Punkt vor Linie

CO2-Reduzierung, Energieersparnis, mehr Effizienz? Auch eine Frage der richtigen Komponentenauswahl. Auf dem Schaeffler-Fachpresse-Workshop in Landshut ging es in die Tiefen ausgefuchster Wälzlagertechnik.

Drei Megatrends benannte Gastreferent Prof. Dr.-Ing. Marcus Geimer vom KIT in Karlsruhe zu Beginn des zweitägigen Fachpresse-Workshops ,Effiziente Lagerlösungen für Mobile Arbeitsmaschinen' der Schaeffler Gruppe Industrie (INA/FAG): Klimawandel und Energie, eine wachsende Weltbevölkerung sowie digitales Leben und intelligente Systeme. Dass hierbei gerade die Effizienzsteigerung Mobiler Arbeitsmaschinen so interessant ist (dazu gehören alle Fahrzeuge, die sowohl über einen Fahrantrieb, als auch über einen Arbeitsantrieb verfügen), begründet Prof. Marcus Geimer damit, dass hier pro Einheit wesentlich höhere Kraftstoffeinsparungen gegenüber einem PKW zu erreichen sind.

Die Ergründung von Einsparpotenzialen

Liegen die Kraftstoffkosten für ein gesamtes PKW-Leben bei 20.000 Euro (bei angenommenen 200.000 km Laufleistung), so können bei einer Mobilen Arbeitsmaschine (bei angenommenen 10.000 Betriebsstunden-Lebensleistung) 200.000 Euro zugrunde gelegt werden – Faktor 10! Ein Schwerpunkt des KIT liegt daher in der systematischen Analyse von Maschinen- und Antriebskonzepten hinsichtlich deren Potential zur Hybridisierung, sowie der Entwicklung von Betriebsstrategien und Energiemangementkonzepten. Leistungs- oder Energiedichte ? Sprich, kommen Hydraulik- oder Elektriksysteme zum Tragen? Hier muss von Anwendung zu Anwendung entschieden werden. „Einen allgemeingültigen Trend hin zum Verbrennungsmotor-Elektro-Hybrid oder gar zu vollelektrischen Antrieben (wie beim PKW) wird es aller Voraussicht nach bei den Mobilen Arbeitsmaschinen nicht geben“, so Prof. Geimer.

CO2-Reduzierung von 10 %

Dr. Udo Markowski, Vice President der Schaeffler Gruppe Industrie und Leiter Branchenmanagement Power Transmission, sprach die wirtschaftliches Situation des Unternehmens an: „Die PKW-Abwrackprämie hat dem Automotive-Bereich sehr gut getan. Für 2009 erwarten wir zwar einen Umsatzrückgang gegenüber 2008, aber wir schreiben operativ schwarze Zahlen.“ Und auch für 2010 zeigte Dr. Markowski sich zuversichtlich: „Wir werden am Marktwachstum wieder überproportional partizipieren.“ Dann kam er auf die Kernkompetenz seines Unternehmens zu sprechen: „Unsere Wälzlager sind dazu da Reibung zu reduzieren. Gemeinsam mit weiteren Produkten der Automotive-Sparte haben wir in einem Projekt einen PKW mit Produkten der Schaeffler Gruppe komplett optimiert und so eine CO2-Reduzierung von 10 Prozent erreicht.“ Eine wichtige Rolle spielt hier der F&E-Bereich, mit rund 5.000 Mitarbeitern − insgesamt beschäftigt die Schaeffler Gruppe etwa 61.000 Mitarbeiter.

Optimiert Hydraulikaggregate

Harald Vornehm, von der Anwendungstechnik Fluid & Pneumatik, zeigte am Beispiel Hydraulikaggregate, wie fruchtbar sich hier die enge Zusammenarbeit mit dem Kunden Sauer-Danfoss gestaltete. Bei der Neuentwicklung von Axialkolbenpumpen und -motoren wurden aufgrund der Optimierung der Lagerstellen und dem Einsatz von X-life-Kegelrollen- und Zylinderrollenlager die Baugröße reduziert und der Gesamtwirkungsgrad um ­­ 2 % verbessert.

Konstruktionselement Oberfläche

Ein weiteres Plus der Schaeffler Gruppe bei der Optimierung von Lagern ist, dass hier ein tiefes Verständnis für modernste Beschichtungstechnologien besteht. Dr. Tim Hosenfeldt, Leiter Oberflächentechnik, zeigte anhand zahlreicher Beispiele auf, wie die Wälz- und Gleitlageroberflächen zum Konstruktionselement werden.

