Getunte Champs

Energieeffizienz

Energieeffiziente Lager – Wälzlager sind von Haus aus Energiechamps. Doch fast immer lassen siesich für den konkreten Einsatz noch effizienter gestalten. Mit Reibungsoptimierung, Downsizingund dem überarbeiteten Bearinx-Berechnungsprogramm geht die Schaeffler Gruppe dabei neue Wege.

15. Oktober 2010

Sind Wälzlager per se energieeffizient? Schon, doch rät die Schaeffler Gruppe, komplementär gleich noch drei weitere Ansätze zu verfolgen, damit per Lager-optimierung noch mehr Effizienz erzielbar ist. Dabei stehen die Stichworte Wälzlager und Energieeffizienz für zwei Begriffe, die sich fast als Synonyme verwenden lassen. Schließlich ist es Sinn und Zweck des Wälzlagers, Reibung zu reduzieren – und somit Energie zu sparen. Dass sich aber unter dem Stichwort »Reibungsoptimierte Wälzlager« noch erhebliches Potenzial zutage bringen lässt, zeigen anschaulich aktuelle Beispiele mit Marke FAG.

Beim neu entwickelten FAG-Rillenkugellager der Generation C zum Beispiel wurden alle geometrischen Parameter von Innenring, Außenring und Wälzkörper überarbeitet. Die optimierte Schmiegung der Wälzkörper an den Ringen führt zu 35 Prozent weniger Reibung im Vergleich zur Vorgängergeneration, was auch den Energieverbrauch signifikant reduziert. Im Kegelrollenlager steigt insbesondere bei zunehmender Axiallast das Reibmoment sehr stark an. Bei den neuen X-life-Kegelrollenlagern wurden daher Geometrie, Oberflächen, Werkstoff sowie Maß- und Laufgenauigkeit überarbeitet. In Verbindung mit der optimierten Kontaktgeometrie von Innenringbord und Rollenstirnseite sinkt demzufolge das Reibmoment um bis zu 75 Prozent gegenüber handelsüblichen Produkten. Werden Zylinderrollenlager als Stütz- oder Festlager eingesetzt, nehmen sie zusätzlich zu hohen Radial- auch Axialkräfte auf. Wälzkörperstirnflächen und Borde übertragen die Axiallast. Bei der Marke FAG gelang die Konturoptimierung der Rollenstirnflächen – und damit der Berührverhältnisse zwischen Stirnfläche und Bord. Die axiale Belastbarkeit ist viel höher. Schnellerer Schmierfilmaufbau und geringere Kontaktpressung senken das Reibmoment unter Axiallast um bis zu 50 Prozent ab. Und das bringt erheblich mehr Effizienz.

Halb Rolle, halb Kugel

Während, wie beschrieben, ein Weg zu mehr Effizienz in der Reibungsoptimierung liegt, wird der zweite per Downsizing erschlossen. Das bedeutet, Produkte und Aggregate kleiner zu konstruieren, ohne Leistungseinbußen hinzunehmen – Primär- und Sekundärenergie werden so eingespart. Voraussetzung für die gewünschte Verkleinerung sind moderne Wälzlager, die eine höhere Leistungsdichte, das heißt eine höhere Tragzahl bei gleichem Bauraum, aufweisen. Hier stellt das neu entwickelte Kugelrollenlager eine echte Revolution dar: Die Steigerung von Tragfähigkeit und Lebensdauer erreicht Werte, die mit konventionellen Produkten und Verfahren unmöglich sind. Im Vergleich zum herkömmlichen Standard-Kugellager 6207 nach DIN 625 ermöglichen Wälzkörper, Käfigdesign und Montageverfahren des Kugelrollenlagers den Füllgrad, also die Anzahl der Wälzkörper, im selben Bauraum von neun oder rund 60 Prozent auf 14, also etwa 90 Prozent zu steigern. Die Lebensdauer steigt um den Faktor 2,4. Im gleichen Bauraum lässt sich so mehr Leistung übertragen. Oder es besteht die Möglichkeit der Reduzierung des Bauraums – Downsizing! – bei gleicher Leistungsübertragung. Zudem weist das kleinere Kugelrollenlager bei gleicher Leistungsfähigkeit eine viel geringere Reibung gegenüber dem größeren, konventionellen Kugellager auf. Der neuen Wälzlagerbauart liegt die Idee zu Grunde, vom herkömmlichen Wälzkörper »Kugel« nur die belasteten Bereiche zu nutzen. Daraus entstand ein neuartiger Wälzkörper, die Kugelrolle, die nur 70 Prozent der Breite einer Kugel aufweist. Die höhere Leistungsdichte des Lagers ermöglicht das Downsizing von Produkten, was sowohl den Rohstoffeinsatz reduziert als auch das Reibmoment senkt.

Bearinx weiter fortentwickelt

Der dritte Weg, um zur optimalen Lagerkonstruktion zu kommen, ist das genaue, praxisnahe Berechnen. Zur Berechnung der Wälzlagerreibung hat die Schaeffler Gruppe ein analytisches Modell entwickelt und in das eigene, bereits seit vielen Jahren be-stehende Wälzlager-Berechnungsprogramm Bearinx integriert. Das neue Berechnungsverfahren bietet vor allem kürzere Rechenzeiten und eine höhere Modellgüte. Es berücksichtigt eine Vielzahl von Einflussgrößen, wie zum Beispiel die real auftretende Pressungsverteilung und die innere Lagergeometrie. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren neben der Lastverteilung und der Lebensdauer auch die Reibmomente von Wälzlagern und damit die Verlustleistung von ganzen Wellensystemen oder Getrieben zu berechnen. Schon in der frühen Produktentwicklungsphase lässt sich so ein reibungsoptimiertes Lagerkonzept auswählen. Herzstück der Reibungsberechnung ist die Elastohydrodynamische Theorie (EHD). Sie befasst sich mit der Ausbildung eines Schmierfilms in hoch belasteten Kontaktstellen von Körpern, die mit hoher Geschwindigkeit aufeinander abrollen. Dies beinhaltet die hydrodynamische Schmierfilmbildung sowie die elastische Verformung der Kontaktkörper. Zusätzlich werden auch die Anteile der Roll- und Gleitreibung berücksichtigt. Als Berechnungsergebnis des jeden Wälzkörperkontakt separat analysierenden Interaktionsverfahrens sind sämtliche Reibkräfte an den diskreten Punkten der Kontaktfläche und die Übertemperaturverteilung bekannt.

Reibung deutlich Reduziert

Das neue Reibungsberechnungsmodell in Bearinx gestattet, in einem frühen Konstruktionsstadium unterschiedliche Wälzlageranordnungen und ihr Potenzial hinsichtlich der Reibungsminimierung zu bewerten. Die reibungsärmste Lösung und ihr Effizienzpotenzial werden so aufgezeigt. Beispielsweise konnte bei einem Kompressor mit Hilfe von Bearinx, die Reibung um 61,6 Prozent gegenüber der ursprünglichen Variante reduziert werden – bei gleichzeitiger Reduktion des benötigten Bauraums für die Lagerungen.

Schaeffler Gruppe/mm

Fakten

- Die Schaeffler Gruppe zählt mit rund 66.000 Mitarbeitern an weltweit mehr als 180 Standorten zu den weltweit führenden Wälzlagerherstellern und Automobilzulieferern.

- Die Sparte Industrie liefert über eine marktnahe Organisation Wälz- und Gleitlager sowie Lösungen für die Linear- und Direktantriebstechnik in rund 60 verschiedene Industriebereiche.

Erschienen in Ausgabe: Sonderheft Green/2010