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Lineareinheiten

Mit den Baureihen Movitec und Monocarrier bietet Dr. Tretter ein umfangreiches Produktprogramm an Lineareinheiten. Sie sind in zahlreichen Kombinationen hinsichtlich Antrieb, Führung und Achsprofil erhältlich.

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Wo sich in der Technik etwas dreht, sind meist Wälzlager am Werk.
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High-Speed-Zylinderrollenlager: Die Wellenreiter
Sie dürften zu den Maschinenelementen mit der größten Verbreitung
zählen. Mit Mut zur Lücke greift SCOPE-Redakteur Michael Stöcker
einige aktuelle Wälzlager-Entwicklungen auf.

Leonardo da Vinci hatte es gut. Das Universalgenie der italienischen Renaissance, von Historikern heute auch zum Erfinder der modernen Wälzlagertechnik gekürt, musste sich allenfalls zwischen einer handvoll Lagertypen entscheiden. Das war so um 1530. In unseren Tagen kostet es Konstrukteure erheblich mehr Schweiß, das passende Wälzlager zu finden. Denn in allen Erdteilen wird dieses Maschinenelement heute (mehr oder weniger tauglich) produziert. In seiner Variantenvielfalt gehört es wohl zu den meist verbauten Zulieferteilen.

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Das Wälzlager-Angebot ist gigantisch und global. Wie also das Objekt der Begierde finden? Manch einer surft dazu durch jene mit viel Fleiß erstellten Datenbanken, die versuchen, das internationale Wälzlager-Geschehen über Funktionstabellen und Berechnungstools zu beherrschen. Das Handelshaus Findling hat so ein Werk 2004 ins Leben gerufen - und scheint damit den Nerv vieler Konstrukteure und Beschaffer getroffen zu haben. Andere wälzen lieber die Hersteller-Kataloge oder vertrauen praktischen Erfahrungswerten.

Bei aller Vielfalt der Beschaffungsstrategien steht eines sicher fest: Wälzlager Pi mal Daumen auszuwählen ist die schlechteste aller Methoden. Denn am Ende entscheiden allein harte Fakten und gesicherte Qualität über das Für und Wider. Grundlegende Parameter sind dabei die Größe und Richtung der wirkenden Kräfte (radial oder axial) und die Lebensdauer. Meist schon abgeleitet davon fällt die Wahl des Grundtyps (Kugel-, Zylinderrollen-, Kegel- oder Nadellager) beziehungsweise einer Mischform. Weitere Hauptrollen spielen Steifigkeit, Drehzahl sowie Schmierung und Einbausituation. Und in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen haben übergreifende Aspekte wie Energieeffizienz und Total Cost of Ownership.

Auf dem Weg zum „perfekten“ Lager, drehen die Entwickler an vielen Rädchen: Sie minimieren Reibung, senken Gewicht, ändern Geometrien, setzen auf neue Werkstoffe und Oberflächen oder kreuzen verschiedene Lagertypen. Dass dabei munter eine Variante die andere ablöst, gehört zu den Spielregeln.

Die Automotive-Tüftler der Schaeffler Gruppe (INA, FAG, LuK) - das ist der Hersteller mit dem größten Angebot - entwickelten zum Beispiel ein neues vierreihiges FAG-Schrägkugellager, das im Fahrzeug-Radlager die üblichen Kegelrollenlager ersetzt. In Transportern, SUVs und Light-Trucks vermag dieses Twin-Tandem-Radlager den Verbrauch um bis zu 1,5 Prozent zu senken. Ohne Änderungen an der Fahrzeugkonstruktion! Dazu wurden die Kegelrollenreihen durch je zwei Kugellagerreihen ersetzt, so dass ein vierreihiges Kugellager entstand. An die Stelle des Linienkontakts der Kegelrollen treten die Punktkontakte der Kugeln, was die Reibung um 50 Prozent reduziert! Die geringere Betriebstemperatur wirkt sich positiv auf die Gebrauchsdauer der Schmierstoffe aus. Überdies erhöht sich auch die Kurvensteifigkeit.

Welche Auswirkungen dieser Lagerwechsel hat, erhellen einige Zahlen: Bei einem CO2-Ausstoß von 300g/km pro Auto ergibt sich bei 15.000 km Jahresfahrleistung eine CO2-Reduktion von 67,5 kg pro Jahr und Fahrzeug. Zugleich sinkt der Spritverbrauch um besagte 1,5 Prozent, was für einen Light-Truck bei gefahrenen 15.000 km eine Kraftstoffersparnis von bis zu 40 Litern pro Jahr ergibt. Da derzeit weltweit rund sieben Millionen Transporter, SUVs und Light Trucks jährlich vom Band gehen, für die das Twin-Tandem-Radlager passt, wären das rein rechnerisch etwa 280 Millionen Liter Sprit und rund 500.000 Tonnen CO2 weniger per anno.

