Dem Wind gut angepasst

Wind

Lager – Der schlanke Käfig machts möglich: bei Windkraftgetrieben sorgt das neue High-Capacity-Zylinderrollenlager von Schaeffler für höhere Tragzahlen und weniger Reibung. Für die Turm- und Blattverstellung produziert Schaeffler Drehverbindungen bis zu 4.000 Millimeter Außendurchmesser.

31. August 2010

Auf der Messe Husum Wind 2010 wird Schaeffler der Öffentlichkeit ein Lager präsentieren, das zwei Wünsche von Windkraftgetriebe-Konstrukteuren auf einmal erfüllt: Hohe Tragzahl bei geringer Reibung. Der Name des Neulings, der sich bereits im Piloteinsatz befindet: FAG High-Capacity-Zylinderrollenlager. Das neue Lager löst ein bestehendes Dilemma: Denn bisher setzen die Konstrukteure in den Planetenstufen von Windkraftgetrieben vor allem vollrollige Zylinderrollenlager ein. So bezeichnet man Lager, die keinen Käfig besitzen, der die Wälzkörper auf Abstand zueinander hält und führt. Da ohne Käfig aber mehr Wälzkörper im Lager Platz finden, haben diese Lager im Vergleich zu anderen Lagern die höchsten Tragzahlen. Allerdings berühren sich die Wälzkörper direkt, weshalb in vollrolligen Wälzlagern die Reibungsverluste auch vergleichsweise hoch sind. Im Gegensatz dazu sind Zylinderrollenlager mit einem herkömmlichen Messing-Massivkäfig wesentlich reibungsärmer. Allerdings passen wegen des Käfigs weniger Wälzkörper in das Lager, womit sie nicht über die erforderli-chen Tragzahlen verfügen. Hier kommt nun das neue FAG High-Capacity-Zylinderrollenlager ins Spiel: Schaeffler hat dafür einen neuen Stahlblech-Lagerkäfig entwickelt, der wesentlich schlanker gearbeitet ist als ein herkömmlicher Messing-Massivkäfig. Dank der besonders schmal gearbeiteten Stege findet sich im Lager genug Platz für mindestens einen weiteren Wälzkörper. Damit erhöht sich die statische (C) und die dynamische (C0) Tragzahl gegenüber einem herkömmlichen Zylinderrollenlager mit Messing-Massivkäfig um 6 Prozent. Dies bedeutet eine Steigerung der Lebensdauer um über 20 Prozent. Trotzdem bleibt die Reibung niedrig.

Selbsthaltender Käfig

Die besondere Bauweise des Käfigs erleichtert die Montage: Der Käfig besteht aus zwei ineinander geschobenen und gefügten Teilkäfigen. Die Stege des inneren Käfigs führen die Wälzkörper. Gleichzeitig halten sie die Wälzkörper im Lager, auch wenn ein Lagerring entfernt wird. Das heißt: Der Käfig ist »selbsthaltend« ausgeführt. Somit braucht man beim Lagereinbau keine separate Vorrichtung mehr, um ein ungewolltes Herausfallen der Wälzkörper aus dem Lager zu verhindern. Außerdem verbessert die besondere Geometrie der Käfigtaschen den Öldurchfluss. Die bessere Schmierung reduziert ebenfalls die Reibung und beugt Lagerschäden vor. Übrigens: Der Serieneinsatz des FAG High-Capacity-Zylinderrollenlagers ist ab 2011 geplant. Neben dem FAG High-Capacity-Zylinderrollenlager hält Schaeffler für die Konstrukteure von Windkraftanlagen weitere Lager bereit. Wie zum Beispiel für die Windnachführung und Blattverstellung. Denn zur Leistungsregelung der Windenergieanlage muss der Blattwinkel über die Drehbewegung am Blattlager immer optimal der Windgeschwindigkeit angepasst werden. Die Blattverstellung steuert so die Rotordrehzahl, die eine möglichst gleichmäßige Stromerzeugung ermöglicht.

Dabei treten zum Teil sehr hohe Lasten aus der dynamischen Beanspruchung der Rotorblätter auf. Diese müssen sicher über die Laufbahnen und die Schraubenverbindungen der Blattlager in die Rotornabe abgeleitet werden. Zum Einsatz kommen hier zumeist zweireihige Vierpunktlager, deren Innen- beziehungsweise Außenring verzahnt oder unverzahnt sein kann. Auch um die Stellung der Gondel immer optimal der Windrichtung anzupassen, benötigt man eine Drehverbindung. Windlasten und dynamische Massenkräfte werden über die Laufbahnen und die Schraubenverbindungen in den Turmkopf abgeleitet. Zum Einsatz kommen hier meist einreihige Vierpunktlager, deren Innen- bzw. Außenring wiederum verzahnt oder unverzahnt ausgeführt sein kann. Für die Windnachführung der Gondel und die Verstellung der Rotorblätter entwickelt und produziert die Schaeffler Gruppe Industrie (INA/FAG) Drehverbindungen bis zu einem Außendurchmesser von 4.000 Millimetern, derzeit für Anlagen bis zu einer Leistung von 5,0 MW. Durch ihren konstruktiven Aufbau übertragen sie radiale und axiale Kräfte sowie Kippmomente.

Mit Bearinx geplant

Scheffler führt sie als ein- oder zweireihige Vierpunktlager aus, sowohl unverzahnt als auch innen- und/oder außenverzahnt. Bei unterschiedlichen Belastungen ermöglichen sie eine exakte Winkelverstellung. Für höchstmögliche Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit gegen vorzeitige Schäden, wie Ermüdung in der Laufbahn und Korrosion an den Oberflächen, sorgen an den Lagern zinkflammgespritzte Oberflächen, Mehrschicht-Lackierung, veredelte Dichtungsanlaufflächen und hochfester Vergütungsstahl. Durch den Werkstoff und die Oberflächenschutzmaßnahmen sind die Lager bis minus 30 Grad Celsius geeignet. Schaeffler modelliert die Drehverbindungen anhand des Programms Bearinx, welches das Unternehmen für die Berechnung von Wälzlagern geschaffen hat. Die Belastungen und inneren Beanspruchungen der Wälzlager, die Vergleichsspannungen der Wellen sowie die wichtigsten Kennwerte stellt das Programm tabellarisch und grafisch dar. Auch die innere Lastverteilung im Lager berechnet die Software exakt, bis hin zur Kontaktpressung unter Berücksichtigung der Laufbahnschmiegung. Analog zur Beanspruchung der einzelnen Wälzkontakte ermittelt Bearinx die rechnerische Lagerlebensdauer genauer als bisher möglich.

Für detailliertere Analysen können FEM-Berechnungen den Einfluss der Umgebungskonstruktion auf die Wälzlager und umgekehrt ermitteln. Zusätzlich berechnet das Programm bei Auslegungen eine Sicherheit gegen dynamisches Kernversagen (Core-Crushing). Diese bezieht sich auf die Lagerlast, bei der die dynamische zulässige Spannung im Übergang Rand/Kern erreicht wird. Die Beanspruchung des Werkstoffs wird über die Tiefe des Materials mit der zulässigen Beanspruchbarkeit des Werkstoffs verglichen.

Erschienen in Ausgabe: 06/2010