Welche Axialkräfte hält ein PKW Radlager aus?

Technik Mechanik & Konstruktion
#1

Moin zusammen,

Ich wäre dankbar wenn ich vielleicht einige Hinweise bekommen könnte…:

Für den Bau einer Windanlage möchte ich eine Rotorblatt-Pitchregelung umsetzen und bin auf der Suche nach einer einfachen kostengünstigen Lagerung.

Ich habe mir beriets ausgerechnet dass die Rotorblätter mit Fliehkräften von bis zu 2 Tonnen an der Nabe bzw. am Drehlager zerren würden und cih frage mich nun ob ein Radlager eines Autos bsp. vom 5er BMW oder so diese Kräfte wohl aushalten würden.

Grundsätzlich wollte ich kein Modell mit Kegelrollenlagern verwenden, da diese sich mit der Zeit einhämmern denn das Blatt dreht nur wenige Male in der Woche vielleicht eine halbe Drehung. Da würde nicht genug Fett zwischen die Rollen und die Laufbahn geraten. Daher denke ich dass Schrägkugellager die beste Wahl wären, da sie ebenfalls hohe axiale Kräfte wie auch radiale Kräfte aufnehmen können.

Nun bin ich unsicher wie man das ganze berechnen kann. Da das ganze mit unten 10 UPM arbeitet, kann ich wohl von einer statischen Belastung ausgehen wie ich mich erkundigt habe. nUn habe ich mich durchgesucht und Radnaben gefunden welche beispielsweise Doppelschrägkugellager mit den Maßen 40x80x40 verwenden.

Bei SKF habe ich mal im Katalog nach Lagern mit ähnlichen Abmessungen gesucht und die Angaben C0 und C gefunden, wohl je für statisch und dynamisch.

Statisch etwa 45.000 N
Dynamisch 30.000 N

Im Netz fand ich irgendeine Formel in die ich was mit Fr*x+ Fa*y = P einsetzen soll…komme damit aber nicht ganz zurecht. Ich vermute dass das P mit dem „C“ bzw. „C0“ gleichzusetzen ist…?

Ich fand Faktoren von 0,7 für y und 1,0 für x bei einem Doppellager…aber ist das mit dem „Doppel“ auch so gemeint wie es in einem radlager im Auto eingebaut ist, nämlich gegeneinandergerichtet?
Oder geht man dabei davon aus dass beide Lager des verbundes dann in die gleiche Richtund wirken?

Ich würde ich freuen wenn mir jemand helfen kann, das ganze zu überschlagen.

Besten Dank
Max

#2

Allgemein Anmerkungen
Hallo

Wo ziehen denn bei Dir „2Tonnen“ ?
Kann es sein, das es sich um eine relativ große Anlage handelt?
In dem Fall ist es so, das Du schon selbst wissen musst, wie man was genau ausrechnet, oder besser, es ausrechnen lässt.
Überhaupt ist eine größere Energieanlage mit auch noch beweglichen Teilen nicht unbedingt eine Bastlersache.
Und woher kommt ein brauchbarer Propeller, wenn schon die Lagerberechnung unsicher ist?

Ich würde empfehlen, zuverlässige Quellen zu suchen für Größen wie Tonnen und Newton, sowie wie man Belastungen von Lagern berechnet.
Außerdem muss man schon wissen, welche Kräfte die Propeller verursachen können. Dazu nutzt eine Lagerberechnung wenig.

Verwendung von Achslagern:
Achslager von KFZ gibt es grundsätzlich in guter Qualität und preiswert.
Trotzdem würde ich ein spezielles Lager vorziehen, welches die Zugkraft eines Propellers nach außen aufnimmt.
Das kann so ein Kegelrollenlager sein, man realisiert so etwas aber auch mit Kugeln als Wälzlager, entweder schräg oder ganz plan (reines Axiallager mein ich jetzt).
Wälzlager und Eindrückungen:
Eindrückungen entstehen nur bei Überlastung oder starkem lokalem Verschleiß. Ein richtig dimensioniertes Wälzlager wird keine Probleme machen.
Schmierung: Es ist nützlich, ein Lager mit Dichtringen abzukapseln und komplett mit Schmierstoff aufzufüllen.

Im übrigen geh das ganze mal etwas lockerer an und überlege auch mal, es lieber sein zu lassen.

MfG
Matthias

#3

Hallo Herr Schleef,

Ihre Planung scheint mir noch etwas fehlerbehaftet, daher kann ich Ihnen nur ein paar kurze Hinweise geben:

Die von Ihnen skizzierten „Fliehkräfte“ (Sie meinen wahrscheinlich Zentripetalkraft) von etwa 20.000 N deuten entweder auf eine relativ hohe Drehzahl oder ein sehr schlecht ausgewuchteten Rotor.
Beides sollten Sie vermeiden, wenn Sie nicht genau die Mechanik in Ihrem Windrad verstehen.