Minus 30 Prozent

Der schwedische Hersteller SKF startete kürzlich ebenfalls die Produktion neuer Energiespar-Wälzlager. Sie senken den Stromverbrauch im Vergleich zu normalen ISO Produkten um mindestens 30 Prozent. Dabei handelt es sich um Rillenkugel- und Kegelrollenlager, die meist verbauten Typen also. "Wir beginnen mit den weltweit am häufigsten eingesetzten Wälzlagern, um sicherzustellen, dass unsere Lösungen in den meisten Maschinen und Industriesegmenten der Welt angewendet werden können. So bieten wir eine Möglichkeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs auf der Welt und der Senkung der Energiekosten unserer Kunden", so Tom Johnstone, Präsident und CEO von SKF.

Während die Strom sparenden Rillenkugellager vorerst für Anwendungen mit geringer Belastung gedacht sind und in kleineren Durchmessern in Elektromotoren eingebaut werden, zielen die Kegelrollenlager zunächst auf Branchen mit Anwendungen, deren Energieverbrauch 1 Megawatt übersteigt. Also etwa Schienenfahrzeuge und Getriebe in Schwermaschinen, Schiffen, Windanlagen, Förderzeugen und Extrudern. Die ersten dieser Lager haben Außendurchmesser von 200 bis 600 mm und werden in Windturbinen eingesetzt. Würden weltweit die Getriebelager aller Ende 2006 betriebenen Windturbinen durch diese „Green Bearings“ ersetzt, könnten die Anlagen geschätzte 770 Millionen kWh pro Jahr mehr erzeugen. Soviel verbrauchen ein Million schwedische Haushalte monatlich.

Erzielt wird dieses Effizienzplus durch konstruktive Optimierungen von Oberflächen sowie Laufbahnprofil- und -geometrie in Zusammenspiel mit einem speziellen Polymer-Käfig und reibungsarmem Schmierfett. Ein verbesserter Rollensatz macht das Lager leichter; es braucht also weniger Energie, um die Wälzkörper zu bewegen. Daraus folgt eine geringere Massenträgheit der beweglichen Teile und eine geringere Neigung zum Gleiten und Anschmieren.

Exakte Abstimmung

Eine anderes Produkt von Schaeffler zeigt, was moderne Wälzlager bereits während der Energieerzeugung leisten: Erdgas wird zum Transport bei extremen Minusgraden verflüssigt. Die für das Fördern von Liquefied Natural Gas genutzten Pumpen laufen aber nur gut, wenn jene Medien, die gefördert werden zugleich die Wälzlager schmieren. So entstanden Lager, die ohne Abdichtung in Wasser, Dampf, Flüssiggas, Sour Gas oder gar ohne Schmierung laufen. „Dazu muss neben der Wahl der Werkstoffe für Lagerringe, Wälzkörper und Käfige die Lagergeometrie im Makro- und Mikrobereich exakt abgestimmt werden. Eine optimierte Innenkonstruktion gewährleistet die reibungsarme Funktion“, erklärt Hans-Joachim Lange, Key Account Manager Heavy Industries bei Schaeffler in Schweinfurt. Auch durch eine spezielle Bearbeitung der Oberflächen und die Wahl der Werkstoffe trägt man den Eigenschaften der Umgebungsmedien Rechnung. Die bei der Verschiffung von Methan (erst bei minus 163°C flüssig) eingesetzte Pumpe ist daher mit nicht rostenden Lagerringen und Standardkugeln aus dem neuen Werkstoff Cronitect sowie Sonderkäfigen aus Polyamid bestückt.

Cronitect – erstmals auf der diesjährigen Hannover Messe vorgestellt – ist ein weiterentwickelter Hochleistungs-Nirostahl für Wälzlager, die in Extremsituationen laufen. Etwa im Kontakt mit korrosiven Medien oder trocken. Es handelt sich dabei um einen martensitisch härtbaren Stahl, der durch seine chemische Zusammensetzung in Kombination mit einer neuen thermochemischen Randschichtbehandlung eine sehr hohe Härte bei höchster Korrosionsbeständigkeit erlangt. Der Werkstoff besteht klaglos einen 600-Stunden-Salzsprühnebeltest und übertrumpft damit handelsübliche Nirostähle.

