Kegelrollenlager (TRB): Aufbau, Funktion, Auswahl

Kurz gesagt

Ein Kegelrollenlager (engl. Tapered Roller Bearing, TRB) besteht aus einer Innenringbaugruppe mit Rollen und Käfig und einem separaten Außenring. Wegen seiner Kegelgeometrie trägt es Radial- und Axiallast gemeinsam, axial aber nur in einer Richtung. Deshalb wird es gegen ein zweites Lager angestellt, und das Axialspiel oder die Vorspannung wird erst beim Einbau festgelegt.

Aufbau: zwei getrennte Baugruppen

Ein Kegelrollenlager hat vier Bauteile: Innenring (engl. cone), Außenring (engl. cup), Kegelrollen und Käfig. Innenring, Rollen und Käfig bilden eine Baugruppe, die sich vom Außenring trennen lässt. Der Innenring wird auf die Welle montiert, der Außenring ins Gehäuse. Die Lagerluft ist deshalb nicht ab Werk festgelegt, sondern ergibt sich aus der axialen Lage der beiden Ringe zueinander.

Die Rollen werden von einem Führungsbord am Innenring geführt. Neben der einreihigen Grundform gibt es zwei- und vierreihige Kegelrollenlager für besonders schwere Lasten. Zweireihige Ausführungen liefert zum Beispiel Timken meist als voreingestellte Einheit mit Zwischenring. NTN bietet auch einsatzgehärtete Kegelrollenlager an.

Funktion: warum der Kegel Radial- und Axiallast trägt

Bei einem Kegelrollenlager treffen sich die gedachten Verlängerungen der Laufbahnen und der Rollenmantellinien in einem gemeinsamen Punkt auf der Lagerachse. Dadurch rollen die Rollen an jeder Stelle ihrer Länge sauber ab, ohne zu gleiten. Die lange Linienberührung zwischen Rolle und Laufbahn sorgt für hohe Tragfähigkeit und Steifigkeit.

Weil die Laufbahnen schräg zur Achse liegen, zerlegt sich die Kraft im Wälzkontakt in einen radialen und einen axialen Anteil. Die Rollen werden dabei gegen den Bord des Innenrings gedrückt. Eine kleine Anlagekraft am Bord führt sie sauber auf der Laufbahn. Daraus folgen zwei Konsequenzen:

• Das Lager stützt die Axiallast nur in einer Richtung.
• Auch eine reine Radiallast erzeugt eine Axialkraft im Lager, die ein Gegenlager aufnehmen muss.

Maß für die Schrägstellung ist der Druckwinkel; danach unterscheidet man Kegelrollenlager mit normalem, mittlerem und steilem Winkel. Die Beiwerte für die Berechnung der äquivalenten Lagerbelastung geben die Hersteller je Lager an. Den e-Wert erklärt die Kategorieseite Kegelrollenlager.

Metrische Reihen und Bezeichnung

Bei den gängigen metrischen Kegelrollenlagern steht die 3 für die Lagerart. Danach folgen Breitenreihe, Durchmesserreihe und Bohrungskennzahl. Ab Kennzahl 04 ergibt die Kennzahl mal 5 die Bohrung in mm.

Nach diesem Schema bedeuten die Reihen:

• 302: Breitenreihe 0, Durchmesserreihe 2
• 303: Breitenreihe 0, Durchmesserreihe 3
• 313: Breitenreihe 1, Durchmesserreihe 3
• 320: Breitenreihe 2, Durchmesserreihe 0
• 322: Breitenreihe 2, Durchmesserreihe 2
• 329: Breitenreihe 2, Durchmesserreihe 9

Nachsetzzeichen hinter der Reihe, etwa „X“ oder „D“ bei NTN, sind je nach Hersteller unterschiedlich. Klären Sie diese vor einem Vergleich; die wichtigsten Zeichen je Hersteller stehen in der Tabelle weiter unten. Welche Reihe für welche Aufgabe passt, zeigt der Beitrag Kegelrollenlager-Reihen 302, 320, 322 im Vergleich.

Reihen 330, 331 und 332

Zu den Standardreihen gehören auch 330, 331 und 332. Sie haben die Breitenreihe 3. Die Breitenreihe steigt von 0 bis 3 mit zunehmender Lagerbreite, die Durchmesserreihe von 9 über 0 bis 3 mit zunehmendem Außendurchmesser bei gleicher Bohrung.