Ihre Annahme über Kegelrollenlager ist falsch. Kegelrollenlager neigen nicht mehr oder weniger als andere Lager Rollenlager zu „einhämmern“. Punktuelle Überlastung des Lagers ist von der Last abhängig nicht primär vom Schmiermittel oder der Wälzkörperform. Rollenlager sind im Gegenteil robuster als Kugellager.

Ihre Berechnungsansätze scheinen mir nicht korrekt zu sein, daher empfehle ich entweder die Lagerauslegung an eine Fachkraft weiterzugeben (INA FAG oder SKF bieten hierzu gute online Berechnungswerkzeuge) oder einschlägige Literatur durchzuarbeiten (z.B. Maschinenelemente von Roloff/Mattek).

Grundlegend ist zu Ihrem Aufbau zu sagen, dass Ihre primäre Kraftrichtung statisch axial sein wird, da das Lager die gesamte Windlast tragen muss. Ein Schrägrollenlager würde ich da an Ihrer Stelle noch nicht ausschließen.
Denken Sie auch daran, dass Wälzlager in der Regel für eine Lebensdauer von ca. 10.000h Betriebsstunden ausgelegt werden. Sollten Sie also nicht jedes Jahr ein neues Lager einsetzen wollen (sofern Ihr Rad immer in Betrieb ist) sollten Sie etwas großzügiger Dimensionieren.

Ich hoffe das hilft Ihnen weiter.

Gruß
The Duke

#4

Moin und Danke für die Antworten…

"Die von Ihnen skizzierten „Fliehkräfte“ (Sie meinen wahrscheinlich Zentripetalkraft) von etwa 20.000 N deuten entweder auf eine relativ hohe Drehzahl oder ein sehr schlecht ausgewuchteten Rotor.

Es ist ein Rotor mit 6m Durchmesser. Ich habe schon viele Windanlagen in dieser Größenordnung ( auch schon bis 10m Durchmesser) geplant und auch selbst gebaut und verstehe schon was davon da ich das seit mehreren Jahren mache und auch Generatoren selbst errechne und baue bzw. bauen lasse. Wer aus der Szene ist kennt mich…

Mit einem schlecht ausgewuchteten Repeller hat das ganze nichts zu tun, zudem ist ebriets ein Sicherheitsfaktor mit inbegriffen.

Die Anlagen die ich normalerweise konstruiere verwenden auch ganz andere Ansätze mit Axialkugellagern und Gleitlagern als Loslager, hier geht es darum, das ganze möglichst kostengünstig umzusetzen an Orten an denen es weder Drehbank noch CNC Fräse gibt…

„Grundlegend ist zu Ihrem Aufbau zu sagen, dass Ihre primäre Kraftrichtung statisch axial sein wird, da das Lager die gesamte Windlast tragen muss.“

Das wäre dann radial, nicht axial, der Wind drückt ja horizontal auf den Rotor, dieser wird aber leicht nach hinten angekippt so dass durch die Fliehkräfte diesem Druck teilweise entgegengewirkt wird- es geht hier aber nicht um die Anlage ansich sondern um die Lagerung.

„Außerdem muss man schon wissen, welche Kräfte die Propeller verursachen können.“

Ich weiß genau welche Kräfte REELLER verursachen können, aber auch darum ging es mir nicht.

Kegelrollenlager wurden früher auch in pitchbaren Flugzeugpropellern verbaut- mehrere Firmen haben sich daran verusucht und immer war es keine Dauerlösung und die Teile nach wenigen Betriebsstunden kaputt. Seitdem verwendet man entweder Schrägkugellager und/oder Axialkugellager. Auch in Fahrzeugen werdne diese Verwendet und zwar an den Lagern der Antriebsachse- dort findet man nur noch selten kegelige Lager da hier auch erhöhte axiale Kräfte auftreten.

Ein Kegelrollenlager braucht Umlaufschmierung, es ist der dünne Schmierfilm zwischen Lauffläche und den Walzen welche schützend wirkt, direkten Kontakt zwichen den Stählen verhindert und eine schnelle Abnutzung somit verhindert. Solche LAger müssen daher in einem bestimmten Drehzalfenster betrieben werden für welches sie ausgelegt wurden. Dieser Umlauf ist in meinem Anwendungsfall aber nicht gewährleistet. Bei Kugellagern sieht das etwas anders aus, daher die Entscheidung zu Radnaben mit Schrägkugellagern.

„Denken Sie auch daran, dass Wälzlager in der Regel für eine Lebensdauer von ca. 10.000h Betriebsstunden ausgelegt werden.“

Ja, danke für den Hinweis, ich denke das reicht dicke, die zulässige Belastung hängt ja zudem von der Anzahl der erreichbaren Betriebsstunden ab bzw. umgekehrt je nachdem von welcher Seite man es betrachtet. Da hier aber nur sehr wenig Bewegung im Spiel ist, reichen auch wenige hundert Bstd. hier schon aus, wie gesagt kann man das ganze als rein statischen Prozess betrachten.

Ich hätte mich über weniger Belehrung als mehr Fachwissen zur eigentlcih genannten Formel und deren Umfeld gefreut…
Mittlerweile habe ich dann den korrekten Rechenansatz auch gefunden.

