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igubal in der Praxis
20 spannende Anwendungsbeispiele mit Kunststoff-Gelenklagern
Gelenklager aus Kunststoff: schmierfreie Lagertechnik für Industrie und Maschinenbau
Ein Gelenklager aus Hochleistungskunststoff gleicht Winkelabweichungen zwischen Welle und Anschlusskonstruktion aus und kommt dabei vollständig ohne externe Schmierung aus. Es hält die Verbindung dort beweglich, wo eine starre Lagerung verkanten würde, und verteilt die Last weiterhin flächig.
Da die Festschmierstoffe homogen im gesamten Werkstoff verteilt sind, entfallen zusätzliche Schmiermittel sowie Wartungseinsätze. Die Kunststoff-Gelenklager arbeiten auch dann zuverlässig, wenn Staub, Feuchtigkeit oder Reinigungsmedien auf die Konstruktion einwirken.
Von der Kugelkalotte bis zur konfigurierbaren Koppelstange decken die Bauformen Wellendurchmesser von Ø 2 bis Ø 150 mm ab. Ob sich der Wechsel von Metall zu Kunststoff im Einzelfall rechnet, entscheiden Flächenpressung, Betriebstemperatur und Bewegungsart.
Die Vorteile schmierfreier Gelenklager auf einen Blick
Schmierfreie Gelenklager aus Kunststoff bringen mehrere Vorteile mit, die sich unmittelbar auf Konstruktion und Betriebskosten auswirken. Der größte Vorteil entsteht nicht durch den Werkstoff selbst, sondern durch das, was er überflüssig macht.
Schmier- und wartungsfrei
Festschmierstoffe stecken im Werkstoff. Schmiernippel, Schmierbohrung und Schmierplan entfallen aus der Konstruktion.
Korrosionsfrei
Kunststoff rostet nicht. Der Einsatz in feuchter Umgebung und im Außenbereich gelingt damit ohne zusätzlichen Korrosionsschutz.
Schwingungsdämpfend
Der Kunststoff dämpft Stöße und Vibrationen. Die Lagerstelle läuft ruhiger und leiser als eine metallische Paarung.
Leicht
Die verwendeten Werkstoffe sind rund 70 Prozent leichter als Stahl.
Medienbeständig
Beständig gegen die gängigen Prozess- und Reinigungsmedien.
Schnell verfügbar
Versand ab 24 Stunden, Bestellung ab Losgröße 1, kein Mindestbestellwert.
Was ist ein Gelenklager?
Ein Gelenklager ist ein Lagerelement mit sphärischer Gleitfläche. Es lässt eine Winkelbewegung zwischen Welle und Anschlusskonstruktion zu und hält die Last dabei flächig verteilt, statt sie auf eine schmale Kante zu konzentrieren.
Die konstruktive Aufgabe
Ein Gelenklager übernimmt in der Konstruktion eine klar umrissene Aufgabe: Es gleicht Winkelfehler aus, die sich konstruktiv nicht vermeiden lassen.
Wellen fluchten selten perfekt. Fertigungstoleranzen, Wärmedehnung und die Durchbiegung unter Last führen dazu, dass Welle und Lagersitz einen Winkel zueinander einnehmen. Ein starres Lager gibt diese Abweichung als Kantenpressung weiter: Die Last verteilt sich nicht mehr über die gesamte Lagerfläche, sondern konzentriert sich auf einen schmalen Streifen. Der Verschleiß steigt, die Lebensdauer sinkt, im ungünstigen Fall klemmt die Lagerung.
Genau an dieser Stelle setzt die Funktion eines Gelenklagers an. Seine sphärische Gleitfläche lässt eine Winkelbewegung zu, die Kantenlasten vermeidet. Fluchtungsfehler gleicht das Lager selbst aus, statt sie in die Konstruktion weiterzuleiten. Konstrukteure gewinnen dadurch Toleranz im Aufbau und sparen den Aufwand, den eine exakte Ausrichtung sonst erzeugt.