Hier schnell, dort langsam

Weniger um Korrosionsbeständigkeit als vielmehr um Tempo geht es bei neuen FAG High-Speed-Zylinderrollenlagern für die Spindellagerung in Werkzeugmaschinen, die Schaeffler vor wenigen Wochen zur EMO präsentierte. Sie erlauben hohe Drehzahlen und eine hohe Belastbarkeit der Spindel, sorgen also für mehr Produktivität. „Die Lager arbeiten mit Stahlrollen und erreichen ein um 80 Prozent höheres Drehzahlniveau als bisher für Standard-Zylinderrollenlager mit Messingkäfig im Katalog angegeben. Sogar die mit Hybridlagern und Messingkäfig möglichen Drehzahlen werden übertroffen. Die Belastbarkeit ist nur wenig geringer“, erklärt Dr. Martin Voll, Leiter Anwendungstechnik Spindellager bei Schaeffler in Schweinfurt. Die Lager haben optimierte Kontaktgeometrien und außenbordgeführte PEEK-Käfige, die weniger Reibung erzeugen als wälzkörpergeführte Messingkäfige. Daher sind auch die Betriebstemperaturen niedriger, was den Schmierstoff schont.

Für die Spindellagerung von Werkzeugmaschinen optimiert sind auch die Schrägkugellager der Baureihe Robust von NSK, die mit den Druckwinkeln 18° und 25° angeboten werden. „Der in der Vergangenheit übliche und für Standard-Spindellager noch verwendete Druckwinkel von 15° hat sich in der Praxis für hohe Drehzahlen nicht bewährt. Vielmehr hat sich ein Druckwinkel von 18° als optimaler Kompromiss zwischen exzellenter Drehzahleignung und robustem Betrieb etabliert“, heißt es dazu aus dem Unternehmen. NSK liefert diese Lager in großer Auswahl mit Käfigen aus Hartgewebe, PEEK oder Polyamid.

Sind nicht hohe Drehzahlen, sondern eher niedrige gefragt, empfiehlt sich ein Blick auf das neue Schmierkonzept für Standard-Wälzlager von Timken. Der Raum zwischen Innen- und Außenlaufbahnen und Rollelementen ist dabei mit einem in ein Polymer eingebettetes Öl gefüllt. Beide werden in einem automatisierten Prozess in das Lager injiziert. Das Timken Solid Lube getaufte System eignet sich laut Keith Johnson, Chefingenieur im Bereich Power Transmission, „für kritische Anwendungen mit Pendelbewegungen, hohen Lasten, niedrigen Drehzahlen und geringen Temperaturen und bietet eine wirkungsvollere Alternative zu Fetten, wenn deren Schmierungsleistung nicht optimal oder der Zugang für Nachschmierungen eingeschränkt ist“. In der Rotation liefert das Polymer den passenden Schmierungslevel für die Oberflächen der Walzelemente und Laufflächen von Innen- und Außenring. Das verhindert die Flucht des Öls in Zonen, in denen es weder nötig noch effektiv ist, und ermöglicht die einwandfreie Schmierung von Laufflächen und Walzen-Kontakten. Das erhöht die Lebensdauer und senkt die Häufigkeit von Lagerschäden. Das Konzept lässt sich für jedes Wälzlager anwenden – einschließlich jener mit Käfig oder vollem Rollensatz.

Höhere Steifigkeit

Für hohe axiale und radiale Belastungen sowie hohe Momentbelastungen ausgelegt sind die Kreuzrollenlager einer neuen Baureihe (Serie RU, Größen 42 bis 445) des japanischen Herstellers THK. Kreuzrollenlager gehören zur Großfamilie der Zylinderrollenlager, allerdings halten hier Distanzstücke die Zylinderrollen auf Abstand und sichern die präzise Führung. Das vermeidet das Schrägstellen und leistungsmindernde Kontaktreiben der Wälzkörper, und ermöglicht einen reibungsarmen Lauf bei geringem Schmierstoffbedarf. Die neuen Kreuzrollenlager sind einreihige Zylinderrollenlager, die durch ungeteilte innere und äußere Lagerringe zudem eine hohe Steifigkeit erreichen. Befestigungsbohrungen in den Innen- und Außenringen erlauben die einfache Konstruktion und Montage ohne Aufnahmegehäuse oder Klemmringe. Anwendungen dafür sind Roboter, WZM-Drehtische, Torque-Motoren, 3D-Scanner und messtechnische Geräte.

Noch höhere Steifigkeit bietet ein neues THK-Schrägrollenlager (Serie RW) in zweireihiger Bauform, das sich auch für hohe Drehzahlen eignet. Es ist doppelt so steif wie das einreihige Kreuzrollenlager, was durch die zweireihige Lagergeometrie in O-Anordnung bei massiver Bauweise erreicht wird. Die präzisen, ungeteilten Innen- und Außenringe bieten eine Rundlaufgenauigkeit von bis zu 2,5 µm. Durch den kleinen Rollendurchmesser ist der Differentialschlupf minimal bei sehr geringem Losbrechmoment.

Eine Kombination aus Zylinderrollen- und Rillenkugellager fiel dem deutschen Hersteller Artur Küpper (AKT) ein, als dringend Ersatz für eine Backstraße gesucht wurde. Die bis dahin eingesetzten Standard-Laufrollen in Form doppelreihiger Rillenkugellager aus anderer Quelle hielten gerade mal vier Monate. Als Ursachen für den raschen Ausfall diagnostizierten die AKT-Ingenieure die hohen axialen und radialen Kräfte sowie die Backhitze.