Alle nötigen Infos gab es hier schön zusammengefasst, die Seite fand ich aber leider erst sehr viel später:

http://madgyver.de/index.php?de_maschinen

Der Rest den man für diese Überschlagsrechnungen einsetzen muss findet man in den entsprechenden Lagerkatalogen, vielleicht hilft das ja nochmal jemandem weiter.

Gruß
Max

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#5

Hallo Max

Die dynamische Tragzahl eines Wälzlagers ist grundsätzlich höher als die statische und nicht umgekehrt wie Du schreibst.
Grundsätzlich gilt für wenig bzw unbewegte Wälzlager dass der Bewegungswinkel grösser als der 2fache Winkelabstand der einzelnen Wälzkörper sein muss.
Der von Dir befürchtete Effekt des „einhämmerns“ passiert bei einem Schrägkugellager leichter als bei einem Schrägrollenlager weil eine Kugel im Lagerverbund eine punktähnliche Auflagefläche hat, ein Kegelrollenlager hingegen eine Linienauflage. Darum ist auch bei gleicher Baugrösse die statische Tragzahl eines Rollenlagers deutlich grösser.
Es stellt sich daher die Frage ob die Bezeichnung Radlager eines 5er BMWs der richtige Ansatz ist zumal je nach Bauart Schräglager alle verschiedene Lastwinkel haben. Grundsätzlich falsch ist meiner Meinung nach Dein Denkansatz in Deinem Fall ein Schrägkugellager einzusetzen.

LG Lois

#6

Moin Lois,

Das dachte ich auch immer und so ergibt es auch erstmal Sinn. Ein Bekannter von mir aus den USA hat es mir so erklärt und ich finde das ergibt viel Sinn, ich poste mal was er mir schrieb:

Hi Max!

Under load the tapered roller is like a wedge and bearing loads tend to try to cock the roller sideways eject the roller. The force from the collar (often called the „cage“) which keeps the roller aligned in the bearing adds to bearing friction and wear compared to ball bearings.

An angular contact deep groove ball bearing uses axially asymmetric races. An axial load passes in a straight line through the bearing, transmitted from the inner race to the outer. The alignment of a ball bearing to its race is always supported evenly because it only has a single point contact and is only limited by elastic deformation of the balls.

With roller bearings you have a larger contact patch, and hence able to carry greater dynamic loading with the same diameter rolling element. But you also have a problem with much greater friction, and with roller alignment on the race, as the cylindrical rollers will tend to want to „walk“ or „skew“ sideways, causing them to slide over the race instead of roll. Ball bearings do not have this problem. The alignment problem in roller bearings is „fixed“ by what is called „preload“. A roller bearing that runs loose will fail prematurely. Preloaded bearings have load applied thru shims or spacers and a nut or collar that applies a load to the bearing that is measured by the rotational torque required to turn the preloaded bearing assembly. None of this is required with ball bearings.

One of the must successful applications and examples for ball bearings used in axial loading is in bicycle and motorcycle steering head frames. The use of tapered roller bearings there would require significant preload on the bearing assembly, which would make the two-wheeled vehicle hard to steer. That is why the so-called „loose ball“ type bearing is used almost exclusively for this application - it never „hammers“ out and causes the steering to „stick“ in one location. There are some manufacturers (Ducati is one) that have tried tapered roller bearings in motorcycle steering head frames and they have been a disaster. So just like in aircraft props either caged ball or loose ball bearings have remained the standard.

In conclusion, this issue where loading is superior for the tapered roller type is really a non-issue because you have to actually elastically deform the balls in a ball bearing before it will fail. It is almost impossible to do this because they have one advantage over a cylindrical roller - the ball is able to „park“ itself at random locations all around its spherical surface and it never comes to the same spot twice in a row. A roller only has one surface (the outside cylinder) and requires an alignment mechanism to keep it from „skidding“ on the race - AND the roller will come back to the same spot if say the shaft is turned 10 degrees one way, then 10 degrees back to its original position. And this is why roller bearings have failed to be successful in those bicycle head frames - not enough randomness in the rolling element to prevent the same spot on the roller from contacting the races.

On the lubrication issue here, every time you apply static load to a roller bearing element it tries to „skid“ the roller sideways and eject it from the assembly. This minute „skidding“ on the race destroys the lubrication film in very short order and the bearing is „hammered out“. Ball bearings, again, do not have this problem - a single point contact does not require any lubrication if it is not moving! It is frictionless. The only way to get friction from that single point contact during static loading is to deform the ball and make part of it flat so the „skidding“ that is inherent in a roller bearing starts to happen in the ball bearing. If the ball bearing is rated for the static load applied to it, just like a bicycle head frame bearing, it will last almost indefinitely.

Besser könnte ich es selbst nicht beschreiben…
Ich finde das ergibt Durchaus Sinn und in der Tat ist es so, dass Schrägrollenlager kaum noch in Radnaben verbaut werden, da in der Praxis es eben doch die Schrägkugellager sind, welche wesentlich länger halten, nicht nachgestellt werden müssen und deutlich reibungseffizienter laufen.

Gruß
Max