Das Wichtigste in Kürze
- Die Lagerluft im Katalog gilt für das nicht eingebaute Lager. Nach dem Einbau ist sie kleiner, im Betrieb noch einmal.
- Eine feste Passung auf der Welle frisst rund 80 Prozent ihres Übermaßes aus der Lagerluft. 10 µm Übermaß, 8 µm weniger Luft.
- Ein Innenring, der 10 Grad wärmer ist als der Außenring, kostet bei einem 6205 noch einmal rund 5 µm. Deshalb nehmen Elektromotoren C3.
- Das längste Leben hat ein Lager bei einem Betriebsspiel nahe null. In der Praxis zielt man knapp darüber: Zu viel macht Geräusch, zu wenig macht Hitze, und die Hitze macht noch weniger Luft.
- Hybridlager reagieren etwas weniger auf Wärme, weil die Keramikkugeln kaum wachsen. Den Unterschied zwischen warmem Innenring und kühlem Außenring gleicht das nicht aus. Bei Vollkeramik entscheidet der Werkstoff: Siliziumnitrid verlangt Aufmerksamkeit, Zirkonoxid verhält sich wie Stahl.
Warum das so ist, steht ausführlich darunter. 12 Minuten Lesezeit.
Drei Zahlen für dasselbe Lager
Ein Lager kommt mit der Angabe „Lagerluft normal“ aus dem Karton. Es wird mit einer festen Passung auf die Welle gedrückt, der Motor läuft an, wird warm. Zwei Stunden später hat das Lager kein Spiel mehr. Nichts daran ist ein Fehler. Es ist genau das, was die Rechnung sagt, wenn man sie macht.
Lagerluft ist das Spiel zwischen Kugeln und Laufbahnen. Man kann den Innenring gegen den Außenring verschieben, ein kleines Stück, und dieses Stück ist die Luft. Das Wort steht im Katalog und auf dem Lager. Beides meint immer denselben Zustand: Das Lager liegt auf dem Tisch, nicht eingebaut, nicht belastet, kalt.
Nach dem Einbau ist davon weniger übrig, und im Betrieb noch weniger. Deshalb unterscheiden die Hersteller drei Zustände, und die sollte man auseinanderhalten:
| Zustand | Wann | Was fehlt gegenüber vorher |
|---|---|---|
| Lagerluft | auf dem Tisch, kalt | nichts, das ist der Katalogwert |
| Restspiel | eingebaut, noch kalt | was die Passungen wegdrücken |
| Betriebsspiel | eingebaut, betriebswarm, unter Last | was die Wärme zusätzlich wegdrückt |
Die Last verformt die Kugeln und Laufbahnen außerdem elastisch, und auch das verändert das Spiel im Betrieb. Dieser Posten hängt an der Last und lässt sich nicht als Faustzahl angeben. Wir lassen ihn in diesem Beitrag weg und rechnen nur mit Passung und Wärme.
Die Klasse auf dem Lager beschreibt also nicht das Spiel, das Sie im Betrieb haben. Sie beschreibt das, womit Sie anfangen. Was übrig bleibt, hängt an Ihrer Welle, Ihrem Gehäuse und Ihrer Temperatur.
Die Klassen und ihre Zahlen
Die Norm kennt fünf Gruppen. CN ist die normale Luft und steht meistens gar nicht auf dem Lager. C3 ist die nächstgrößere und die häufigste Sonderklasse. Die Werte hängen von der Bohrung ab, weil ein großes Lager mehr Spiel braucht als ein kleines.
| Bohrung d | C2 | CN | C3 | C4 | C5 |
|---|---|---|---|---|---|
| über 2,5 bis 6 mm | 0 bis 7 | 2 bis 13 | 8 bis 23 | – | – |
| über 6 bis 10 mm | 0 bis 7 | 2 bis 13 | 8 bis 23 | 14 bis 29 | 20 bis 37 |
| über 10 bis 18 mm | 0 bis 9 | 3 bis 18 | 11 bis 25 | 18 bis 33 | 25 bis 45 |
| über 18 bis 24 mm | 0 bis 10 | 5 bis 20 | 13 bis 28 | 20 bis 36 | 28 bis 48 |
| über 24 bis 30 mm | 1 bis 11 | 5 bis 20 | 13 bis 28 | 23 bis 41 | 30 bis 53 |
| über 30 bis 40 mm | 1 bis 11 | 6 bis 20 | 15 bis 33 | 28 bis 46 | 40 bis 64 |
Zwei Dinge fallen auf. Die Klassen überlappen sich. Ein CN-Lager mit 18 µm und ein C3-Lager mit 14 µm sind beide in der Norm. Das zweite hat weniger Luft als das erste. Die Klasse ist ein Bereich, keine Zahl. Und die Bereiche sind breit. Beim 6205 liegt zwischen dem kleinsten und dem größten CN-Lager der Faktor vier, bei kleineren Bohrungen noch mehr.
