Was sind selbstschmierende Lager? Typen, Verwendungen und Auswahl

Was selbstschmierende Lager sind und wie sie funktionieren

Das entscheidende Merkmal eines selbstschmierenden Lagers ist seine Fähigkeit, einen kontinuierlichen Schmierfilm aus dem Lagermaterial selbst zu erzeugen, ohne dass eine externe Zufuhr erforderlich ist. Dies geschieht durch einen von drei Hauptmechanismen:

Sind Gleitlager selbstschmierend?

Gleitlager (auch Gleitlager oder Gleitlager genannt) können je nach Konstruktionsmaterial entweder konventionell geschmiert oder selbstschmierend sein. Bei der Auswahl wartungsfreier Anwendungen kommt es auf die Unterscheidung an.

Gleitlager aus gesinterter Bronze sind der am weitesten verbreitete selbstschmierende Gleitlagertyp. Die ISO 2795 und die MPIF-Norm 35 definieren die Anforderungen an den Ölgehalt dieser Komponenten – eine Standardsorte enthält mindestens 19 Vol.-% Öl . Man findet sie in Elektromotoren, Haushaltsgeräten, Bürogeräten und Kfz-Hilfsantrieben, wo der Zugang zu den Lagern verschlossen oder schwierig ist.

Solide Polymer-Gleitlager Ein weiteres selbstschmierendes Hülsenformat besteht aus Acetal (POM), Nylon (PA6/PA66) oder PEEK mit internen Schmiermittelzusätzen. Diese arbeiten völlig ohne Öl und eignen sich daher für die Lebensmittelverarbeitung, medizinische Geräte und Unterwasseranwendungen, bei denen eine Ölverunreinigung verboten ist.

Hydrodynamic steel-backed sleeve bearings – wie sie beispielsweise in großen Kurbelwellen und Turbinenzapfen verwendet werden – sind nicht selbstschmierend. Sie benötigen jederzeit eine unter Druck stehende Ölversorgung, um den hydrodynamischen Keil aufrechtzuerhalten, der die Welle vom Lager trennt. Ein Ausfall der Ölversorgung führt bei diesen Konstruktionen zum sofortigen Lagerausfall.

Sind Keramiklager selbstschmierend?

Keramiklager werden häufig mit der Aussage „trocken laufen“ vermarktet – was zu Verwirrung darüber führt, ob sie wirklich selbstschmierend sind. Die genaue Antwort lautet: no, ceramic bearings are not self-lubricating , aber ihre Materialeigenschaften reduzieren den Schmierstoffbedarf im Vergleich zu Stahl deutlich.

Siliziumnitrid (Si3N4), das am häufigsten verwendete Keramiklagermaterial, verfügt über mehrere Eigenschaften, die die Schmierstoffabhängigkeit verringern:

• Oberflächenhärte von 1.400–1.600 HV versus 700–800 HV for bearing steel — reducing adhesive wear in marginal lubrication conditions
• Dichte von 3,2 g/cm³ im Vergleich zu 7,8 g/cm³ bei Stahl – wodurch bei hoher Geschwindigkeit geringere Zentrifugalkräfte auf der Laufbahn erzeugt werden, sodass dünnere Schmierfilme die Trennung aufrechterhalten
• Low coefficient of thermal expansion ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) — reducing internal clearance variation with temperature swings that would squeeze out lubricant in a steel bearing
• Nicht magnetisch und elektrisch nicht leitend – verhindert die Verschlechterung des Schmiermittels durch elektrostatische Entladung, die bei Stahllagern auftritt, die in Anwendungen mit Frequenzumrichtern verwendet werden

In der Praxis können Vollkeramiklager unter sauberen Bedingungen mit geringer Belastung kurze Zeiträume ohne Schmierung überstehen – insbesondere bei sehr hohen Geschwindigkeiten, bei denen die Kontaktzeit pro Umdrehung extrem kurz ist. But for sustained operation, a lubricant — even a minimal dry film — is still required to prevent progressive surface fatigue. Hybrid ceramic bearings (ceramic balls, steel rings) almost always require conventional lubrication.

Do Conventional Bearings Need Lubrication?

Ja – alle herkömmlichen Wälzlager (Kugellager, Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager, Nadellager) benötigen während ihrer gesamten Lebensdauer eine Schmierung. The lubricant performs four functions that no bearing geometry alone can replicate:

• Elastohydrodynamic film formation: Ein unter Druck stehender Film von 0,1 bis 1,0 Mikrometer separates the rolling elements from the raceway under load, preventing metal-to-metal contact
• Wärmeableitung: Das zirkulierende Öl in großen Lagern leitet die durch Rollkontakt und Käfigwiderstand erzeugte Wärme ab – entscheidend bei Betrieb über 50 % der dynamischen Nennlast des Lagers
• Korrosionsschutz: Grease and oil displace moisture from contact surfaces; without lubrication, bearing steel corrodes within hours in humid environments
• Schadstoffausschluss: Das im Lagerhohlraum gepackte Fett bildet eine physische Barriere gegen Staub und abrasive Partikel, die andernfalls zu Dreikörperverschleiß führen würden

The consequence of inadequate lubrication is severe: studies by SKF and NSK indicate that over 36% of premature rolling bearing failures sind auf Schmierprobleme zurückzuführen – darunter unzureichende Menge, falscher Schmierstofftyp, verunreinigter Schmierstoff oder falsche Nachschmierintervalle. For comparison, fatigue failures under correct lubrication account for only 14% of field failures.

