Von Stahl auf Hybrid umrüsten: die Checkliste

Die Checkliste in acht Punkten

Meist wird umgerüstet, weil ein Motor am Frequenzumrichter seine Lager verliert. Manchmal geht es um Drehzahl, um knappe Schmierung oder um längere Wartungsabstände. Die Liste ist in allen Fällen dieselbe. Jeder Punkt ist weiter unten erklärt.

1. Maße und Einbau. Gleich wie beim Stahllager. An Welle und Gehäuse ändert sich nichts.
2. Tragzahl. Mit Ringen aus Wälzlagerstahl dynamisch gleich. Statisch je nach Hersteller bis rund 30 Prozent weniger. Nachrechnen, wenn das Lager im Stillstand Last trägt oder Stöße abbekommt. Für Ringe aus Edelstahl gilt das Datenblatt.
3. Drehzahl. Bis zu 20 Prozent mehr, aber nur, wenn keine Dichtung bremst.
4. Lagerluft. Dieselbe Klasse wie vorher, im Motor meist C3. Bei großer Kälte nachfragen.
5. Fett. Dasselbe Fett und zunächst dieselbe Nachschmierfrist. Das längere Fettleben ist Reserve.
6. Dichtung und Käfig. Dieselbe Dichtungsart wie vorher. Beim Käfig auf die Temperatur achten.
7. Welches Lager gegen Strom. Kleine Motoren: beide. Große Motoren: das auf der Seite ohne Antrieb. Dazu den Weg über die Kupplung prüfen.
8. Aufschreiben. Die volle Bezeichnung in die Ersatzteilliste, damit beim nächsten Wechsel nicht wieder Stahl hineinkommt.

Was gleich bleibt

Hybridlager werden nach denselben Maßplänen gebaut wie Stahllager. SKF nennt für seine Hybrid-Rillenkugellager die Hauptmaße nach ISO 15 und die Maßtoleranz Normal, also genau das, was auch das Stahllager hat. NSK nennt ebenfalls die genormten ISO-Maße. Ein Hybridlager 6205 passt deshalb überall, wo ein Stahllager 6205 saß.

Damit bleiben auch die Passungen auf der Welle und im Gehäuse. Eine eigene Passungsempfehlung für Hybridlager haben wir bei keinem Hersteller gefunden. SKF verweist für Belastung und Einbau auf dieselben Unterlagen wie beim Stahllager. Eingebaut wird wie beim Stahllager, auch mit Anwärmen, denn die Ringe sind aus Stahl. Wie das geht, steht im Beitrag Kugellager richtig einbauen.

Die Grundbezeichnung bleibt ebenfalls. Dazu kommt ein Kennzeichen für die Keramikkugeln. SKF hängt HC5 hinten an, etwa 6205/HC5C3. Schaeffler setzt HC davor, NSK schreibt SN24, NTN setzt 5S davor. Bei uns heißen die Lager HYS, mit Ringen aus Wälzlagerstahl, und HYE, mit Ringen aus Edelstahl. Was die übrigen Zusätze bedeuten, steht im Beitrag Typenschlüssel.

Tragzahl: dynamisch gleich, statisch nicht überall

Mit der dynamischen Tragzahl C rechnet man die Lebensdauer. Für Hybridlager mit Ringen aus Wälzlagerstahl gilt die Norm ISO 20056-1. Sie rechnet mit eigenen Formeln, kommt bei gleicher Bauart aber auf denselben Wert wie beim Stahllager. SKF und Schaeffler geben ihn so an, einzelne Datenblätter liegen etwas darunter. Für Ringe aus Edelstahl gilt die Norm nicht, dort zählt das Datenblatt. Wie man mit der Tragzahl rechnet, steht im Beitrag Rechnet sich Keramik?

