Lager für Handwerkzeuge

Jul 17, 2023

Von Mike Santora | 21. Juni 2017

Von John Wallace, Vice President of Operations, AST BearingsBearbeitet von Mike Santora

Im industriellen Bereich sind Elektrowerkzeuge wie diese Schleifmaschine von Top Cat Air Tools hochentwickelte Produkte, die die Ermüdung der Arbeiter verringern und die Produktivität und Qualität verbessern. Sie werden auch routinemäßig bei anderen Arten von Vorgängen eingesetzt, z. B. beim Eintreiben (Befestigen), Bohren, Schneiden, Formen, Schleifen, Fräsen, Polieren und mehr.

Handgeführte Elektrowerkzeuge sind in vielen Branchen von der Automobilindustrie bis zur Luft- und Raumfahrt alltäglich. Kugellager spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung und Zuverlässigkeit dieser Werkzeuge und sind für die Bewältigung kombinierter Belastungsbedingungen (radial und axial), Hochgeschwindigkeitsbetrieb, geringe Reibung, geringe Geräuschentwicklung und Vibration sowie hohe Zuverlässigkeit verantwortlich. Elektrowerkzeuge haben einen globalen Markt von fast 26 Milliarden US-Dollar (ungefähr 11 Milliarden US-Dollar in den USA). Akku-Elektrowerkzeuge sind das am schnellsten wachsende Segment, wobei der Industrie- und Profimarkt die Verbrauchernachfrage übersteigt. Produkte, die für den Verbrauchermarkt hergestellt werden, haben im Allgemeinen niedrigere Preise, eine geringere Qualität und enthalten Komponenten, die „von der Stange“ sind oder in die Kategorie „Standardware“ fallen.

Im industriellen Bereich sind Elektrowerkzeuge hochentwickelte Produkte, die die Ermüdung der Arbeiter verringern und die Produktivität und Qualität verbessern. Sie werden routinemäßig bei allen Arten von Vorgängen eingesetzt, z. B. beim Eintreiben (Befestigen), Bohren, Schneiden, Formen, Schleifen, Schleifen, Fräsen, Polieren und mehr.

Im industriellen Bereich sind Elektrowerkzeuge hochentwickelte Produkte, die die Ermüdung der Arbeiter verringern und die Produktivität und Qualität verbessern. Sie werden routinemäßig bei allen Arten von Vorgängen eingesetzt, z. B. beim Eintreiben (Befestigen), Bohren, Schneiden, Formen, Schleifen, Schleifen, Fräsen, Polieren und mehr.

Typische industrielle Rotationswerkzeuge sind Bohrmaschinen, Schraubendreher, Mutternschrauber, Schlagschrauber und -dreher, Schleifmaschinen, Schleifmaschinen und Poliermaschinen. Elektromotoren und Druckluft sind die am häufigsten in einer Fabrikumgebung verwendeten Energiequellen. Im Folgenden sind nur einige der Überlegungen aufgeführt, die bei der Betrachtung von Lagern im Design einer Anwendung zu berücksichtigen sind.

Lagerlasten: Kugellager können sowohl radiale als auch axiale Lasten gleichzeitig aufnehmen, was sie zur idealen Wahl für die Anforderungen von Elektrowerkzeugen macht. Aufgrund ihrer Innenkonstruktion mit relativ flachen Laufbahnen sollte die vorherrschende Lastkomponente jedoch radial sein. Bei übermäßigen Axialbelastungen können Axiallager in Kombination mit Radialkugellagern eingesetzt werden, um diese Belastungen effektiv aufzunehmen.

Lärm und Vibration: Ein lautes und vibrierendes Werkzeug verursacht beim Bediener schnell Unbehagen, insbesondere in Fabrik- oder Produktionsumgebungen, in denen sich Bewegungen und Vorgänge wiederholen. Bei Kugellagern hängen Lärm und Vibrationen direkt mit der Qualität der für die Ringe und Kugeln verwendeten Materialien, den internen Fertigungsspezifikationen und strengen Prozesskontrollen zusammen.

Lager, die in diesen Anwendungen verwendet werden, sollten den Geräuschpegeln von Elektromotoren (EMQ) entsprechen. EMQ-Standards sind nicht einheitlich (außer in China, wo es einen nationalen Standard gibt) und variieren von Hersteller zu Hersteller, aber die EMQ-Bewertung zeigt an, dass sie für den Einsatz in Elektromotoren geeignet sind.

