High-Speed Miniaturlager (Rillen-, Schräg-, Sonderkugellager), Miniatur-Kugellager aus Kunststoff, Miniatur-Kurvenrollen (Nadellager), Miniatur-Nadelrollen für Planetengetriebe, Miniaturlager (Rillenkugellager), Miniaturlager (Spindel-, Rillen- und Hybridkugellager)

Huch, sind die klein!

Miniatur-Wälzlager sind zwar kleiner als der Knopf an Ihrem Hemd, gewinnen aber vor allem im fein- und elektromechanischem Geräte- und Apparatebau zunehmend an Bedeutung. Was die Zwerge unter den Wälzlager zu leisten vermögen, hat SCOPE-Redakteur Michael Stöcker in seiner Titelstory zusammen getragen.

Angetrieben durch die fortschreitende Miniaturisierung im Geräte-, Apparate- und Komponentenbau, gibt es im Bereich der Wälzlager mit Außendurchmessern von – sagen wir mal allerhöchstens zehn Millimetern – eine Vielzahl innovativer Lösungen mit zum Teil erstaunlichen Leistungswerten. Nicht immer ist es freilich ganz einfach, die passende Type zu finden. Denn längst nicht alle namhaften Wälzlager-Anbieter haben solche Minis im Sortiment.

Einer der wichtigsten Hersteller im Markt der Miniatur-Wälzlager ist die FAG-Tochter Barden Precision Ball Bearings (Schaeffler Gruppe). Das Unternehmen mit Sitz im US-amerikanischen Danbury gilt als Hochpräzisionsspezialist und fertigt in den USA und Großbritannien Rillen-, Schräg- und Sonderkugellager mit einer höheren Genauigkeit, als sie die gerade in diesem Bereich maßgebende ISO P4 vorgibt. Das gilt auch für kundenspezifische Minilager in geringen Stückzahlen. Neben der Luft- und Raumfahrt beliefert Barden auch die Dental- und Röntgentechnik. Alle hergestellten Lager - die kleinsten haben Außendurchmesser von nur drei Millimetern - werden unter Reinraum-Bedingungen montiert.

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High-Speed im Kleinstformat

Ein typisches Einsatzgebiet für diese Miniatur-Kugellager ist die Herstellung von Zahnarztbohrern, die mit hohen Umdrehungen ihren mehr oder minder schmerzhaften Dienst am Patienten verrichten. Diese Dentalkugellager erreichen Grenzdrehzahlen von sage und schreibe 500.000 min–1! Und trotz dieses Wahnsinnstempos laufen sie sehr geräuscharm und überzeugen durch eine lange Lebensdauer – selbst unter dem Stress der regelmäßigen Sterilisationsprozeduren.

Ein hochinteressantes und in die Zukunft weisendes Anwendungsgebiet für Miniatur-Wälzlager außerhalb der Dental- und Medizintechnik kennt man beim japanischen Hersteller NSK (Deutschlandsitz in Ratingen). Der Hintergrund: Sowohl in Fahrzeugantrieben als auch in stationären Antrieben werden Getriebe mit immer kompakteren Abmessungen gefordert. Sie übertragen auf engstem Bauraum höhere Leistungen und übernehmen zusätzliche Funktionalitäten - bei gleichzeitig immer höheren Drehzahlen und steigenden Anforderungen an den Wirkungsgrad. Da unter diesen Voraussetzungen immer häufiger Planetenradsätze zum Einsatz kommen, hat NSK spezielle Käfige und Nadelrollen für miniaturisierte Planetenradstufen entwickelt, die sich trotz ihrer extrem kompakten Baugröße für Hochgeschwindigkeits-Anwendungen eignen. Die Nadelrollen dieser Lagerungen haben einen Durchmesser von nur 1,5 Millimeter; der Durchmesser der Planetenwelle beträgt gerade mal sieben Millimeter. Laut NSK handelt es sich hierbei um "die weltweit kleinste Lagerung für Planetengetriebe".

Kleine Lösung für Hybridantriebe

In diesem Fall wurde die Miniaturisierung im Wesentlichen durch einen neuartigen M-förmigen Käfig aus hochfestem, carbonitriertem Chrom-Molybdän-Stahl ermöglicht. Die kompakte Bauform schafft eine wichtige Voraussetzung für die Konstruktion von Platz sparenden Kfz-Automatik- oder Hybridgetrieben. Zugleich ist es gelungen, die Lebensdauer dieser Mini-Hochleistungslager zu erhöhen. Erreicht wird das unter anderem durch den Einsatz etwas längerer Rollen.

Ebenso beeindruckend wie die kompakten Abmessungen dieser Lagerung ist die hohe Grenzdrehzahl, die im Vergleich zu bisherigen Lagern um 50 Prozent erhöht werden konnte. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass moderne Getriebe in vielen Anwendungsbereichen mit immer höheren Drehzahlen und größeren Untersetzungsverhältnissen arbeiten. Das betrifft unter anderem auch die Getriebe moderner Hybridfahrzeuge, bei denen die Leistung der schnell laufenden Elektromotoren auf das Drehzahlniveau des Verbrennungsmotors – beziehungsweise des gemeinsamen Abtriebs – reduziert werden muss.