Bei der statischen Tragzahl C0 sind sich die Hersteller nicht einig. Sie gibt an, wie viel Last ein Lager verträgt, das steht oder nur langsam dreht. SKF nennt für seine Hybridlager dieselben Werte wie für das Stahllager. NSK schreibt allgemein, die Tragfähigkeit sei gleich, Schaeffler spricht von vergleichbaren Werten. JTEKT setzt sie 15 Prozent niedriger an. Bei NTN liegt sie für ein Hybridlager 6207 rund 30 Prozent unter dem Stahllager.

Statische Tragzahl C0 des Hybridlagers, Stahllager gleich 100

SKF, 6207 100

NSK 100

JTEKT 85

NTN, 6207 69

SKF und NTN: Katalogwerte für das Lager 6207, Hybrid gegen Stahl desselben Herstellers. NSK: allgemeine Angabe, die Tragfähigkeit sei gleich. JTEKT: Faktor 0,85 für alle Hybridlager, aus dem Katalog.

Der Grund ist die Keramik. Sie ist steifer als Stahl, und die Kugel plattet sich unter Last weniger ab. Die Berührfläche wird kleiner, und der Druck darin steigt. SKF nennt bei gleicher Last rund 12 Prozent mehr Pressung. Wer für Hybrid denselben Grenzwert ansetzt wie für Stahl, kommt auf eine kleinere statische Tragzahl. SKF geht in seinem Katalog für Präzisionslager einen anderen Weg. Dort soll der statische Sicherheitsfaktor bei Hybridlagern um 10 Prozent höher liegen.

Die statische Tragzahl zählt vor allem dann, wenn ein Lager unter Last steht, sehr langsam dreht, nur hin und her schwenkt oder Stöße abbekommt. Trifft das bei Ihnen zu, rechnen Sie mit dem kleineren Wert nach, bevor Sie tauschen. Oder Sie fragen uns.

Drehzahl: oft entscheidet die Dichtung

Keramikkugeln sind rund 60 Prozent leichter als Stahlkugeln. Bei hoher Drehzahl drücken sie mit weniger Fliehkraft nach außen, und das Lager reibt weniger. Es bleibt kühler. Schaeffler nennt für Hybridlager bis zu 20 Prozent mehr Grenzdrehzahl, Timken für seine Präzisionslager ebenfalls 20 Prozent.

Das gilt für das Lager selbst. Bei einem gedichteten Lager setzt oft die Dichtung die Grenze. Liegt ihre Lippe am Ring an, reibt sie dort und wird warm, egal welche Kugel im Lager läuft. Ein Beispiel aus dem Hybridlager-Kapitel von SKF: Das 6205 ist offen bis 20 000 Umdrehungen pro Minute freigegeben. Mit reibungsarmen Dichtungen sind es 15 000. Schleifende Dichtungen bremsen noch stärker.

Wenn Sie wegen der Drehzahl umrüsten, nehmen Sie deshalb die offene Ausführung. Unsere gedichteten Hybridlager tragen die Kennung 2RS, das sind schleifende Dichtungen. Sie halten Schmutz und Spritzwasser gut draußen. Bei der Drehzahl setzt dann die Dichtung die Grenze, und die Keramikkugel bringt dort wenig.

Lagerluft: dieselbe Klasse wie vorher

Hybrid-Rillenkugellager kommen bei den großen Herstellern meist mit C3, also etwas mehr Luft als normal. SKF nennt C3 als Standard, bei NTN und NSK tragen die Beispiele in den Datenblättern ebenfalls C3. Das passt, denn viele Hybridlager sitzen in Elektromotoren, und die nehmen ohnehin C3.

Übernehmen Sie die Klasse des alten Lagers. Steht C3 drauf, kommt wieder C3 hinein. Die Keramikkugel ändert daran wenig. Sie dehnt sich bei Wärme kaum aus, die Stahlringe schon. Wird das ganze Lager gleichmäßig warm, gewinnt es dadurch sogar etwas Luft, bei einem 6205 rund 1,4 Mikrometer je 10 Grad. SKF schreibt, die Lagerluft eines Hybridlagers bleibe bei steigender Temperatur nahezu gleich.