Was der Sitz frisst
Ein Innenring, der mit Übermaß auf die Welle gedrückt wird, weitet sich auf. Seine Laufbahn wird größer, und die Kugeln haben weniger Platz. Die Hersteller sind sich über die Größenordnung einig: Rund 80 Prozent des Übermaßes gehen aus der Lagerluft verloren, bei einer massiven Stahlwelle. Einer schreibt „etwa 80 Prozent“, ein anderer „70 bis 90“. Im Gehäuse ist es ähnlich, mit etwas kleinerem Anteil, weil ein Gehäuse mit seiner Bohrung mehr nachgibt als eine massive Welle.
Rechnen wir das für ein 6205 durch, Bohrung 25 mm. Eine feste Passung auf einer Welle dieser Größe bringt im Mittel um die 10 µm Übermaß. Davon bleiben 8 in der Lagerluft hängen. Ein CN-Lager aus der Mitte des Bereichs hatte rund 12 µm. Nach dem Einbau sind es noch 4. Kalt.
Was die Wärme frisst
Im Betrieb ist der Innenring fast immer wärmer als der Außenring. Er sitzt auf der Welle, die Wärme kommt vom Motor oder von der Reibung, und der Außenring gibt seine an das Gehäuse ab. Die Hersteller rechnen mit 5 bis 10 Grad Unterschied als Normalfall. Der warme Innenring wächst, der kühle Außenring nicht, und dazwischen wird es enger.
Die Formel dafür ist einfach: Ausdehnung von Stahl, mal Temperaturunterschied, mal Durchmesser. Für das 6205 und 10 Grad Unterschied kommen je nach Hersteller 4 bis 6 µm heraus. Der Unterschied liegt daran, ob mit dem mittleren Lagerdurchmesser oder mit dem Laufbahndurchmesser gerechnet wird. Nehmen wir 5.
Wo die Luft bleibt: 6205, feste Passung, Innenring 10 K wärmer
Beispielrechnung mit Mittelwerten: 10 µm Übermaß auf der Welle, davon 80 Prozent in der Lagerluft, dazu 5 µm aus 10 Kelvin Temperaturunterschied. Die Balken zeigen die Beträge, nicht die Reihenfolge.
Warum Elektromotoren C3 nehmen
Ein großer Hersteller schreibt es in seinem Leitfaden für Elektromaschinen in einem Satz. Für Rillenkugellager in Elektromotoren sei die Lagerluft üblicherweise eine Klasse größer als normal, also C3. Und sobald der Temperaturunterschied zwischen den Ringen 10 Grad überschreitet, gehöre C3 gewählt. Genau das rechnet die Abbildung oben vor.
Es gibt sogar eine eigene Klasse für Motoren. CM heißt sie, und sie liegt in der unteren Hälfte des CN-Bereichs, enger toleriert, damit kleine Motoren leise laufen. Beim 6205 sind das 5 bis 12 µm statt 5 bis 20. Ein CM-Lager erfüllt damit auch CN, umgekehrt nicht. Wer ein Motorlager mit dem Zusatz CM in der Hand hält, weiß jetzt, was es ist: ein besonders eng sortiertes CN, kein kleines C3. Bei kleinen Motoren sind Übermaß und Wärmeanteil in Mikrometern klein, da bleibt von CN genug übrig, und das Geräusch zählt mehr.
Für Sie heißt das: Wenn Sie ein Lager aus einem Motor ersetzen, schauen Sie auf den Zusatz. Steht C3 drauf, muss C3 wieder rein. Ein CN-Lager an derselben Stelle kann heißlaufen, und je heißer es läuft, desto weniger Luft hat es. Das schaukelt sich auf.
Hybridlager: warum hier weniger passiert
Bei einem Hybridlager sind die Ringe aus Stahl, die Kugeln aus Siliziumnitrid. Stahl dehnt sich bei Wärme mehr als dreimal so stark aus wie diese Keramik. Wird das ganze Lager warm, wachsen die Ringe und die Kugeln bleiben fast, wie sie sind. Das macht Luft, nicht weniger.