Durchmesserreihe	Breitenreihe 0	Breitenreihe 1	Breitenreihe 2	Breitenreihe 3
9	–	–	329	–
0	–	–	320	330
1	–	–	–	331
2	302	–	322	332
3	303	313	323	–

• 330 ist die breitere Reihe zu 320: gleiche Durchmesserreihe 0, Breitenreihe 3 statt 2.
• 332 schließt die Folge 302 → 322 → 332 ab: gleiche Durchmesserreihe 2, Breitenreihe 0, 2 und 3.
• 331 hat die Durchmesserreihe 1, die bei den übrigen gängigen Reihen nicht vorkommt. Am Beispiel des Lagers 33124 rechnet FAG die Maßreihe 31 (Breitenreihe 3, Durchmesserreihe 1) in die Bezeichnung nach ISO 355 um.

Den Druckwinkel geben die Reihenziffern nicht an. Sie enthalten nur Lagerart, Breite, Durchmesser und Bohrung. Den Winkel nennt die Bezeichnung nach ISO 355 oder der Herstellerkatalog. Schaeffler (FAG) rechnet dazu das Lager 33124 um:

Mit 200 mm Außendurchmesser, 62 mm Breite und 14°50′ Druckwinkel entspricht es nach ISO 355 der Bezeichnung T3FE120: Winkelreihe 3, Durchmesserreihe F, Breitenreihe E. Tragzahlen der breiten Reihen stehen im jeweiligen Herstellerkatalog.

Bezeichnung nach ISO 355

Maßreihen, die zuvor nicht vom 3XX-Schema abgedeckt waren, sind laut NTN in ISO 355 festgelegt. Diese Bezeichnung beginnt mit „T“. Danach folgen eine Ziffer für die Winkelreihe, je ein Buchstabe für Durchmesser- und Breitenreihe sowie die Bohrung in mm, zum Beispiel 040 für 40 mm. Laut NTN sind Innenringbaugruppe und Außenring dieser Reihen international austauschbar, also hinsichtlich Maß, Funktion und Einbaulage gleichwertig; FAG schränkt ein, dass bei zerlegbaren Lagern Einzelteile nicht in jedem Fall untereinander tauschbar sind. Schmierung und Lagerluft für kritische Anwendungen prüfen.

Diese Austauschbarkeit gilt für Ringe derselben Lagerreihe in Standardausführung. Timken beschreibt eine Reihe als Lager gleicher Innengeometrie, deren Innenringe mit jedem Außenring derselben Reihe kombiniert werden können. Manche Nachsetzzeichen kennzeichnen ausdrücklich nicht austauschbare Ausführungen, bei NTN etwa das R. Prüfen Sie vor einem Einzeltausch deshalb die vollständige Bezeichnung beider Ringe.

Zöllige Kegelrollenlager folgen einem eigenen Schema nach ABMA, bei dem Innenring und Außenring je eine eigene Nummer haben. Mehr dazu im Beitrag Zöllige Kegelrollenlager: Konus und Schale.

Anordnung: O oder X

Kegelrollenlager werden fast immer als angestellte Lagerung gebaut. Zwei Lager werden spiegelbildlich eingebaut und ihre Ringe axial verschoben, bis Spiel oder Vorspannung erreicht ist. Die Kraftlinien der Rollen treffen sich in den Druckkegelspitzen. Als Lagerabstand gilt deshalb der Abstand dieser Spitzen, nicht der Abstand der Lagermitten.

Ausführlich vergleicht der Beitrag Tandem, O- oder X-Anordnung die Anordnungen. Er ist am Beispiel von Schrägkugellagern geschrieben, die Logik gilt aber auch hier.

Einstellen beim Einbau: Axialspiel oder Vorspannung

Die Einstellung gibt das axiale Spiel zwischen Rollen und Laufbahn an. Man legt sie beim Einbau fest, indem man einen Ring axial gegen den anderen verschiebt, etwa mit Wellenmutter, Deckel, Beilagen oder abgestimmten Zwischenringen. Die Passungen allein bestimmen sie nicht.

Drei Zustände werden unterschieden:

• Axialspiel: Die Welle lässt sich unter kleiner Axialkraft messbar in beide Richtungen verschieben.
• Spielfreiheit: der Übergang zwischen Axialspiel und Vorspannung.
• Vorspannung: Die Welle lässt sich nicht mehr messbar verschieben.

Die kalt eingestellte Einstellung ändert sich im Betrieb durch Wärmedehnung und elastische Verformung. Sie beeinflusst die Lebensdauer:

• Zu viel Axialspiel: Die Lastzone wird kleiner, und weniger Rollen tragen die Last.
• Zu hohe Vorspannung: Sie führt zu unerwünschter Erwärmung, höherem Reibmoment und kürzerer Lebensdauer.
• Richtig bemessene Vorspannung: Sie erhöht Steifigkeit und Laufgenauigkeit, zum Beispiel bei Ritzelwellen.

Eine schwimmende Lagerung mit großer Axialluft ist für Kegelrollenlager in der Regel ungeeignet. Nach Timken liegt die günstigste Einstellung im Betrieb meist nahe null; die meisten Lager werden deshalb mit etwas Axialspiel eingebaut, damit sie bei Betriebstemperatur nahezu spielfrei laufen. Den Sollwert legen Konstruktion oder Betriebsanleitung fest.

