Konstruktions- und Maschinenelemente

Wälzlager

Reibungsarme Wälzlager benötigen 30% weniger Energie

Ein großes Spielfeld für energiesparende Aggregate sind Lager – sie beeinflussen wesentlich Verbrauch und Effizienz von Antrieben. Je reibungsärmer sie laufen, umso niedriger ist der Energieverbrauch von Maschinen und Anlagen.

Dr. Arbogast Grunau, Geschäftsleitung Produktentwicklung bei der Schaeffler-Gruppe Industrie, Schweinfurt: „Unsere neuen Rillenkugellager der Generation C weisen 35% weniger Reibung auf als die Vorgänger-Generation.“ Bild: Schaeffler

Die Wälzlagerhersteller haben die Zeichen der Zeit erkannt und sich rechtzeitig mit der Thematik befasst: Die eigene 100-Jahr-Feier nahm SKF 2007 zum Anlass, eine Reihe von energiesparenden Wälzlagern vorzustellen, die im Vergleich zu den normalen ISO-Produkten einen um mindestens 30% geringeren Energieverbrauch aufweisen.

Die Lagerreihe umfasst Rillen- und Kegelrollenlager: Diese werden weltweit am meisten nachgefragt. Das energiesparende Kegelrollenlager hat nach Aussage von Tom Johnstone, Präsident und CEO von SKF in Göteborg/Schweden, im Durchschnitt eine Energieeinsparung von mindestens 30%. Zielgruppe sind zunächst die Industriesegmente mit Anwendungsfällen, deren Energieverbrauch 1 MW übersteigt, wie im Schienenfahrzeugbau und bei Getrieben im Schwermaschinenbau, bei Schiffen, in der Windkraft, bei Förderzeugen und Extrudern.

Die ersten dieser Wälzlager werden im Größenbereich zwischen 200 und 600 mm Außendurchmesser liegen und voraussichtlich in Windturbinen eingesetzt werden. Auch das energiesparende SKF-Rillenkugellager birgt ein Energieeinsparungspotenzial von mindestens 30%. Die Entwicklung dieser energieeffizienten Lager wurde vom Umweltprogramm „Life-Environment 2006“ der Europäischen Kommission unterstützt.

Wälzlager mit hoher Gebrauchsdauer und niedrigem Energieverbrauch

„Diese neue Lagerreihe garantiert Gebrauchsdauer und Tragfähigkeit der Wälzlager und reduziert zugleich den Energieverbrauch ganz erheblich“, betont SKF-Präsident Tom Johnstone. Die technischen Verbesserungen, die diese Effizienzsteigerungen möglich machen, liegen in der Konstruktion: Oberflächenbeschaffenheit, Laufbahnprofil und -geometrie in Verbindung mit einem speziellen Polymer-Käfig und einem optimierten Rollensatz.

Der optimierte Rollensatz führt zu einem leichteren Lager, welches selbst energiesparender ist, weil weniger Energie erforderlich ist, um die Wälzkörper zu bewegen. Dadurch ergibt sich außerdem eine geringere Massenträgheit der beweglichen Teile und dies verringert so die Möglichkeit des Gleitens und Anschmierens, was sich wiederum negativ auf Leistung und Gebrauchsdauer auswirken würde.

Um das Einsparungspotenzial dieser Lager zu erkennen, musse man laut Johnstone den Energieverbrauch von Systemen mit Elektromotorantrieb betrachten. In den USA und der europäischen Gemeinschaft belaufe sich dieser auf rund 1360 Mrd. kWh pro Jahr. „Wären diese Motoren mit energiesparenden Rillenkugellagern von SKF gelaufen, hätten sich Energieeinsparungen von 2,5 Mrd. kWh im Jahr ergeben. Dies entspricht dem gesamten Energieverbrauch von 1,74 Millionen schwedischen Haushalten in einem Monat“, erläutert Johnstone.

Wälzlager bieten hohes Potenzial für Energieeffizienz

Ein weiterer Vergleich zeigt das riesige Sparpotenzial: Würde man alle Getriebelager von Windturbinen, die 2006 schon in Betrieb waren, durch energiesparende Kegelrollenlager von SKF ersetzen, könnten pro Jahr – laut Johnstone – schätzungsweise 770 Mio. kWh zusätzlich erzeugt werden. Das entspreche dem gesamten Energieverbrauch von 540 000 schwedischen Haushalten in einem Monat.

Auch bei Schaeffler hat man reagiert: „Im Lager ist weniger Reibung ein Schlüssel zu mehr Energieeffizienz“, erläutert Grunau und fährt fort: „Unsere neuen Rillenkugellager der Generation C weisen 35% weniger Reibung auf als die Vorgänger-Generation. Damit setzt FAG den neuen Standard für Rillenkugellager.“

Optimiertes Wälzlager-Design steigert Energieeffizienz

Die optimierte Schmiegung der Wälzkörper an den Ringen sei Hauptursache für die signifikante Leistungssteigerung bei dieser Lagerbauart. Zu den Verbesserungen zählen laut Grunau leistungsfähigere Dichtungen sowie ein genieteter Stahlkäfig. „In Summe erhöhen die Designänderungen den Wirkungsgrad, ermöglichen höhere Drehzahlen und vermindern das Geräusch. Gebrauchsdauer und Leistung steigen signifikant bei gleichzeitig deutlich reduziertem Energieverbrauch“, ergänzt Grunau.