In der Vergangenheit mussten Elektromotoren leise und mit wenig oder gar keinen Vibrationen laufen, weshalb diese Terminologie entstand. Hersteller produzieren Lagerkomponenten nach strengen Spezifikationen und nutzen verschiedene Techniken zur Herstellung von EMQ-Lagern.

Es wird größter Wert darauf gelegt, Ringe mit nahezu perfekter Geometrie herzustellen. Geometrische Toleranzen steuern Merkmale wie Rundheit, Konzentrizität, Rundlauf und Parallelität. Lager mit Ringen mit schlechter Geometrie neigen dazu, Geräusche und Vibrationen mit niedrigerer Frequenz zu erzeugen.

Laufbahnen (die Bahnen, auf denen die Kugeln rollen) sind superbearbeitet, um spiegelähnliche Oberflächen zu erzeugen. Außerdem werden hochwertige Kugeln verwendet, die eine gute Geometrie aufweisen und beispielsweise perfekt kugelförmig sind. Kugeln oder Laufbahnen mit schlechter Oberflächenbeschaffenheit neigen dazu, höherfrequente Geräusche und Vibrationen zu erzeugen. Bestimmte Schmierstoffe können ebenfalls zum Geräuschpegel beitragen. Die in diesen Handwerkzeugen verwendeten kleineren Lager erfordern „sauberes“ Fett.

Hersteller, die EMQ-Lager herstellen, führen in der Regel vor der endgültigen Schmierung und Verpackung eine 100-prozentige Geräuschprüfung der Lager mit speziell entwickelten Geräten durch.

Hersteller von Elektrowerkzeugen müssen die in einem Elektrowerkzeug verwendeten Lager ordnungsgemäß spezifizieren und vorspannen, um Geräusche und Vibrationen zu reduzieren. Einer der letzten Schritte im Lagerherstellungsprozess ist der Zusammenbau der einzelnen Lagerkomponenten: Außenring, Innenring, Kugeln und Käfig (oder Kugeltrenner). Beim Zusammenbau der Lager muss auf ein kontrolliertes Maß an Innenspiel bzw. Spiel zwischen den Ringen und Kugeln geachtet werden. In den meisten Lagerkatalogen wird dies als Radialspiel bezeichnet.

Bei Anwendungen mit Elektrohandwerkzeugen muss dieses interne Spiel entfernt werden, damit ein Lagerpaar ordnungsgemäß funktioniert. Das Aufbringen einer Axiallast auf das Lagerpaar – zum Zweck der Beseitigung des freien Innenspiels – wird als Vorspannung bezeichnet.

Durch die Anwendung einer axialen Vorspannung werden die Kugeln in Kontakt mit den Laufbahnen gebracht, wodurch ein Kontaktwinkel entsteht, der dazu führt, dass sich der Kugelsatz in einer gleichmäßigen Umfangsebene dreht. Die Vorspannung ist bei Hochpräzisions- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen mit Elektrowerkzeugen, bei denen die Geschwindigkeit bis zu 60.000 U/min erreichen kann, von entscheidender Bedeutung.

Betriebstemperatur: Elektrohandwerkzeuge müssen so konstruiert und hergestellt sein, dass sie vom Bediener über einen längeren Zeitraum gehalten werden können. Die Lager müssen richtig montiert sein, die richtige Vorspannung haben und über die richtige Art und Menge der Schmierung verfügen, um die Betriebstemperatur zu minimieren.

Lagermaterialien: Alle Lager sollten aus Komponenten hergestellt werden, die aus hochreinem Material hergestellt sind.

Dichtungen sind die beste Option, um Fremdkörper vom Inneren des Lagers fernzuhalten und das Schmiermittel im Inneren zu halten. Das am häufigsten verwendete Lagerdichtungsmaterial ist Nitrilkautschuk. Diese Art von Dichtung besteht typischerweise aus Buna-N, das mit einem Stahleinsatz verbunden ist, der in einer Nut im Außenring befestigt wird. Die maximale Betriebstemperatur beträgt 240° F.

Lagerringe und Kugeln werden am häufigsten aus Chromstahl SAE 52100 hergestellt. Diese durchhärtende Legierung verfügt über eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit und Verschleißfestigkeit und ist die kostengünstigste Wahl in einer nicht korrosiven Umgebung. Bei Handwerkzeugen sind Lager normalerweise gut in einem Gehäuse oder einer Umhüllung geschützt. Wenn jedoch die Gefahr besteht, dass es Feuchtigkeit oder Korrosion ausgesetzt wird, wird martensitischer Edelstahl, ähnlich AISI 440C, empfohlen. Dieser Edelstahl der Serie 400 bietet die beste Kombination aus Korrosionsbeständigkeit und Ermüdungslebensdauer. Es bietet eine gute Korrosionsbeständigkeit und verfügt über feine, gleichmäßig verteilte Karbide, die zu geringeren Geräusch- und Vibrationspegeln als 440 °C führen. Dieses Material kann von den Herstellern unterschiedlich spezifiziert werden.