Ab Werk voreingestellte Paare ersparen das Einstellen beim Einbau. Bei FAG gibt es zum Beispiel gepaarte Kegelrollenlager der Reihe 313 in X-Anordnung (313..-DF) mit abgestimmter Axialluft als Festlager.

Einbau und Einstellung Schritt für Schritt

Innenringbaugruppe und Außenring werden getrennt eingebaut und danach zusammengeführt. Der Ablauf fasst Montagehinweise mehrerer Hersteller zusammen:

1. Vorbereiten: Lager erst unmittelbar vor dem Einbau auspacken. Korrosionsschutzmittel mindestens von Bohrung und Außendurchmesser mit einem faserfreien Tuch entfernen.
2. Innenringbaugruppe aufsetzen: Bei fester Passung aufpressen oder anwärmen; NSK nennt 120 °C als Obergrenze. Den Innenring bis zum Abkühlen gegen die Wellenschulter halten, etwa mit einer Nutmutter, sonst entsteht ein Spalt.
3. Außenring einsetzen: Kleine Außenringe mit Übermaß einpressen oder das Gehäuse vorher anwärmen. Wird der Außenring gekühlt, gegen Kondenswasser und Korrosion schützen.
4. Zusammenführen: Die Baugruppen fluchtend zusammenführen. Schiefes oder erzwungenes Einführen verkratzt die Laufbahnen.
5. Rollen setzen: Die Welle mehrmals von Hand drehen, damit die Rollen am Führungsbord anliegen.
6. Einstellen: Wird der Innenring verstellt, Wellenmutter oder Endplatte anziehen oder lösen. Wird der Außenring verstellt, Beilagen zwischen Deckel und Gehäuse anpassen. Den Einfluss fester Passungen einrechnen.
7. Prüfen: Die Welle unter kleiner Axialkraft von Endlage zu Endlage schieben und dabei drehen; der Weg ist das Axialspiel. Bei Vorspannung ist kein Weg messbar, dann das Anlaufmoment der Welle prüfen. Mutter sichern.
8. Einlaufen: Vor dem Start die Welle von Hand drehen. Bei Ölschmierung muss das Öl vor der ersten Umdrehung fließen. Die Drehzahl langsam steigern.

Beim Einlaufen steigen Temperatur und Laufgeräusch vorübergehend an, besonders bei Fettschmierung. Laut NKE dauert das je nach Anwendung wenige Betriebsstunden bis höchstens 48 Stunden. Bleiben Temperatur oder Geräusch danach deutlich erhöht, deutet das auf Schiefstellung, Verschmutzung oder anstreifende Teile hin.

Beispiel: Axialspiel mit Beilagen einstellen

Allgemeingültige Zahlenwerte nennen die Herstellerunterlagen nicht; der Ablauf ist jedoch festgelegt. Bei X-Anordnung mit loser Gehäusepassung wählt man die Beilagen am Außenring zuerst bewusst zu dick, damit ein messbares Axialspiel entsteht. Dieses Spiel misst man wie in Schritt 7. Aus dem Messwert ergibt sich, um wie viel die Beilage dünner werden muss, damit das Sollspiel erreicht wird. Nach dem Einsetzen der passenden Beilage wird erneut geprüft.

Zeichen je Hersteller im Vergleich

Grundbezeichnungen wie 30205 sind genormt, Vor- und Nachsetzzeichen oft nicht. NKE betont, dass Nachsetzzeichen immer zusammen mit der Lagerart zu lesen sind. Die folgenden Zeichen stammen aus den Unterlagen der jeweiligen Hersteller und gelten nur dort.

Hersteller	Zeichen	Bedeutung laut Herstellerunterlage
Timken	B (Innen- und Außenring)	ISO-Lager mit gleichen Anschlussmaßen, anderer Innengeometrie und steilerem Außenringwinkel
Timken	B (Innenring)	Innenring mit Messingkäfig
Timken	B (Außenring)	Außenring mit Bord, nicht mit der Grundnummer austauschbar
Timken	F (Innenring)	Innenring mit Polymerkäfig
NTN	ETA-	einsatzgehärtete Ausführung, z. B. ETA-30206
NTN	U / R	international austauschbares / nicht austauschbares Kegelrollenlager
NTN	J	Stahlblechkäfig
NSK	HR	verstärkte Ausführung mit größeren und zusätzlichen Rollen
ZKL	A	höhere Tragfähigkeit und Grenzdrehzahl, z. B. 30206A
ZKL	B	Druckwinkel über 17°, z. B. 32315B
ZKL	J2	Stahlblechkäfig neuer Ausführung, z. B. 30206AJ2
ZKL	X	Hauptabmessungen nach neuen internationalen Normen, z. B. 32028AX
URB	L (Vorsetzzeichen)	loser, austauschbarer Ring, z. B. L30205
NKE	DF	ab Werk gepaarte Lager in X-Anordnung
NKE	R	Außenring mit Bord, z. B. 33217-R

Herstellerübergreifend einheitlich sind die Anordnungszeichen DB (O-Anordnung), DF (X-Anordnung) und DT (Tandem). Weitere Zeichen erklärt das Nachsetzzeichen-Glossar. Teile gepaarter Sätze und mehrreihiger Einheiten sind einzeln abgestimmt und dürfen nicht mit Teilen anderer Sätze gemischt werden.

