — Abstand zwischen den Lagern (mm)
α — Wärmeausdehnungskoeffizient (×10⁻⁶ /°C)
ΔT — Temperaturanstieg (°C)

CTE-Werte

Material	α (×10-⁶ /°C)
Kohlenstoffstahl	11.7
Edelstahl 304	16.0
Gusseisen	10.5
Aluminiumlegierung	23.0
Kupfer / Bronze	17.3
Titanlegierung	8.6

Fest-/Loslageranordnung

ℹ️ Die gebräuchlichste Lageranordnung besteht aus einem Festlager (axial in beide Richtungen fixiert) und einem Loslager (axial verschiebbar). Dadurch wird die Wärmeausdehnung ausgeglichen, ohne innere Kräfte zu erzeugen.