Was die Welt bewegt

Spezial: Gleit- und Wälzlager

Wälzlager – Minebea ist als einer der größten Wälzlagerproduzenten in Europa nicht sehr bekannt. Dabei bietet das Unternehmen für viele Einsatzfälle hochspezialisierte und sehr geeignete Komponenten an.

19. Mai 2016

Wälzlager gehören zu den Dingen, die die Welt bewegen. Wir benutzen sie völlig selbstverständlich, doch ohne sie stünde unsere Welt still. Kein Auto, kein Flugzeug, keine Bohrmaschine und keine Waschmaschine käme ohne Wälzlager aus. Es sind die unsichtbaren Helden unseres Alltags. Ein deutscher Haushalt hat rund 160 von ihnen. Überall dort, wo Teile sich bewegen oder rotieren, werden Wälzlager eingesetzt. Bereits im alten Ägypten gab es Vorgänger der Wälzlager, aber auch die Kelten kannten um 700 vor Christus Zylinderrollenlager. Unsere Vorfahren benutzten Holz als Werkstoff, wie Ausgrabungen aus den genannten Epochen zeigen, später folgten auch andere Materialien.

Im Laufe der Jahrhunderte wurden System und Material verbessert, bis Leonardo da Vinci in einer Zeichnung die Idee entwickelte, Trennelemente einfließen zu lassen, die heute als Käfig bekannt sind. Damals wie heute suchten die Menschen nach einer Bewegung, die möglichst wenig Reibung verursacht. Wälzlager dienen als Fest- oder Loselager zur Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie die radialen und axialen Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation ermöglichen. Dabei soll die Reibung und somit die Verlustleistung und der Verschleiß möglichst gering bleiben.

Riesiges Programm

Kaum ein Unternehmen entwickelt und fertigt in der Massenproduktion mehr Facetten an Miniaturkugellagern als der japanische Konzern Minebea. Im Programm ist auch das kleinste Kugellager der Welt, das in Massen produziert werden kann und gerade mal einen Außendurchmesser von 1,5 Millimeter hat. Bei Kugellagern bis 22 Millimeter Durchmesser gibt Minebea einen Weltmarktanteil von über 60 Prozent an.

Das Portfolio reicht vom einfachen Kugellager aus Edelstahl für Industrie, Haushalt und Automotive über besondere Lagerkartuschen im PKW-Turbolader und Speziallager für den Luftverkehr bis hin zum Vollkeramiklager für die Nahrungsmittel- und Halbleiterindustrie. Mehr als 8.500 Wälzlager-Typen werden weltweit produziert.

Jeder Wälzlager-Typ hat charakteristische Eigenschaften, die ihn für bestimmte Lagerungsfälle besonders geeignet machen. Bei der Auswahl des richtigen Lagers spielen mehrere Faktoren eine wichtige Rolle. Dabei fließen neben der Belastung und Drehzahl andere Aspekte wie Einbau, Schmierung, Temperatur, Wartung und eine lange Lebensdauer mit ein.

Letzteres ist gerade in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung. Das Beispiel Turbolader zeigt, wie wichtig die Lagertechnologie im Automobilbereich, in Maschinenbau und Mechatronik ist. Die häufigsten Schäden entstehen hier im Lagersystem der Läuferwelle, die das Verdichterrad mit dem Turbinenrad verbindet. Das Öl als Schmierstoff erzeugt Widerstand, kann verschmutzen oder ganz verschwinden, Dann kommt es schnell zu Lagerschäden und zum Totalausfall des Turboladers sowie zu einem höheren Spritverbrauch.