Im Kegelrollenlager komme der Optimierung des Bordkontaktes eine besondere Bedeutung zu. Insbesondere bei zunehmender Axiallast steigt laut Grunau das Reibmoment konventioneller Kegelrollenlager sehr stark an: „Die Schaeffler-Gruppe hat daher bei den neuen X-life-Kegelrollenlagern T7FC Geometrie, Oberflächen, Werkstoff sowie Maß- und Laufgenauigkeit überarbeitet. Ergebnis ist die Steigerung der dynamischen Tragzahlen um bis zu 20% und der nominellen Lebensdauer um etwa 70%.“

Gleichzeitig reduziere die höhere Maß- und Laufgenauigkeit in Verbindung mit der verbesserten Oberflächentopografie das Reibmoment um bis zu 75% im Vergleich zu handelsüblichen Produkten. Ebenfalls reibungsärmer sei die zusätzlich überarbeitete Kontaktgeometrie von Innenringbord und Rollenstirnseite.

Neue Oberflächentopografie verlängert Wartungsintervalle

Dadurch werde der Schmierstoff im Lager weniger beansprucht und die Wartungsintervalle verlängerten sich. „Insgesamt läuft das X-life-Kegelrollenlager damit deutlich leiser“, zeigt Grunau einen weiteren Vorteil auf.

Zylinderrollenlager sind radial äußerst tragfähig und sehr steif sowie für raumsparende Konstruktionen besonders geeignet. Zusätzlich zu hohen Radialkräften können sie Axialkräfte aufnehmen, wenn sie als Stützlager oder Festlager eingesetzt werden. Die Axiallast wird dabei über die Wälzkörperstirnflächen und Borde übertragen.

Zylinderrollenlager mit deutlich geringerem Reibmoment

Mit Hilfe neuer Berechnungsmethoden und veränderter Fertigungsverfahren optimierten die Ingenieure der Schaeffler-Gruppe die Kontur der Rollenstirnflächen und damit die Berührverhältnisse zwischen Stirnfläche und Bord und steigerten so die axiale Belastbarkeit signifikant. „Der deutlich tragfähigere Schmierfilmaufbau lässt das Reibmoment unter Axiallast um bis zu 50% absinken“, erläutert Grunau. Damit steige die Energieeffizienz erheblich.

Die Lager sind somit bei gleicher Dimensionierung noch leistungsfähiger oder sie können bei gleicher Belastung kleiner und damit kostengünstiger dimensioniert werden (Downsizing), so Grunau. Gleichzeitig müsse weniger Schmierstoff eingesetzt werden.

Schrägkugellager statt Kegelrollenlager

Für Antriebsstrang und Fahrwerk im Automobil bietet die Schaeffler-Gruppe mit reibungsarmen zwei- und vierreihigen Schrägkugellagern eine Alternative zu herkömmlichen Kegelrollenlagern. „Die Punktkontakte der Kugeln anstelle des Linienkontaktes der Kegelrollen sowie der Wegfall der Bordreibung reduzieren die Lagerreibung um bis zu 50%“, sagt Grunau. Vierreihige Schrägkugellager können die Kegelrollenlager dann ersetzen, wenn dies von der Belastung her möglich ist.

Beispiele sind Radlager von Transportern, Sport-Utility-Vehicles (SUVs) und Light-Trucks. Grunau verdeutlicht: „Die Substitution an beiden Achsen senkt den Verbrauch in der Größenordnung von bis zu 1,5% bezogen auf Standard-Fahrzyklen.“ In Achsgetrieben von Personenfahrzeugen werde das zweireihige Tandem-Schrägkugellager als Ersatz herkömmlicher Kegelrollenlager zur Lagerung von Ritzel und Differenzial eingesetzt.

Mit ihrer Sparte Aerospace bietet die Schaeffler-Gruppe auch für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entsprechende Wälzlager an. „Produkte von Schaeffler finden sich etwa in den Triebwerken moderner Verkehrsflugzeuge für geringeren Verbrauch“, stellt Dr. Grunau fest und fährt fort: „So zum Beispiel in der neuen Baureihe 787 von Boeing. Der so genannte ,Dreamliner‘ verbraucht etwa 20% weniger Treibstoff als vergleichbare Verkehrsflugzeuggenerationen, unter anderem durch die neuen Triebwerke von General Electric und Rolls Royce. Beide Varianten greifen dabei auf das Lager-Know-how der Schaeffler-Gruppe Aerospace zurück.“

Neue Hauptwellen- und Getriebelager für die Luftfahrt

Dazu wurden Hauptwellen- und Getriebelager neu konzipiert, um niedriges Gewicht bei gleichzeitig hoher Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu erreichen. Gleichzeitig wurden laut Grunau Funktionen und Umbauteile wie Mechanismen zur Schwingungsdämpfung oder Gehäuseteile mit integriert.

Internetbasiertes Analysetool ermittelt Energieeinsparungen

Viele Unternehmen fragen sich bei der Entwicklung neuer energieeffizienter Antriebe, wo sie ansetzen sollen. Diese Frage ist für Unternehmen mit einer Vielzahl von Antrieben oft nicht einfach zu beantworten. SKF hat deshalb dafür ein internetbasiertes Analysetool entwickelt: das Client Energy and Environment Analysis (CEEA).

Dieses Analyseprogramm erstellt eine „Potenzialkarte”, die anzeigen soll, bei welchen Aggregaten die größten Einsparungen in Bezug auf die prozentuale Einsparung, den Amortisierungszeitraum und die tatsächlichen Kosten erzielt werden können.

Weil sich die Energieausnutzung von Betriebsanlagen im Laufe der Zeit verändern kann, sei CEEA außerdem ein Hilfsmittel für regelmäßige Überprüfungen. Denn unabhängig von Applikation und Anlage gilt: Nur wenn die Energieverluste auch während des alltäglichen Betriebs so gering wie möglich gehalten werden, können Energieaufwand und -kosten auf ein Minimum gesenkt werden.