Beschichtungsart, Materialpaarung, Geometrie und die richtige Grundwerkstoffauswahl erweisen sich als entscheidend für die angestrebte Reibungsoptimierung, den Korrosionsschutz, die Verschleißoptimierung, die Vermeidung von Schäden durch Schlupf und Stromdurchgang. Gehohnte Oberflächen und ausgeklügelte Beschichtungssysteme etwa tragen so entscheidend zu einer höheren Energieeffizienz und längere Lebensdauer bei. Dabei wird nur immer ein Reibpartner, in der Regel der Wälzkörper (Kugel, Rolle, Kegelrolle, Nadelrolle oder Kugelrolle) beschichtet. Triondur DLC-Schichten (diamantartige Karbonschichten) beispielsweise verfügen über einen ­niedrigen ­E-Modul und hohe Härte und solchermaßen hybride Oberflächen glänzen durch Verschleiß- und Reibungsarmut. Die richtige Beschichtung eines Ventiltriebes etwa erbrachte unabhängig vom eingesetzten Öl eine Reibungsreduzierung von ­ 50 % und damit eine CO2-Reduzierung von 1-2 %. Im haus­eigenen Oberflächentechnikum arbeiten die Entwicklungsingenieure in baugleichen Anlagen zur Serienproduktion, um die Produkte zügig in die Großserie überführen zu können. Tribologische und Korrosionsschichtsysteme bilden eine zunehmend große Schnittmenge mit der Folge, dass immer mehr multifunktionale Schichtsysteme benötigt werden.

Gleitlagertechnik

Der Trend geht hier zu Minimalmengenschmierung oder, wie am Beispiel wartungsfreie Gleitlager zu sehen, die Joachim Klüppel, Anwendungstechnik Flurförderzeuge vorstellte, ganz weg vom Schmieren. „Jeder Tropfen Öl kann 1.000 Liter Trinkwasser verseuchen“, beschreibt Joachim Klüppel die Problematik mit dem Nachschmieren. Denn wird die Schmierstelle nach dem Schmieren nicht penibel sauber abgewischt, kann es bei Regen abgewaschen werden und ins Erdreich gelangen. Die Lebensdauer eines Gleitlagers ergibt sich aus dem Gleitweg. Beispiele für ein solches Lebensdauerlager sind die Elgoglide-Lager, die über ein PTFE-Gewebe (als Verlustschmiermittel) und eine hartverchromte Schicht des Stahlreibpartners verfügen. Sie finden Einsatz etwa in der Hubgerüstlagerung oder in Spurstangen von Gabelstaplern. Und die dynamische Tragfähigkeit beträgt hier bis zu 300 N/mm² (Stahl kommt auf maximal 100 N/mm²).

Technik für Seeschlangen

Einen kurzen Ausflug zu einem neuen Betätigungsfeld der Schaeffler Gruppe, dem Branchenmanagement Power Generation, unternahm Dr. Arndt Schweigert: „Die Speicherung und Weiterleitung von Energie ist ein Kernthema der Zukunft. Auch der Sektor Hydropower ist ein Schwerpunkt. Gerade in der Wasserkraft (Wellen- oder Strömungskraft) liegen noch ungeheure Potenziale. Hinsichtlich Kosten pro Kilowattstunde könnte das Niveeau der Windenergie erreicht bzw. unterboten werden und damit auch noch weit unter der Solarenergie liegen. Bei Strömungkraftwerken und Wellenkraftwerken liegt eine Herausforderung darin, die Lagerungen entweder hermetisch abzuschirmen oder das Meerwasser selbst als Schmiermittel zu verwenden. Schaeffler ist zudem eine enge technologische Kooperation mit dem schottischen Wellenkraftwerksbauer Pelamis Wave Power eingegangen und war schon am ersten Projekt Pelamis (Seeschlange) beteiligt.“

Dieses Wellenkraftwerk besteht aus mehreren Stahlrohrsegmenten, die über Gelenke gekoppelt sind. Ober- und unterhalb der Gelenke sind hydraulische Pumpen befestigt, die über Druckspeicher und Hydraulikmoter einen Generator antreiben. Pelamis I hat eine Länge von 150 Metern, besteht aus vier Segmenten mit je 3,5 Meter Durchmesser und erzeugt eine maximale Leistung von 750 kW. Nach dem erfolgreichen Pelamis-I-Projekt ist Schaffler nun am neuen Projekt Pelamis II beteiligt. Hier soll jede Seeschlange 1MW Strom liefern.