Eine Möglichkeit, Ansprechverhalten und Dynamik des Abgasturboladers zu verbessern, ist die Optimierung des mechanischen Wirkungsgrades durch reduzierte Reibung. Dies lässt sich durch den Einsatz einer Schrägkugellager-Lagerkartusche, kurz Kugellagerkartusche, mit Keramikkugeln umsetzen. Eine verringerte Reibung bewirkt besonders beim Kaltstart und im Teillastbetrieb eine deutliche Verbrauchsreduzierung. Das Transientverhalten wird verbessert. Dieses Lagersystem kombiniert die Funktionen von Stütz- und Drucklagern in einer Einheit. Die dadurch reduzierten Abstände sorgen für eine Steigerung der Turbinen- und Kompressorleistung. Bei dem in Zukunft zu erwartenden Einsatz von Motorölen mit niedrigerer Viskosität hat die Wälzlagerung entscheidende Vorteile gegenüber der Gleitlagerung. Bei sehr dünnflüssigen Ölen versagt die Gleitlagerung, während die Wälzlagerung noch funktioniert.

Kugellagerkartuschen sind für hohe, dynamische Drehzahlen und extreme Temperaturen entwickelt. Es sind sogenannte Hybridlager. Die eingesetzten Materialien wie Keramikkugeln oder speziallegierte Stähle findet man insbesondere in Flugzeugtriebwerken, wo schon immer extreme Belastungen an das Material gestellt wurden.

Bereits 2009 begann die Entwicklung von Kugellagerkartuschen für Extremeinsätze mit dem Tochterunternehmen Myonic GmbH. Dabei lag der Fokus der Entwicklung auf Tauglichkeit zur Massenproduktion. Dadurch wird bestimmt, was die Kugellagerkartusche letztendlich für den Kunden kostet. Auch der Preis entscheidet, ob das bessere Lagersystem in Turboladern für kleinere Motoren ebenfalls eingesetzt wird. Die eingesetzten keramischen Werkstoffe sind sehr verschleiß-, korrosions- und temperaturbeständig. Sie sind leicht, steif und elektrisch isolierend.

Saubere Lösung

In der Lebensmittelindustrie hat Good Manufacturing Practice obersten Vorrang. Wenn Wälzlager in direkten Kontakt mit Lebensmittel geraten, können diese durch Schmierstoff verunreinigt werden. Darum müssen diese zertifiziert und lebensmittelverträglich sein. Mit Vollkeramiklagern kann der Anwender vollständig darauf verzichten, die auch für den Einsatz bis zu 1.000 Grad Celsius, bei geforderter Korrosionsbeständigkeit oder Medienschmierung bis zum Trockenlauf ihre Stärken ausspielen.

Das zur Minebea Group gehörende Unternehmen Cerobear GmbH entwickelt maßgeschneiderte Keramikwälzlager für die Halbleiter-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Optimierte Fertigungsprozesse sorgen auch hier für eine wirtschaftliche Steigerung der Produktion. Häufig werden Vollkeramiklager gerade wegen der Anschaffungskosten nur in Anwendungsbereichen verwendet, in denen die Vorteile der Keramik zu hundert Prozent zum Tragen kommen und sich Einkäufer nicht abschrecken lassen.

Aber oft sind nicht nur Material und Einsatzgebiete die Entscheidungskriterien. In vielen Maschinen, Anlagen und Komponenten gehören Wälzlager zu den sicherheitsrelevanten Bauteilen. Ihre zuverlässige Funktion ist unentbehrlich. Dies betrifft zum Beispiel die Bauteiltoleranzen, die klar definiert sind. Dadurch wird die mechanische Austauschbarkeit sichergestellt. Damit Wälzlager allen Anforderungen ohne Einschränkung genügen, gilt bei der Herstellung eine strenge Qualitätspolitik.

Auf einen Blick

Minebea wurde 1951 in Tokio gegründet und war zu dieser Zeit der erste auf die Produktion von Miniaturkugellagern spezialisierte Hersteller. Heute ist Minebea der größte Hersteller dieser Lagerart weltweit. Diese Produktpalette wurde ergänzt um elektrotechnische Artikel wie Mess-geräte, Tastaturen, Lautsprecher, Elektromotoren, Touchdisplays und Lüfter. Unter anderem werden auch Spindelmotoren entwickelt, die in Festplatten zum Einsatz kommen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2016