Bei Kälte läuft es umgekehrt, denn die Stahlringe schrumpfen stärker als die Keramikkugeln. Kühlt ein Hybridlager 6205 von 20 auf minus 40 Grad ab, verliert es nach unserer Rechnung rund 9 Mikrometer Luft. Bei einem normalen Lager dieser Größe mit 5 bis 20 Mikrometern kann das knapp werden. SKF schreibt, bei sehr tiefen Temperaturen könne eine größere Klasse nötig sein. Warum Motoren C3 nehmen und was Passung und Wärme von der Luft abziehen, steht im Beitrag Lagerluft.

Fett und Nachschmieren

Ein eigenes Fett braucht das Hybridlager nicht. SKF und NTN füllen ihre Hybridlager ab Werk mit einem Fett für Elektromotoren. Gedichtete Lager sind für ihre Lebensdauer geschmiert und werden nicht nachgeschmiert. Offene Lager schmieren Sie mit dem Fett nach, das schon drin war. So mischen Sie keine Fette, die nicht zueinander passen.

Das Fett hält im Hybridlager länger. SKF nennt mindestens die doppelte Fettgebrauchsdauer, Schaeffler die doppelte. Das Lager reibt weniger und bleibt kühler. Einen festen Faktor für die Nachschmierfrist haben wir aber in keiner Herstellerunterlage gefunden. Unser Rat: Bleiben Sie beim Umrüsten bei der Frist des Stahllagers und betrachten Sie das längere Fettleben als Reserve. Wer die Frist verlängern will, prüft das am Fett, das beim Nachschmieren herauskommt. Mehr dazu im Beitrag Schmierung: Fett, Öl oder trocken.

Dichtung und Käfig

SKF verwendet an seinen Hybridlagern dieselben Dichtungen wie an den Stahllagern. Nehmen Sie also dieselbe Art wie vorher: eine schleifende Dichtung, wenn Schmutz oder Wasser draußen bleiben müssen, das offene Lager, wenn es auf Drehzahl ankommt. Die übliche Gummidichtung aus NBR ist für minus 40 bis plus 100 Grad ausgelegt, eine aus FKM bis 200 Grad.

Beim Käfig lohnt ein Blick auf die Temperatur. Käfige aus Polyamid, bei SKF am Zusatz TN9 zu erkennen, sind bis etwa 120 Grad geeignet. Darüber nimmt man Stahlblech, Messing oder PEEK. Unsere Reihe HYS hat einen Käfig aus Stahlblech, die Reihe HYE einen aus Edelstahl. Mehr dazu im Beitrag Käfigwerkstoffe.

Auch die Ringe haben eine Grenze. SKF stabilisiert sie bei seinen Hybrid-Rillenkugellagern für bis zu 120 Grad, mit dem Zusatz S0 für bis zu 150 Grad. Läuft Ihr Lager heißer, reicht ein anderer Käfig allein nicht.

Welches Lager gegen Strom?

Die meisten Umrüstungen haben diesen Grund: Ein Motor am Umrichter verliert seine Lager durch Strom. Das Hybridlager hilft, weil die Keramikkugel nicht leitet. Welches Lager getauscht wird, hängt davon ab, welcher Strom fließt. Und das hängt vor allem an der Größe des Motors und an der Erdung.

• Kleine und mittlere Motoren. Hier überwiegen Funkenströme. Jedes Lager ist ein eigener Weg für den Funken. Deshalb gehören beide Lager getauscht, wenn das Schadensbild Strom zeigt. Schaeffler nennt zwei Hybridlager als bewährtes Mittel. Bei sehr kleinen Motoren bis Achshöhe 100 hält Siemens reine Funkenströme meist für verträglich.
• Große Motoren. Hier kommt ein Kreisstrom dazu. Er fließt über die Welle, durch beide Lager und zurück durch das Gehäuse. Siemens nennt ihn ab Achshöhe 225 entscheidend, ABB ab Baugröße 280. Um den Kreis zu unterbrechen, reicht ein einziges isoliertes Lager. SKF, Schaeffler und Siemens setzen es auf die Seite ohne Antrieb, meist die Lüfterseite.