Aufbau und Funktionsprinzip
Ein Gelenklager besteht aus zwei Bauteilen, die gegeneinander gleiten: einer Kalotte mit balliger Außenfläche und einem Gehäuse mit passender Hohlkugelfläche. Dabei erfüllen die Bauteile unterschiedliche Aufgaben:
- Das Gehäuse bleibt fest mit der Anschlusskonstruktion verbunden und nimmt die auftretende Last auf
- Die Kalotte übernimmt die Lagerfunktion für Rotation, Schwenk oder lineare Bewegung der Welle
Die Kugelform der Kalotte im Zusammenspiel mit dem sphärischen Innendurchmesser des Gehäuses ermöglicht den Winkelausgleich zwischen Welle und Anschlusskonstruktion. Daher führt die Fachliteratur diese Bauform auch als sphärisches Lager oder sphärisches Gelenklager.
Bewegungsarten
Je nach Anwendung ermöglicht ein Gelenklager rotierende, oszillierende und lineare Bewegungen sowie Schwenk- und Kippbewegungen.
| Bewegung | Was bewegt sich? |
|---|---|
| Rotierende Bewegung | Welle rotiert in der Kalotte |
| Oszillierende Bewegung | Welle schwenkt in der Kalotte |
| Lineare Bewegung | Welle bewegt sich axial/linear in der Kalotte |
| Schwenkbewegung / Kippbewegung | Kalotte bewegt sich relativ zum Gehäuse |
Gelenklager, Gleitlager Kugellager oder Drehverbindung
Nicht jede bewegte Lagerstelle braucht ein Gelenklager. Entscheidend ist, ob eine Winkelabweichung auftritt und welche Art von Bewegung überwiegt.
| Lagerart | Nimmt auf | Typischer Anwendungsfall |
|---|---|---|
| Gelenklager | Winkelabweichung zusätzlich zur radialen Last | Anlenkpunkte, Umlenkhebel, Gestänge, schwenkende Achsen |
| Gleitlager | Radiale Last bei fluchtender Welle | Drehbewegung ohne Winkelversatz |
| Kugellager | Radiale und axiale Last bei höherer Drehzahl | Schnelle und kontinuierliche Rotationsbewegungen bei kleinen bis mittleren Lasten |
Bauformen von Gelenklagern
Die Grundfunktion eines Gelenklagers bleibt in allen Bauformen gleich. Unterschiedlich sind die Art der Anbindung an die Konstruktion und die Richtung, aus der die Last kommt. Neun Bauformen im igubal Programm decken den überwiegenden Teil der Anwendungen ab.
Im igubal Shop stehen zu jeder Bauform Abmessungen, Werkstoffvarianten, STEP-Dateien und Preise bereit.
Kunststoff oder Metall: Wann sich der Werkstoffwechsel lohnt
Der Wechsel von Metall zu Kunststoff lohnt sich überall dort, wo Wartung, Korrosion und Gewicht mehr kosten, als zusätzliche Tragfähigkeit einbringt.
Wo Gelenklager aus Kunststoff im Vorteil sind
Gelenklager aus Kunststoff spielen ihre Stärken überall dort aus, wo die Schmierstelle selbst zum Problem wird. Ein wartungsfreies Lager braucht keinen Schmierstoff, und damit verschwindet ein wiederkehrender Kostenblock aus dem Betrieb. Vier Situationen, in denen sich der Wechsel besonders deutlich rechnet:
Schwer zugängliche Lagerstellen
Wo Wartungspersonal nur mit Aufwand hinkommt, amortisiert sich ein wartungsfreies Lager oft schon nach dem ersten eingesparten Wartungsintervall
Feuchte und korrosive Umgebung
Der Kunststoff korrodiert nicht und lässt sich auch unter Wasser oder in chemisch belasteter Umgebung einsetzen.