Der Effekt ist klein. Bei einem 6205 und 10 Grad gleichmäßiger Erwärmung geht es um gut ein Mikrometer, das dazukommt. Er läuft aber in die richtige Richtung, und er macht das Lager gelassener gegenüber Temperaturschwankungen. Ein Hersteller formuliert es so: Bei steigender Temperatur bleibe die Lagerluft eines Hybridlagers nahezu konstant. Erst bei sehr tiefen Temperaturen könne eine größere Klasse nötig werden.
Das gilt für ein Lager, das als Ganzes warm wird. Gegen den Temperaturunterschied zwischen warmem Innenring und kühlem Außenring hilft die Kugel wenig. Den macht der Stahlring, und der ist im Hybridlager derselbe. Deshalb liefern die großen Hersteller ihre Hybrid-Rillenkugellager mit C3 als Standard. Hybridlager sitzen meistens in Motoren und Spindeln, also genau dort, wo die Rechnung von oben gilt. Die Kugel hilft, sie ersetzt die Rechnung nicht.
Vollkeramik: zwei Werkstoffe, zwei Antworten
Bei Vollkeramiklagern sind auch die Ringe aus Keramik, und hier gehen die beiden Werkstoffe auseinander.
Zirkonoxid dehnt sich fast wie Stahl aus. Sitzt ein Zirkonoxidlager auf einer Stahlwelle in einem Stahlgehäuse, verhalten sich die drei Teile zusammen fast so, als wären sie aus einem Material. Passungen lassen sich rechnen wie gewohnt, die Lagerluft auch. Das ist einer der Gründe, warum Zirkonoxid in Stahlumgebung die unkomplizierte Wahl ist.
Siliziumnitrid dehnt sich kaum. Auf einer Stahlwelle, die warm wird, wächst die Welle in den Keramikring hinein. Der Sitz wird fester, die Laufbahn weitet sich, die Luft schwindet. Im Gehäuse läuft es andersherum, dort wird der Sitz lockerer. Ein Keramiklagerhersteller warnt ausdrücklich vor dem Bruch des Innenrings, wenn die Welle bei hoher Temperatur zu fest sitzt. Manche Anbieter liefern Siliziumnitrid-Vollkeramik deshalb von Haus aus mit C3, andere in beiden Klassen. In jedem Fall gehört bei so einem Lager die Passung auf der Welle mit spitzem Bleistift gerechnet.
Für Siliziumnitrid-Ringe auf Stahlwellen gilt: lieber eine Passung leichter, als der Ring reißt. Keramik dehnt sich kaum aus und verformt sich nicht plastisch, sie bricht, statt nachzugeben. Was beim Stahlring ein fester Sitz ist, ist beim Keramikring eine Sollbruchstelle, sobald die Welle warm wird.
Zu wenig Luft, zu viel Luft
Die Hersteller sind sich hier einig, und die Kurve ist bei allen dieselbe. Die längste Lebensdauer hat ein Kugellager bei einem Betriebsspiel knapp unter null, also mit einer winzigen Vorspannung. Das ist die Theorie. In der Praxis zielt man knapp über null, denn links vom Optimum, bei mehr Vorspannung, fällt die Kurve steil ab. Die Kugeln werden in die Laufbahnen gedrückt, das Lager wird heiß. Die Hitze nimmt noch mehr Luft. Aus einem festen Lager wird ein blockiertes.
Rechts davon, bei mehr Spiel, fällt die Kurve langsam. Das Lager wird lauter, weil die Kugeln in der unbelasteten Zone frei laufen und anstoßen. Die Last verteilt sich auf weniger Kugeln, weil die Lastzone kleiner wird. Und der Innenring bekommt Spiel in Achsrichtung, ein Vielfaches der Radialluft, was bei einer Welle mit Zahnrad stören kann.
Weil die Kurve links steil und rechts flach ist, lautet die Regel: Im Zweifel lieber etwas zu viel Luft als zu wenig. Zu viel macht Geräusch. Zu wenig macht Schrott.
Wann die Rechnung nichts bringt
- Wenn das Lager lose sitzt. Eine Welle mit Schiebesitz weitet nichts auf, dann fällt der größte Posten weg. Die Wärme bleibt: Aus dem CN-Lager von oben werden 7 µm statt minus 1, und CN reicht. Nur sitzt ein Innenring auf einer drehenden Welle fast nie lose, weil er sonst wandert und die Welle aufreibt. Der Schiebesitz gehört auf den Ring, der zur Last stillsteht, meistens ist das der Außenring im Gehäuse.
- Wenn beide Ringe gleich warm werden. In einem Gehäuse, das mitgeheizt wird, etwa in einem Ofen, gibt es keinen Temperaturunterschied zwischen den Ringen. Dann frisst die Wärme beim Stahllager nichts.