Self-Lubricating Bearing Typs Compared

Selecting the correct self-lubricating bearing type requires matching the operating conditions to the material's specific capabilities. The table below summarizes the key performance parameters:

Wo selbstschmierende Lager gefettete Alternativen übertreffen

There are specific operating environments where switching to selbstschmierende Lager liefert messbare Vorteile gegenüber herkömmlich gefetteten Lagern:

• Oscillating and slow-rotation applications: Fettgeschmierte Lager erzeugen bei langsamer Schwingbewegung (weniger als 1 U/min) nie einen hydrodynamischen Film – sie laufen bestenfalls grenzflächengeschmiert. Solid-lubricant bearings handle these conditions at friction coefficients of 0.05 to 0.15 with no wear mechanism change at low speed.
• Abwaschbare und untergetauchte Umgebungen: Food processing lines, car wash equipment, and marine hardware subject bearings to water ingress that dilutes grease. Gesinterte Polymerlager und mit Graphit verstopfte Bronze eliminieren diese Fehlerart vollständig.
• Hochtemperaturzonen: Herkömmliche Fette zersetzen sich oberhalb von 180 °C; synthetische Fette erhöhen diese auf ca. 260°C. Mit Graphit verstopfte Bronzelager arbeiten im Dauerbetrieb bis 400°C in Ofenwagenrädern, Förderrollen und Glasglühofenausrüstung.
• Vakuum- und Reinraumumgebungen: Im Vakuum entgast Fett und verunreinigt optische Instrumente und Halbleitergeräte. Trockenfilmlager auf PTFE-Basis sind Standard in Satellitenmechanismen und Elektronenmikroskoptischen, bei denen der Dampfdruck niedriger ist 10⁻⁸ Pa is required.
• Reduzierung der Lebenszykluskosten: Eine Studie zu Programmen zum Austausch von Lagern in kommunalen Wasseraufbereitungsanlagen ergab, dass der Wechsel der Schieberbuchsen von gefetteten Bronzelagern zu mit Graphit imprägnierten Lagern die Wartungskosten um ein Vielfaches senkte 62 % über einen Zeitraum von 10 Jahren durch den Wegfall vierteljährlicher Nachschmierrunden.

Wichtige Auswahlparameter und häufige Fehler bei der Größenbestimmung

Der PV-Wert – das Produkt aus Lagerdruck (P, in MPa) und Gleitgeschwindigkeit (V, in m/s) – ist der primäre Auswahlparameter für selbstschmierende Gleitlager. Jedes Lagermaterial hat einen maximalen PV-Wert, oberhalb dessen der Schmierfilm nicht aufrechterhalten werden kann und die Temperatur der Lageroberfläche auf zerstörerische Werte ansteigt.

Drei Dimensionierungsfehler sind für die Mehrzahl der vorzeitigen Ausfälle von selbstschmierenden Lagern in der Praxis verantwortlich:

• Ignorieren des PV-Grenzwerts bei Spitzenlastbedingungen: Ein Lager mit einer Nennleistung von PV = 0,10 MPa·m/s kann zwar für den Normalbetrieb richtig dimensioniert sein, aber beim Anlaufen oder bei Stoßbelastungen ausfallen, wenn die momentane PV in diesen Momenten nicht überprüft wird. Die PV-Spitzenwerte können bei Hubkolbenmaschinen das 3- bis 5-fache des stationären Wertes betragen.
• Falsche Spezifikation der Wellenoberflächenbeschaffenheit: Selbstschmierende Lager require a shaft roughness of Ra 0,4 bis 0,8 Mikrometer für eine optimale Transferfilmbildung. Wellen, die unter Ra 0,2 Mikrometer poliert sind, bieten keine ausreichende Unebenheit, damit sich PTFE oder Graphit verankern können, was die Filmbildung verzögert und den frühen Verschleiß erhöht. Wellen, die rauer als Ra 1,6 Mikrometer sind, schleifen die Lageroberfläche ab, bevor sich der Film bilden kann.
• Die Auswirkungen der Wärmeausdehnung auf das Spiel werden unterschätzt: Polymerlager haben einen 5- bis 10-mal höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Stahlgehäuse. Ein PEEK-Lager mit 0,05 mm Durchmesserspiel bei 20 °C kann bei 150 °C kein Spiel – oder Übermaß – haben, wenn das Verhältnis von Gehäuse-zu-Lager-Durchmesser und die Materialkombination in der Konstruktionsphase nicht korrekt berechnet werden.