Verschmutzte Umgebung
Ohne Schmierfilm bindet die Gleitfläche weder Staub noch Späneabrieb. Genau dieser Effekt lässt geschmierte Lager in staubiger Umgebung vorzeitig ausfallen
Bewegte Massen
Das geringere Gewicht wirkt unmittelbar auf Antriebsleistung und Dynamik. Die Polymerausführung spart rund 70 Prozent Masse gegenüber einer Stahlvariante.
Wo metallische Gelenklager die bessere Wahl bleiben
igubal Gelenklager eignen sich sowohl für hohe Geschwindigkeiten als auch für hohe Belastungen. Treffen jedoch beide Anforderungen gleichzeitig aufeinander, erreicht Kunststoff aufgrund seiner Werkstoffeigenschaften früher seine Grenzen als Metall. Metallische Gelenklager bleiben daher die bessere Wahl, sobald eine Anwendung folgende Parameter überschreitet:
Max. PV-Wert
1,3 MPa x m/s
Max. Flächenpressung
180 MPa
Max. Gleitgeschwindigkeit
3,5 m/s
Max. Anwendungstemperatur
+200 °C
Werkstoffe und Selbstschmiereffekt
Ein igubal Gelenklager kombiniert zwei Werkstoffe mit klar definierten Aufgaben. Das Gehäuse nimmt die auftretenden Kräfte auf und verbindet das Lager mit der Konstruktion. Der Lagereinsatz oder die Kugelkalotte nehmen die Welle auf, die gegen die Innenfläche des Lagereinsatzes beziehungsweise der Kalotte rotiert. Zwischen diesen beiden Flächen entsteht die für das Lager typische Gleitbewegung.
Der Selbstschmiereffekt entsteht durch mikroskopisch kleine Festschmierstoffe, die im gesamten Werkstoffvolumen verteilt sind. Bei der Bewegung der Welle geben sie einen dünnen Übertragungsfilm an die Gegenlaufpartner ab und senken so die Reibung.. Da die Schmierstoffe im gesamten Volumen liegen und nicht nur in einer Oberflächenschicht, bleibt der Effekt über die Verschleißtiefe erhalten. Verstärkungsfasern im Basispolymer sorgen parallel für die mechanische Belastbarkeit.
Welcher Werkstoff zu welcher Anwendung passt, hängt von Temperatur, Medium, Belastung und Zulassungsanforderung ab. Eine Werkstoffübersicht mit Datenblättern und Vergleichstabellen steht auf der Werkstoffseite bereit.
Das passende Gelenklager auslegen
Die Auslegung eines Gelenklagers entscheidet über Lebensdauer und Ausfallsicherheit der Lagerstelle. Sie folgt bei Kunststoff derselben Systematik wie bei Metall, nur die zulässigen Grenzwerte unterscheiden sich.
Diese Parameter entscheiden
Sieben Parameter bestimmen, welches Gelenklager an einer Lagerstelle passt:
- Lastrichtung und Bewegungsart, also radial oder axial sowie statisch oder dynamisch
- Flächenpressung an der Gleitfläche
- Gleitgeschwindigkeit und daraus abgeleitet der pv-Wert
- Kippwinkel und Bewegungsfrequenz
- Betriebstemperatur und Umgebungsmedium
- Wellendurchmesser und Toleranzfeld
- Werkstoff und Oberflächengüte des Gegenlaufpartners
Der letzte Punkt wird bei trockenlaufenden Lagern häufig unterschätzt. Da sich der Übertragungsfilm auf der Welle aufbaut, beeinflussen Wellenwerkstoff und Rauheit die Lebensdauer unmittelbar.
Lebensdauer vorab berechnen
Die zu erwartende Lebensdauer lässt sich vorab berechnen, bevor ein Bauteil bestellt wird. Das igubal Expertensystem ermittelt dafür in drei Schritten aus den Parametern der Anwendung eine Produktempfehlung. Die Berechnung stützt sich auf Messwerte aus dem hauseigenen Testlabor, in dem 50 Prüfstände mehr als 300 Tests gleichzeitig fahren.
Hinweise zu Montage, Spielauslegung, Standardtoleranzen und zur korrekten Sicherung der Lager stehen in den technischen Daten.