Neben großen Global Playern wie FAG (Barden) oder NSK gibt es aber auch einige deutsche Mittelständler, die als Hersteller auf dem Gebiet der Miniatur-Wälzlager ein Wörtchen mitreden. Dazu zählt beispielweise das Nürnberger Traditionsunternehmen GMN Paul Müller Industrie, das seit über 100 Jahren Hochpräzisions-Kugellager, Maschinenspindeln, Freiläufe und berührungslose Dichtungen herstellt. In der Historie der Wälzlager gilt es als der erste Hersteller der Kugellagerbranche, der Hochgenauigkeits-Kugellager (dazu zählen auch die Minis) erfolgreich produzierte. Neben Standardlagern, wie Spindel-, Rillen- und Hybridkugellager, beinhaltet das heutige Portfolio des Unternehmens auch Sonderlager nach Kundenwünschen. Die Miniaturlager von GMN haben Bohrungsdurchmesser ab fünf Millimeter und werden in den Bauformen Spindel-, Rillen- und auch Hybridkugellager (Stahl/ Keramik) mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln gefertigt.

Eine wichtige Beschaffungsquelle für Miniatur-Wälzlager sind neben den Hersteller selbst die großen technischen Handelshäuser wie etwa der Karlsruher Wälzlager-Lieferant Findling. Das Unternehmen führt seit kurzem Miniatur-Kurvenrollen aus japanischer Produktion im Portfolio, die keineswegs nur für den Einsatz in Medizin- und Dentaltechnik ausgelegt sind. Diese Nadellager-Sonderbauformen der Typen CFS und CF-SFU eignen sich ebenso für elektronische Ausrüstungen, Applikationen zur Fein- und Präzisionsmessung sowie für Geräte der Büroautomation. Es gibt sie standardmäßig in Stahl- und Edelstahl-Ausführung.

Wie (fast) alle Miniatur-Wälzlager gehören auch diese Kurvenrollen zur Familie der Nadellager.Das Anwendungsspektrum integrierter hochsteifer Nadellager ist grundsätzlich breit gefächert, wobei diese Vielfältigkeit hauptsächlich auf den besonderen Eigenschaften der Nadel gegenüber denen anderer Wälzkörper beruht. Will heißen: Geringes Gewicht und niedriger Bauraum. Dazu kommen in diesem Fall die Vorteile der Kurvenrollen als einbaufertige Systeme.

Mit diesen Mini-Lagern lassen sich hochgenaue Kurven- und Linearbewegungen realisieren. Zudem können sie vergleichsmäßig hohe Radialbelastungen aufnehmen – etwa zwei bis drei Mal höhere als Rillenkugellager von gleicher Größe. Durch das kompakte Design, das geringe Gewicht und die engen Toleranzen entsprechen die CFS-Miniaturkurvenrollen den konstruktiven Anforderungen des Leichtbaus und eignen sich bestens für Fälle mit begrenzten Bauraum. Das ist wichtig für die Entwicklung und Herstellung elektronischer Hochpräzisions-Bauteile, Messgeräte oder Office-Geräte.
Bei Standarddurchmessern der Ansatzbolzen von drei, vier oder fünf Millimetern sind Außenringdurchmesser des Nadellagers von sechs, acht oder zehn Millimetern verfügbar. Die käfiggeführten oder vollrolligen Minis wiegen je nach Größe nur zwei, vier oder sieben Gramm. Die dynamischen und statischen Tragzahlen liegen zwischen 630 und 610 Newton und 3.140 und 4.710 Newton bei den vollrolligen CFS 5 VA. Die maximale Drehzahl beträgt bis zu 50.000 Umdrehungen pro Minute (käfiggeführt) und bis zu 26.000 (vollrollig) Umdrehungen pro Minute.

In der Edelstahlausführung verfügen diese japanischen Miniatur-Kurvenrollen über eine hohe Korrosionsbeständigkeit und Widerstandsfähigkeit bei rauem Betriebsumfeld. Sie eignen sich daher insbesondere für den Einsatz in (möglichst ölfreien) Umgebungen mit hoher Wasser- oder Luftfeuchtigkeit, wie man sie etwa in der Medizin- und Lebensmitteltechnik findet oder auch bei Vakuum-Applikationen. Bestimmte Typen sind sogar in Reinraum-Anwendungen einsetzbar.

Gerade mal ein Millimeter Durchmesser

Ein weiteres Wälzlager-Handelshaus, das Miniaturlager aus Asien im Sortiment hat, ist das Unternehmen Kugellager Fiedler im norddeutschen Seevetal. Vor 75 Jahren gegründet, gehört der Großhändler heute mit in die Riege der wichtigsten Anbieter von Wälzlagern in Europa. Seit über 40 Jahren importiert er Produkte aus Japan und seit über 20 Jahren aus China. Auch die Miniaturlager von Fiedler kommen aus diesen Ländern. Sie werden innerhalb der unternehmenseigenen Importmarken IBB und IBU mit Bohrungsdurchmessern ab einem Millimeter (!) angeboten und stehen unter ständiger Qualitätsüberwachung.

Vom Bautyp her handelt es sich um radiale Rillenkugellager aus dem Standard-Werkstoffen Chromstahl (100 cr 6) und Edelstahl (AISI 440 C). Zum Einsatz kommen sie nicht nur zur Herstellung von Geräten und Werkzeugen für die EDV-Technik und Dentaltechnik, sondern auch bei der Konstruktion von Mini-Elektromotoren und technischem Spielzeug.

Die Bedeutung von Miniatur-Wälzlagern wird wachsen. Denn wohin man auch schaut, in fast allen Bereichen der Technik stehen die Konstrukteure heute unter dem Druck, immer leichtere, immer kleinere und damit meist auch immer energieeffizientere Baugruppen zu realisieren. Dieser Trend wird sich fortsetzen und Einfluss nehmen auf weitere, davon bislang noch unberührte Technikbereiche. Die Wälzlager-Hersteller sind daher aufgefordert, ihre Auswahl an Miniatur-Wälzlagern entsprechend anzupassen, neue Lösungen zu entwickeln – und auch Kleinserien kostengünstig anzubieten.

Michael Stöcker

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