- Wenn Welle oder Gehäuse aus etwas anderem sind. Die 80 Prozent gelten für eine massive Stahlwelle. Eine Hohlwelle gibt selbst nach, da bleibt weniger im Ring hängen. Ein Aluminiumgehäuse dehnt sich bei Wärme stärker aus als der Stahlring darin, gibt dem Lager Luft zurück, und der Sitz lockert sich.
- Wenn Sie es nicht messen können. Die Rechnung braucht das tatsächliche Übermaß, nicht das aus der Zeichnung. Die Welle streut in ihrer Toleranz, die Lagerbohrung in ihrer. Zusammen macht das mehr aus als eine ganze Klasse.
Kann ich ein C3-Lager einbauen, wo CN drin war?
Meistens ja, und oft ist es sogar die bessere Wahl. Das Lager läuft dann mit etwas mehr Spiel, also etwas lauter, dafür weiter weg vom Klemmen. Kritisch wird es nur dort, wo das Axialspiel stört, etwa bei einer Welle, die eine Schnecke oder ein Kegelrad trägt. Andersherum, CN statt C3, ist die gefährlichere Richtung.
Was bedeutet C0?
Dasselbe wie CN: normale Lagerluft. C0 ist die ältere Schreibweise, CN die aus der heutigen Norm. Manche Hersteller lassen den Zusatz bei normaler Luft ganz weg. Steht nichts auf dem Lager, ist es CN.
Wie viel Axialspiel hat mein Lager?
Ein Vielfaches der Radialluft. Ein Hersteller nennt das 8,5- bis Zehnfache, bei größeren Lagern ist es noch mehr. Genau rechnen lässt sich das nur mit der Rillengeometrie, weil das Axialspiel mit der Wurzel der Radialluft wächst. Wer wenig Axialspiel braucht, nimmt kein Rillenkugellager mit C3, sondern ein Schrägkugellagerpaar.
Hilft mehr Lagerluft gegen Lagerströme im Motor?
Nein. Lagerströme entstehen, weil Strom über die Kugeln fließt, und das tut er bei jeder Luft. Dagegen hilft ein Hybridlager, weil die Keramikkugel nicht leitet. Was im Motor dann hilft, steht im Beitrag Lagerströme im Elektromotor.
Woher die Zahlen stammen
- Definition und Messung am nicht eingebauten Lager, Tabellenwerte C2 bis C5: ISO 5753-1 beziehungsweise DIN 620-4, gegengeprüft an den Katalogen von vier Wälzlagerherstellern. Die Werte sind bei allen identisch; nur bei Bohrungen unter 6 mm führen manche Hersteller C4 und C5, andere nicht.
- Verringerung durch Presspassung, rund 80 Prozent des Übermaßes bei massiver Stahlwelle: technischer Bericht eines Wälzlagerherstellers; ein zweiter nennt 70 bis 90 Prozent.
- Verringerung durch Temperaturunterschied: Formeln dreier Hersteller mit Ausdehnungswerten zwischen 11 und 12,5 · 10⁻⁶ je Kelvin; für das 6205 bei 10 K ergeben sie 4,2 bis 5,8 µm. 5 bis 10 K Unterschied als Normalfall: Angaben zweier Hersteller.
- C3 in Elektromotoren: Leitfaden eines Wälzlagerherstellers für Elektromaschinen. Die Klasse CM mit 5 bis 12 µm bei 18 bis 30 mm Bohrung, also innerhalb von CN: Motorlagerkatalog eines zweiten Herstellers.
- Hybridlager, nahezu konstante Luft bei steigender Temperatur, C3 als Standard: Broschüre und Katalog eines Wälzlagerherstellers. Ausdehnung Siliziumnitrid 3,2 gegen Wälzlagerstahl 11,5 · 10⁻⁶ je Kelvin: technische Information eines zweiten.
- Vollkeramik, Bruchgefahr des Siliziumnitrid-Innenrings auf warmer Stahlwelle, Zirkonoxid nahe an Stahl: Auswahlleitfaden und Produktangaben eines Keramiklagerherstellers.
- Lebensdauerkurve mit Optimum bei leicht negativem Betriebsspiel: technischer Bericht und Katalog zweier Wälzlagerhersteller.
Die Beispielrechnung arbeitet mit Mittelwerten. Ihr Lager hat eine konkrete Luft irgendwo im Bereich seiner Klasse, Ihre Welle ein konkretes Übermaß irgendwo in ihrer Toleranz. Wer es genau wissen will, misst beides. Wir rechnen es dann gern durch.
Geschrieben von
Dieter Kijan
Inhaber von Rotaris
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