Sitzt auf der Seite ohne Antrieb ein Drehgeber, muss auch der isoliert sein. Sonst schließt er den Kreis am Hybridlager vorbei. Siemens schreibt das ausdrücklich vor.

Diesen zweiten Weg übersieht man leicht. ABB beschreibt ihn so: Ist die Motorwelle über die angetriebene Maschine geerdet, liegt die Spannung des Motorgehäuses an den Lagern. Wird sie groß genug, fließt ein Teil des Stroms über das Lager auf der Antriebsseite, die Welle und die Maschine zurück zum Umrichter. Deren Lager können dabei sogar vor den Motorlagern Schaden nehmen. Diesen Weg gibt es mit und ohne Hybridlager. Mit zwei Stahllagern teilt sich der Strom auf beide Motorlager auf. Mit dem Hybridlager auf der Seite ohne Antrieb fließt er allein über Lager B.

Dagegen helfen zwei Dinge:

• Ein Potentialausgleich. Ein 50 bis 100 Millimeter breites Kupfergeflecht verbindet die Gehäuse von Motor und angetriebener Maschine. Flach leitet es schnelle Stromspitzen besser als ein runder Draht. Dann liegen beide auf demselben Potential, und der Strom nimmt das Band statt der Lager. ABB und Siemens empfehlen das.
• Eine isolierte Kupplung. Sie trennt die Welle von der Maschine. Über die Welle kann dann kein Strom mehr hinüberfließen. Schaeffler nennt sie als Abhilfe.

Schaeffler nennt noch einen dritten Weg: beide Motorlager isolieren. Welche Lösung zu Ihrer Anlage passt, entscheidet am besten, wer die Anlage elektrisch kennt.

Aufschreiben, was eingebaut ist

Eine Vorschrift eines Herstellers dazu haben wir nicht gefunden. Wir raten trotzdem dazu:

• Die volle Bezeichnung in die Ersatzteilliste, mit allen Zusätzen und dem Kennzeichen für die Keramikkugeln. Die Grundbezeichnung 6205 allein reicht nicht.
• Ein Hinweis am Motor, zum Beispiel ein Aufkleber am Lagerschild: „Hybridlager, nur gegen Hybridlager tauschen“.
• Bei großen Motoren vermerken, welche Seite isoliert ist und ob ein isolierter Drehgeber, eine isolierte Kupplung oder ein Potentialausgleich dazugehört.

Sonst baut beim nächsten Wechsel jemand ein Stahllager ein, weil es gleich aussieht und gleich passt. Dann kommen die alten Schäden zurück.

Wann sich das Umrüsten nicht lohnt

• Die Ursache ist eine andere. Ein Ausrichtfehler, zu viel Last, altes Fett, ein zu straffer Riemen. Dagegen hilft keine Keramikkugel. Woran Sie die Ursache am Lager erkennen, steht im Beitrag Lagerschaden bestimmen.
• Hohe Last und gute Schmierung. Hier ist das Stahllager im Vorteil, weil der Druck im Kontakt niedriger ist. SKF zeigt das in seinem Lebensdauermodell für Hybridlager. Timken schreibt in seinem Katalog für Präzisionslager, Keramik passe allgemein nicht zu hohen Lasten oder niedrigen Drehzahlen.
• Wasser und Korrosion. Die Ringe sind aus Wälzlagerstahl und rosten wie beim Stahllager. Hier braucht es Ringe aus Edelstahl wie bei unserer Reihe HYE oder gleich Vollkeramik, siehe Wasser, Lauge und Reinigungschemie.
• Stöße und Last im Stillstand. Wo ein Hersteller die statische Tragzahl kleiner ansetzt, bleibt weniger Reserve. Erst nachrechnen, dann tauschen.

Häufige Rückfragen