Schmierung: Fett, Öl oder trocken

Was der Schmierstoff im Lager tut

Die Hauptaufgabe ist schnell gesagt: Der Schmierstoff soll verhindern, dass sich Kugel und Laufbahn berühren, oder die Berührung zumindest mildern. Nebenbei schützt er vor Rost, führt bei Öl Wärme ab und spült Abrieb aus dem Lager.

Dafür reicht erstaunlich wenig. Der Film zwischen Kugel und Laufbahn ist nur wenige Zehntel Mikrometer dick, unter günstigen Umständen ein paar Mikrometer. Ob er trägt, entscheiden vor allem zwei Dinge: die Drehzahl und die Viskosität, also wie zäh der Schmierstoff bei Betriebstemperatur ist. Die Last dagegen ändert den Film kaum.

Fachleute fassen das in einer Zahl zusammen, dem Viskositätsverhältnis κ, gesprochen Kappa. Es teilt die Viskosität, die der Schmierstoff im Betrieb hat, durch die Viskosität, die das Lager bei dieser Größe und Drehzahl braucht. Die Grenzen nach Schaeffler:

Fett: woraus es besteht und welches

Fett ist eingedicktes Öl. Es besteht zu 80 bis 90 Prozent aus Grundöl mit Zusätzen und zu 10 bis 20 Prozent aus einem Verdicker, meist einer Metallseife. Der Verdicker hält das Öl im Lager fest und gibt es langsam ab. Geschmiert wird im Kontakt also mit Öl, auch bei Fett.

Wie fest ein Fett ist, sagt die NLGI-Klasse. Für Wälzlager sind die Klassen 1 bis 3 üblich:

Die Verdicker unterscheiden sich stark: Lithium, Natrium und Calcium als Seifen, dazu seifenfreie Verdicker wie Polyharnstoff oder Fluorkunststoffe. Jedes Fett hat einen Temperaturbereich, in dem sich seine Lebensdauer vorhersagen lässt. Darüber altert es schnell. Darunter gibt es zu wenig Öl an den Kontakt ab, und bei großer Kälte läuft das Lager schwer an. SKF stellt das als Ampel dar.

Wie viel Fett ins Lager gehört

Weniger, als die meisten denken. Viele Hersteller nennen für das Lager selbst rund ein Drittel des freien Raums: Klüber und SMB 25 bis 35 Prozent, NTN 30 bis 40 Prozent. Das Gehäuse daneben wird zu 30 bis 60 Prozent gefüllt. Je höher die Drehzahl, desto weniger Fett.

Beim Anlauf verteilt sich das Fett. Der größte Teil wird aus dem Kontakt verdrängt und legt sich seitlich ab. Aus diesem Vorrat gibt es nach und nach Öl ab. Nur ein kleiner Teil nimmt überhaupt am Schmieren teil.

Überfetten ist ein häufiger Fehler. Ist zu viel Fett im Lager, wird es dauernd durchgeknetet. Das erzeugt Wärme, das Fett wird weich und läuft aus. Bei gedichteten Lagern steigt die Temperatur besonders schnell.

Für das Nachschmieren eines offenen Lagers im Gehäuse gibt es eine Faustformel für die Menge in Gramm: 0,005 mal Außendurchmesser mal Breite, beides in Millimeter. Für ein 6205 mit 52 mm Außendurchmesser und 15 mm Breite sind das rund 4 Gramm. Das alte Fett muss dabei austreten können.

Wann nachgeschmiert wird

Fett altert. Es oxidiert, das Öl trennt sich vom Verdicker, und irgendwann schmiert es nicht mehr. Wie schnell das geht, hängt vor allem an der Temperatur. SKF und Klüber nennen dieselbe Faustregel: Je 15 Grad mehr halbiert sich die Fettgebrauchsdauer.

Fettgebrauchsdauer, Faustregel je 15 Grad

Ausgangs­temperatur 100 %

15 Grad wärmer 50 %

30 Grad wärmer 25 %

45 Grad wärmer 12,5 %

Faustregel von SKF und Klüber. NTN rechnet ähnlich und kürzt ab 80 °C je 10 Grad auf zwei Drittel. Für eine Auslegung gilt das Datenblatt des Fetts.

Dazu kommen Zuschläge. Bei senkrechter Welle halbiert man die Nachschmierfrist. Schwingungen, Schmutz und Wasser verkürzen sie weiter.

Gedichtete Lager sind für ihre Lebensdauer gefüllt und werden nicht nachgeschmiert. Meist begrenzt dann das Fett, wie lange das Lager hält, und nicht der Stahl. Auch im Regal altert das Fett: SKF rät, gedichtete Lager nicht länger als drei Jahre zu lagern, trocken und bei höchstens 75 Prozent Luftfeuchte bei 20 °C.

Öl: wann es besser ist

Öl ist die Wahl, wenn die Maschine ohnehin Öl hat, etwa im Getriebe. Oder wenn Wärme aus dem Lager abgeführt werden muss. Oder wenn die Drehzahl so hoch ist, dass Fett an seine Grenze kommt.