Einsatzgebiete und Anwendungen
Gelenklager aus Hochleistungskunststoff sind für raue und anspruchsvolle Umgebungen konstruiert und arbeiten dort, wo Schmierung stört, Korrosion droht oder Gewicht zählt.
Agrartechnik und Baumaschinen
Staub und Feuchtigkeit an Lagerstellen, die im Feldeinsatz schwer zugänglich sind
Verpackung und Lebensmittel
Tägliche Nassreinigung, Zulassungsanforderungen an den Werkstoff
Erneuerbare Energien
Nachführsysteme für Solaranlagen im Dauereinsatz im Freien
Intralogistik und Fördertechnik
Viele gleichartige Lagerstellen, an denen sich Wartungsaufwand vervielfacht
Schiffbau und Offshore
Salzwasser und dauerhafte Feuchtigkeit
Fahrzeugbau und Sonderfahrzeuge
Bewegte Masse in Anlenkungen und Gestängen
Ausgewählte Kundenprojekte
Lösungen für besondere Anforderungen
Für Anforderungen jenseits der Standardanwendung stehen drei spezialisierte Lösungen bereit: lebensmittelkonforme Ausführungen für Anlagen mit Produktkontakt, Hochtemperatur-Gelenklager für den Einsatz unter extremer thermischer Belastung sowie geteilte Lager für den zeitsparenden Wechsel direkt an der Welle.
Häufige Fragen zu Gelenklagern aus Kunststoff
Trockenlaufende Lager bilden im Betrieb einen dünnen Übertragungsfilm aus Festschmierstoff auf dem Gegenlaufpartner. Ein zusätzlich aufgebrachtes Fett oder Öl, zum Beispiel als Korrosionsschutz für die Welle, ist für den Kunststoff unbedenklich. Externe Schmierung kann allerdings Schmutz in der Lagerstelle binden, was die Lebensdauer verkürzen kann.
Die Maße metallischer Gelenklager regelt DIN ISO 12240, für Gelenkköpfe kommt DIN 648 hinzu. Die Norm unterscheidet dabei Maßreihen, die bei gleichem Bohrungsdurchmesser unterschiedliche Breiten und Außendurchmesser festlegen. igubal Gelenklager folgen den Maßreihen E und K in Anlehnung, sodass sie in vorhandene Einbausituationen passen. Maßreihe E fällt dabei schmaler aus und eignet sich für beengte Bauräume. Lagereinsätze orientieren sich an DIN 626-1 und die Gabelköpfe an DIN 71752.
Metallische Gelenklager lassen sich in vielen Fällen direkt gegen Ausführungen aus Kunststoff tauschen, weil die Anschlussmaße den gängigen Maßreihen folgen. Vor dem Tausch lohnt sich die Prüfung von drei Punkten: die tatsächliche Flächenpressung an der Lagerstelle, die Betriebstemperatur und der Werkstoff der Welle. Liegen alle drei im zulässigen Bereich, funktioniert der Tausch ohne konstruktive Änderung.
Der Wellenwerkstoff beeinflusst die Lebensdauer unmittelbar, weil sich der Schmierfilm bei einem trockenlaufenden Lager auf der Welle bildet. Werkstoff und Rauheit bestimmen, wie gleichmäßig dieser Film entsteht und wie hoch der Verschleiß ausfällt. Eine zu glatte Welle nimmt den Film schlechter an, eine zu raue trägt den Kunststoff ab. Empfohlen ist ein Bereich von Ra 0,2 bis 0,8 µm; als Wellenwerkstoff eignen sich gehärteter Stahl und Edelstahl besonders gut.
Die zulässige Flächenpressung hängt vom Werkstoff der Kalotte ab und liegt je nach Werkstoff zwischen 30 N/mm² (iglidur J) und 150 N/mm² (iglidur X) bei statischer Belastung. Bei wechselnder Belastung liegt der zulässige Wert darunter. Das Expertensystem berücksichtigt beide Fälle in der Berechnung.
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