Die Axial-Belastungen machten den Einsatz von Laufrollen mit Zylinderrollen-Lagerung unmöglich. AKT konzipierte daher innerhalb von nur sieben Wochen eine Laufrolle als tragfähige Kombination aus Zylinderrollen- und Rillenkugellager. Dabei nimmt eine erste Wälzkörperreihe mit Zylinderrollen (vollrollig) die Radiallast auf; eine zweite Reihe mit Rillenkugellagern trägt die Axiallast. Konstruktiver Kniff: Die radiale Lagerluft der mit Zylinderrollen bestückten Reihe wurde kleiner ausgeführt als die Lagerluft der mit Kugeln bestückten Reihe. So wird die hohe radiale Belastung ausschließlich von den Zylinderrollen der ersten Reihe aufgefangen. Die Laufrollen sind im Dauereinsatz und haben – verglichen mit der alten Standardlösung – bereits die vierfache Lebensdauer erreicht.

Einen anderen Sonderweg - sowohl maßtechnisch als auch konstruktiv - ging kürzlich der österreichische Hersteller NKE Austria, als er mit dem deutschen Landmaschinenhersteller Lemken eine komplette Sonderlagereinheit für die Rotorlagerung einer Kreiselegge entwickelte. Dabei entstand aus ursprünglich vier Bauteilen eine einzige Lagereinheit. Die bisherige Kreiseleggen-Konstruktion war mit einem Standard-Rillenkugellager plus daneben angeordnetem Radialwellendichtring (der auf einem Nadellager-Innenring lief) und einer davor angeordneten Filzdichtung mit Blechfassung ausgeführt. Vier Teile waren zu bewirtschaften und zu montieren! NKE schlug vor, alle externen Dichtungen in einer Einheit zu integrieren - bestehend aus einem Rillenkugellager (Basis 6212), das auf einer Seite eine RS-Dichtung hat und auf der anderen Seite zwischen Außenring und Innenring einen Radialwellendichtring sowie die Filzdichtung mit Blechkappe. Dazu musste lediglich eine Sprengringnut konstruktiv versetzt werden.

Diese Sonderentwicklung erfolgte als Gemeinschaftsarbeit zwischen Lagerspezialist und Landmaschinen-Experte. Der Kunde profitiert durch reduzierte Kosten und vereinfachte Logistik in Einkauf, Lagerung, Ersatzteilwesen und Montage.

In ganz eigenen Wälzlager-Dimensionen bewegt sich der Eschweiler Hersteller R. A. Rodriguez mit seinen neuen Dünnringlagern der Serie Ultra-Slim. Sie zeichnen sich durch hohe Steifigkeit und Laufruhe aus und wurden konzipiert, um überdimensionierte Lager zu ersetzen und Anwendungen mit besonderen Ansprüchen an die Positioniergenauigkeit zu optimieren.

Rodriguez hat diese Lager gemeinsam mit dem US-Hersteller Kaydon entwickelt. Sie haben einen extrem dünnen Querschnitt von nur 2,5 x 3,0 mm, der auch bei größeren Bohrungen konstant bleibt. Die Lager sind mit Bohrungsdurchmessern von 35 bis über 170 mm und Außendurchmessern von 41 bis 176 mm verfügbar. Dabei kann der Anwender wählen zwischen einem Schrägkugellager (Druckwinkel 30°), einem Rillenkugellager oder einem Vierpunktlager mit „Spitzbogen-Profil“, das vier Berührungspunkte zwischen einer Kugel und den Laufbahnen ermöglicht. Die Ultra-Slim-Lager gibt es in Edelstahl oder als Hybridversion (Edelstahlringe, Keramikkugeln). Sie sind laut Hersteller „auch bei aggressiveren Umgebungsbedingungen widerstandsfähig und korrosionsbeständig“.

Speziell hinter dieser Entwicklung stehen die wachsenden Ansprüche bezüglich Gewichtsreduktion und kleineren Bauräumen, wie sie die Konstrukteure aus Luftfahrt, Halbleiter-Fabrikation sowie Montage- oder Automationstechnik stellen. Allerdings sind diese Forderungen nur zwei Punkte einer immer längeren Wunschliste, die von Anwenderseite an die Wälzlager-Hersteller heran getragen wird: Mal kleiner, mal größer, hier schneller, dort langsamer, oder leichter und sparsamer aber belastbarer – möglichst in alle Richtungen. Das Thema Wälzlager bleibt reich an Facetten. Leonardo da Vinci hätte seine Freude daran gehabt.

Michael Stöcker (stoecker@hoppenstedt.de)

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