• Ölbad. Der Ölstand reicht im Stillstand bis zur Mitte der untersten Kugel.
• Umlaufschmierung. Eine Pumpe führt das Öl immer wieder durch das Lager. Es nimmt dabei Wärme mit und kann gefiltert werden.
• Öl-Luft. Kleinste Ölmengen werden mit Druckluft genau dosiert ins Lager gebracht, etwa bei sehr schnellen Spindeln. Sie hat die frühere Ölnebelschmierung abgelöst.

Welche Viskosität das Öl braucht, ergibt sich aus Lagergröße, Drehzahl und Betriebstemperatur. Als Untergrenze nennt NTN für Kugellager 13 mm²/s bei Betriebstemperatur.

Ohne Schmierstoff: nur mit Vollkeramik

Ein Lager mit Ringen aus Wälzlagerstahl braucht immer einen Schmierstoff, schon wegen des Rostschutzes. Vollkeramiklager dagegen können trocken laufen. SMB, ein Hersteller von Keramiklagern, nennt das für Zirkonoxid und Siliziumnitrid ausdrücklich. Für Zirkonoxid schränkt SMB ein: nur bei niedriger Drehzahl. Vollkeramiklager aus Siliziumnitrid empfiehlt SMB ohnehin nur für niedrige bis mittlere Drehzahl und Last, weil sie spröder sind.

Eine feste Prozentzahl, wie viel Drehzahl trocken noch geht, haben wir in keiner Herstellerunterlage gefunden. Wir nennen deshalb auch keine. Trockenlauf gibt es nur mit Freigabe für den einzelnen Fall. Was er an Tragkraft und Drehzahl kostet, steht im Beitrag Wasser, Lauge und Reinigungschemie.

Dazwischen gibt es Sonderwege:

• Vakuum und Reinraum. Bei niedriger Drehzahl ganz ohne Schmierstoff oder mit einem Trockenschmierstoff wie Molybdändisulfid. Für höhere Ansprüche gibt es Fette auf PFPE-Basis, die kaum ausdampfen.
• Das Medium schmiert. Keramiklager laufen in Wasser und manchen Laugen und Säuren, in Kälteanlagen auch im Kältemittel. Der Film ist dann sehr dünn.
• Hohe Temperatur. Über etwa 250 °C kommen Feststoffe wie Molybdändisulfid infrage. Dann setzt meist der Käfig die Grenze, siehe Käfigwerkstoffe.

Was sich beim Hybridlager ändert

Das Hybridlager wird geschmiert wie ein Stahllager. Zwei Dinge ändern sich trotzdem.

Das Fett hält länger. Schaeffler nennt die doppelte Fettgebrauchsdauer. SKF schreibt, das Fett könne je nach Einsatz mindestens doppelt so lange halten. In einzelnen Versuchen von SKF hielt es bis knapp siebenmal so lange. Als Gründe nennt SKF weniger Reibung und eine bessere Versorgung des Kontakts mit Schmierstoff. Das Lager bleibt kühler, und das Fett altert langsamer.

Kurze Mangelschmierung richtet weniger an. Der Film wird durch die Keramikkugel nicht dicker. Der Unterschied zeigt sich erst, wenn er reißt. Keramik und Stahl haften viel weniger aneinander. Deshalb schweißen die Rauheitsspitzen seltener an. SKF schreibt, ein Hybridlager komme mit Bedingungen zurecht, die für ein Stahllager schon Mangelschmierung wären. Dazu passt, dass Stillstandsmarkierungen seltener auftreten.

Wann Keramik das Schmierproblem nicht löst

• Die Ringe sind aus Stahl. Beim Hybridlager rosten sie ohne Fett genauso wie beim Stahllager. Trocken laufen kann nur Vollkeramik.
• Das Fett altert trotzdem. Die Regel mit den 15 Grad gilt auch im Hybridlager. Wer zu heiß fährt, verliert das Fett, egal wie gut die Kugel ist.
• Der Käfig hat eine Grenze. Käfige aus Polyamid werden über etwa 120 °C weich.
• Wasser im Fett. Eindringendes Wasser schadet jedem Fett. Dagegen hilft eine bessere Dichtung, kein anderer Kugelwerkstoff.

Typische Fehler

1. Zu viel Fett. Ein Drittel reicht. Mehr macht das Lager warm.
2. Gedichtete Lager nachschmieren. Sie sind für ihre Lebensdauer gefüllt und nicht zum Nachschmieren gebaut.
3. Fette mischen. Vorher prüfen, ob Grundöl und Verdicker passen.
4. Schmutz einschleppen. Die Stelle vor dem Fetten reinigen, das Fett sauber lagern.
5. Zu lange gelagert. Gedichtete Lager nach drei Jahren im Regal nicht mehr einbauen, ohne sie zu prüfen.

Lebensmittel: H1

Wo ein Schmierstoff unbeabsichtigt mit Lebensmitteln in Berührung kommen kann, braucht es ein Fett mit der Registrierung H1. H2 heißt: kein Kontakt mit Lebensmitteln möglich. Die Registrierung führt die NSF. In den USA regelt 21 CFR 178.3570, welche Stoffe ein solcher Schmierstoff enthalten darf. Für viele davon, etwa Mineralöl, gilt eine Grenze von 10 Teilen pro Million im Lebensmittel. Was Reinigung und Nässe mit einem Lager in der Lebensmittelproduktion machen, steht im Beitrag Wasser, Lauge und Reinigungschemie.

Häufige Rückfragen