FAQ

Was bedeutet „Einstellung“ bei einem Kegelrollenlager?

Die Einstellung ist das axiale Spiel zwischen Rollen und Laufbahnen im eingebauten Lagerpaar. Man legt sie beim Einbau fest, indem man einen Lagerring axial gegen den anderen verschiebt, etwa mit Wellenmutter, Deckel oder Beilagen. Das Ergebnis ist Axialspiel, Spielfreiheit oder Vorspannung.

Was passiert bei zu viel Axialspiel oder zu hoher Vorspannung?

Zu viel Axialspiel verkleinert die Lastzone. Weniger Rollen tragen die Last, und die Lebensdauer sinkt. Zu hohe Vorspannung führt zu unerwünschter Erwärmung, höherem Reibmoment und ebenfalls kürzerer Lebensdauer. Den richtigen Wert bestimmen die Betriebsbedingungen, meist gestützt auf Erfahrung oder Versuche.

Wie ist die Bezeichnung 30205 aufgebaut?

Die 3 steht für die Lagerart Kegelrollenlager, die 0 für die Breitenreihe und die 2 für die Durchmesserreihe. Die Bohrungskennzahl 05 bedeutet 25 mm Bohrung, weil Kennzahlen ab 04 mit 5 multipliziert werden. Nachsetzzeichen dahinter sind je nach Hersteller unterschiedlich.

Was unterscheidet die Reihen 330, 331 und 332 von 302, 320 oder 322?

Die Reihen 330, 331 und 332 haben die Breitenreihe 3, die größte Breite im 3XX-Schema. 330 teilt die Durchmesserreihe 0 mit 320, 332 die Durchmesserreihe 2 mit 302 und 322; 331 hat die Durchmesserreihe 1. Den Druckwinkel nennen die Reihenziffern nicht.

Wie prüft man die Einstellung nach dem Einbau?

Bei Axialspiel schiebt man die Welle unter kleiner Axialkraft von einer Endlage in die andere, dreht sie dabei und misst den Weg. Bei Vorspannung ist kein Weg mehr messbar; dann prüft man das Anlaufmoment der Welle. Vorher wird die Welle mehrmals gedreht, damit die Rollen am Führungsbord anliegen.

Sind Innenring und Außenring einzeln austauschbar?

Bei Kegelrollenlagern nach ISO 355 gelten Innenringbaugruppe und Außenring laut NTN als international austauschbar – hinsichtlich Maß, Funktion und Einbaulage gleichwertig; Schmierung und Lagerluft für kritische Anwendungen prüfen. FAG weist aber darauf hin, dass Einzelteile zerlegbarer Lager nicht in jedem Fall untereinander tauschbar sind. Das gilt innerhalb derselben Lagerreihe in Standardausführung; Nachsetzzeichen können nicht austauschbare Ringe kennzeichnen. Zöllige Lager haben für beide Teile eigene Nummern. Nach einem Ringtausch müssen Sie Axialspiel oder Vorspannung neu einstellen.

Kurz gefasst

• Das Kegelrollenlager ist zerlegbar: Innenringbaugruppe und Außenring werden getrennt eingebaut.
• Durch die Kegelgeometrie trägt es Radial- und Axiallast, axial aber nur in einer Richtung. Deshalb wird es gegen ein zweites Lager angestellt.
• Die Bezeichnung 3XXXX setzt sich aus Breitenreihe, Durchmesserreihe und Bohrungskennzahl zusammen. 330, 331 und 332 sind die breitesten Reihen; den Druckwinkel zeigt erst ISO 355 mit den Winkelreihen 2 bis 7.
• Die O-Anordnung hat den größeren Stützabstand. Maßgeblich ist der Abstand der Druckkegelspitzen.
• Eingestellt wird mit Mutter oder Beilagen, geprüft über Axialspiel oder Anlaufmoment; danach folgt die Einlaufphase.
• Zu viel Axialspiel verkleinert die Lastzone, zu viel Vorspannung erzeugt Wärme und Reibung.
• Vor- und Nachsetzzeichen gelten je Hersteller; einheitlich sind DB, DF und DT.