In manchen Fällen sind Kugeln aus keramischen Materialien wie Siliziumnitrid sehr vorteilhaft. Keramikkugeln sind sehr leicht, hochglanzpoliert, nicht magnetisch, weisen eine hohe Härte auf und sind beständig gegen Angriffe durch die meisten Flüssigkeiten und Chemikalien. Keramikkugeln verbessern die Hochgeschwindigkeitsfähigkeit des Lagers erheblich. Lager aus Stahlringen und Keramikkugeln werden allgemein als Hybridlager bezeichnet. Obwohl Keramikkugeln eine beeindruckende Liste nützlicher Eigenschaften aufweisen, werden sie normalerweise nicht in handgehaltenen Elektrowerkzeugen verwendet.

Schmierung: Die Auswahl des Schmiermittels könnte die Spezifikation sein, die von Konstrukteuren und Ingenieuren am häufigsten übersehen wird. Die Lagerlebensdauer hängt von der richtigen Schmierung hinsichtlich Art und Menge ab.

In den meisten Fällen werden die kleineren Lager in Elektrohandwerkzeugen einmal während der Lebensdauer des Geräts geschmiert. Es stehen Tausende von Fetten und Ölen zur Verfügung, die für den Einsatz unter unterschiedlichen Bedingungen und Umgebungen ausgelegt sind.

Bei der Auswahl eines Schmiermittels ist die Betriebstemperatur das wichtigste Kriterium. Die Temperatur wirkt sich direkt auf die Viskosität des Grundöls aus, was wiederum Auswirkungen auf die Fähigkeit hat, Lasten zu tragen. Aufgrund der breiten Produktpalette sowie der Preise und Verfügbarkeit sollten sowohl ein Schmierstoffspezialist als auch der Lagerhersteller konsultiert werden, bevor eine endgültige Schmierstoffauswahl getroffen wird.

Raue Umgebungen: In vielen Industrieumgebungen sind Elektrowerkzeuge (und möglicherweise auch die Lager) ständig Flüssigkeiten und verschiedenen Arten von Partikeln ausgesetzt. In diesen Situationen sollten abgedichtete oder abgeschirmte Lager verwendet werden. Dichtungen sind die beste Option, um Fremdkörper aus dem Lagerinneren fernzuhalten und das Schmiermittel im Lager zu halten.

Das am häufigsten verwendete Lagerdichtungsmaterial ist Nitrilkautschuk. Diese Art von Dichtung besteht typischerweise aus Buna-N, das mit einem Stahleinsatz verbunden ist, der in einer Nut im Außenring befestigt wird. Die maximale Betriebstemperatur beträgt 240 °F. Diese Art von Dichtung kommt mit dem Innenring in Kontakt und bietet so einen besseren Schutz in kontaminierten Umgebungen als eine Metallabschirmung. Dies führt jedoch zu einem Anstieg des Drehmoments und verringert die maximale Drehzahlfähigkeit des Lagers. In fast allen Fällen handelt es sich jedoch um einen Konstruktionskompromiss zur Verbesserung der Lebensdauer.

Bestimmte Schmierstoffe und Chemikalien reagieren mit Gummi. Neben Buna-n und Nitrilkautschuk sind auch andere Materialien für höhere Temperaturen und chemische Beständigkeit erhältlich. Dazu gehören F-Teflongewebe und Viton mit guter chemischer Beständigkeit und einer maximalen Betriebstemperatur von 400 °F.

Wie sich gezeigt hat, gibt es eine große Auswahl an Lageroptionen, die für eine optimale Leistung von Handwerkzeugen berücksichtigt werden müssen. Ingenieuren und Konstrukteuren wird empfohlen, einen Spezialisten für Lageranwendungen zu konsultieren, um Unterstützung bei der Berechnung von Belastbarkeit, Lagerlebensdauer, Passungen und Komponententoleranzen sowie bei der Bewertung von Umgebungsfaktoren zu erhalten, um die Lagereigenschaften richtig spezifizieren zu können.

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