Außen dünn, innen stark

Spezial

Lager – Hybridantriebe sind im öffentlichen Personennahverkehr im Kommen, Pilotprojekte laufen zum Beispiel in München. Eine tragende Rolle in einem Bushybridantrieb aus den Niederlanden spielen Kaydon-Dünnringlager von Rodriguez.

31. August 2011

Dieselmotoren sind aus dem öffentlichen Personennahverkehr nicht wegzudenken – auch wenn sie viele Schadstoffe in die Luft blasen und laut sind. Rußpartikelfilter sind ein bewährtes Mittel, das Problem der Schadstoffbelastung zu mildern. Wesentlich schwieriger ist es, Dieselmotoren leise zu machen. Außerdem sind die Busse für den reinen Stadteinsatz in der Regel übermotorisiert. Hoher Spritverbrauch und entsprechend hohe Emissionswerte sind die Folge. Hier setzt ein spezielles Antriebskonzept des Anbieters e-Traction aus den Niederlanden an.

1981 gelang es Gründer Arjan Heinen, den Energieverbrauch von Gabelstaplern zu optimieren und so die Betriebsdauer zwischen zwei Ladepausen zu verdoppeln. Bei einem der Folgeprojekte ging es darum, elektrische fahrerlose Transportsysteme zwischen den Langzeitparkplätzen und den Terminals des Amsterdamer Flughafens zu realisieren. Dabei wurde Heinen klar, dass nahezu 50 Prozent der eingesetzten Energie vom Getriebe geschluckt wurde.

Ein logischer Entwicklungsschritt für ihn war »TheWheel«. Diese Radeinheit verbindet Rad und Elektromotor und kommt somit ohne Getriebe aus. Zusätzlich enthält TheWheel eine elektrische oder mechanische Lenkung sowie Höhenkontrolle und Stoßdämpfer.

TheWheel benötigt keinerlei zusätzliche Kraftübertragung. Während bei herkömmlichen Elektromotoren das Gehäuse stationär angeordnet ist und sich der innere Rotor dreht, arbeitet TheWheel nach dem umgekehrten Prinzip: Der innere Teil bleibt stationär, während sich das Gehäuse dreht, auf das auch der Reifen direkt aufgezogen wird. Je größer der Durchmesser des Motors, desto höher das erzeugte Drehmoment.

Darüber hinaus benötigen konventionelle Fahrzeugantriebe ein mechanisches Differenzialgetriebe, das die unterschiedlichen Weglängen bei Kurvenfahrten ausgleicht und ein Radieren eines der Räder verhindert. Bei auf TheWheel basierenden Antrieben entfällt dieses Element, der benötigte Drehzahlausgleich erfolgt hard- und softwaregesteuert. Das gleiche elektronische Managementsystem übernimmt die Funktionen der Traktionskontrolle und eines Anti-Blockier-Systems.

Das Bremsen erfolgt elektromagnetisch, dabei wird die überschüssige Energie in die Antriebsbatterien zurückgespeist. Besonders im reinen Batteriebetrieb verlängert diese Funktion die Reichweite eines Fahrzeugs laut Hersteller erheblich. Die Batterien lassen sich kleiner dimensionieren und sind somit leichter, was sich positiv auf das Gesamtgewicht des Fahrzeugs auswirkt.

Konzept für Busse

Auf der Basis von TheWeel wurde 2004 unter der Bezeichnung »The Whisper« ein neues Antriebskonzept für dieselelektrische Stadtbusse eingeführt. Der eigentliche Antrieb erfolgt über je ein TheWheel in den beiden Vorderrädern, die ihre Energie aus einem gemeinsamen Batteriesatz ziehen.

Um den vergleichsweise geringen Aktionsradius von reinen Elektrofahrzeugen auszugleichen, werden die Batterien aus einem leistungsoptimierten VW-Pkw-Dieselmotor mit nachgeschaltetem Generator gespeist. Auf diese Weise lässt sich der Motor wesentlich kleiner auslegen, als das bei normalen Dieselbussen der Fall ist. Verbrauch, Abgas- und Geräuschemissionen sinken.

Beispielsweise verbraucht ein durchschnittlicher europäischer Citybus in konventioneller Bauweise etwa einen Liter Diesel auf zwei Kilometer, ein Bus mit e-Traction-Antrieb kommt mit dieser Spritmenge 6,3 Kilometer weit. Durch Lithium-Ionen-Batterien und verbessertes Generatormanagement sollen diese Busse sogar eine Reichweite von 7,6 Kilometern pro Liter erreichen und rund zwei Drittel weniger Schadstoffe produzieren.

Das Lager ist wichtig

In der Anfangsphase konzipierte e-Traction sechs verschiedene Antriebsvarianten für zwei Karosserievarianten. Eine wichtige Komponente dabei sind nach Aussage des Antriebsherstellers Kaydon-Dünnringlager von Rodriguez aus Eschweiler. In TheWheel finden Standardlager mit einem Innendurchmesser von 18 Zoll und einem Querschnitt von einem Zoll Verwendung. Wegen ihres großen Innendurchmessers konnten die Entwickler den Antrieb leicht hindurchführen. Da der Querschnitt der Lager gering ist, konnte der Außendurchmesser so klein wie möglich gehalten werden. Laut Rodriguez erfüllten die Lager durch den schlanken Aufbau alle Leistungsanforderungen und boten gegenüber anderen Anbietern das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Die Lebensdauer beträgt konservativ berechnet 7.500 Stunden.

Nach der Erprobungsphase gingen die Hybrid-Fahrzeuge ab 2006 in Produktionszahlen zwischen 200 und 500 Stück pro Jahr in Serie. Eine durchschnittliche Laufleistung von 90.000 Kilometern pro Jahr zugrunde gelegt, bedeutet das eine Dieseleinsparung von 30.000 Litern pro Jahr und Fahrzeug und damit eine spürbare Entlastung der Umwelt. Der Erfolg gibt dem Antrieb von e-Traction recht: Seit Juli 2009 ist die dritte Whisper-Generation im ÖPNV im Einsatz.

Die Kaydon-Dünnringlager von Rodriguez haben einen kleinen Querschnitt bei großem Bohrungsdurchmesser; der Querschnitt für alle Baugrößen einer Serie bleibt gleich. Für noch höhere Ansprüche an Miniaturisierung, Gewichtsoptimierung und besonders kompakte Konstruktion hat Rodriguez sein Dünnringlagerprogramm um die Ultra Slim-Serie erweitert. Der Querschnitt beträgt hier nur 2,5 x 3 Millimeter, auch er bleibt bei steigendem Bohrungsdurchmesser konstant.

Auch auf dem Mars zu Hause

Welche extremen Einsätze die Dünnringlager leisten können, zeigen modifizierte Reali Slim-Dünnringlager in den Roboterarmgelenken des Phoenix Mars Lander. Mit einem kompletten Kugelsatz halten die Lager den Kräften und Vibrationen beim Start stand. Trotz ihrer kompakten, leichten Konstruktion statten sie das Gefährt mit hohen Tragzahlen aus. Zum Durchbrechen der Eisschicht auf der Marsoberfläche und zum Graben bis in 50 Zentimeter Tiefe müssen die Lager im Lander eine Kraft von 45 Kilogramm aufnehmen.

Die Lager sind aus wärmebehandeltem, gehonten Edelstahl gefertigt, für eine glatte Oberfläche und besseres Laufverhalten. Die Wärmebehandlung ermöglicht den Einsatz bei extremer Kälte, zudem sind die Lager mit Spezialschmierstoff befettet.

Erschienen in Ausgabe: 06/2011