Einblicke in die Lagerintimsphäre

Natürlich ist Lagerspezialist Schaeffler auch bei der virtuellen Lagerauslegung ganz vorne mit dabei. Dies zeigt sich etwa am Berechnungs- und Simulationsprogramm Bearinx, das nun um die Funktion ‚Reibungsberechnung’ erweitert wurde. Diese nicht ganz triviale Berechnung ermöglicht laut Dr. Oliver Koch, Fachreferent Zentrale Berechnung, die Berechnung der Energieeffizienz unterschiedlicher Lageranordnungen in Anwendungen. „Ziel ist es, bereits in einem frühen Konstruktionsstadium das höchste Einsparpotenzial eines Systems ermitteln zu können, um reibungsreduzierte Lager optimal einzusetzen oder um durch Downsizing die Energieeffizienz von Anwendungen weiter zu erhöhen“, erläutert Dr. Koch. Mit einer weiteren Software, Caba 3D kann eine dynamische Wälzkagersimulation erfolgen, um ­ z. B. den Wälzlagerkäfig zu optimieren und ganz in das Innerste dringt dann die Software Telos zur Kontaktberechnung und Oberflächenoptimierung vor. Mit der Tiefe der Untersuchungen steigen natürlich Rechenaufwand und -zeiten bis zu mehreren Tagen an. Somit ist für eine grobe, schnelle Vorauswahl sicher das erweiterte Berechnungs- und Simulationsprogramm Bearinx das Mittel der Wahl. „Bearinx erlaubt uns eine sehr genaue Einschätzung und erleichtert so die richtige Lagerungsvariante, oder die Wahl des richtigen Einzellagers schnell zu bewältigen“, so Dr. Koch. Ob und wann dieses Programm auch extern verfügbar sein wird, ist allerdings noch nicht entschieden.

Auf den Punkt gebracht

Die Lagergeometrie kann sich entscheidend auf das Effizienzergebnis auswirken. Hier kann Punkt- statt Linienkontakt je nach Anwendungsfall die bessere Lösung sein. Dazu erläuterten Stefan Ruhl, Referent Anwendungstechnik Antriebe, Bau- und Kunststoffmaschinen und Elektromotoren, sowie Catia Ribeiro, Anwendungstechnik Landtechnik, anhand von Differentialgetrieben in Gradern und Schleppern, wie sich der Einsatz der neuen Tandem-Schrägkugellager und Tandem-Kugelrollenlager auf Gesamtwirkungsgrad und Baugröße auswirken. „Moderne Traktoren weisen vielfach über 100 kW Leistung auf und können manchmal bis zu 80 km/h auf der Straße erreichen. Grader arbeiten überwiegend mit Volllast bei Geschwindigkeiten bis zu 40 km/h. Die dazu erforderlichen, hohen Leistungen werden von Getriebe und Differential übertragen. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades im Triebstrang hat daher sehr großes Potential zur Kraftstoffeinsparung“, soweit die beiden Lager-Spezialisten. Im Fall eines Grader-Getriebes ergab sich eine Reibungsverminderung der Lagerstellen um 59 %! Dass die neuen Tandem-Schrägkugellager und Tandem-Kugelrollenlager sich hier immer mehr Bereiche erobern, die zuvor ausschließlich dem Kegelrollenlager vorbehalten war, lässt aufhorchen, denn eigentlich geht Linenkontakt bei höheren Belastungen vor Punktkontakt.

Noch hat der Linienkontakt nicht ausgedient

In Getrieben und PKW/Kleintransporter-Radlagern dürften sich zukünftig immer häufiger die neuen Tandem-Schrägkugellager und Tandem-Kugelrollenlager von Schaeffler finden, denn die Energieeinsparpotenziale sind bemerkenswert. Aber noch hat der Linienkontakt nicht ausgedient. Das gilt vor allem für den Schwerlastbereich und für Vibrationsmaschinen, wozu etwa Straßenwalzen mit Vibrationsverdichtern gehören oder Aufsatzrüttler (Mäkler), die etwa Spundwände in den Boden treiben. Rainer Gebauer, Anwendungstechnik Baumaschinen, zeigte hierzu ein eindrückliches Beispiel einer neuen vierreihigen Nadellager-Lösung für den Einsatz in der Verstelleinheit eines Aufsatzrüttlers. Mit der neuen Lagerung sollen die Verstellzeiten deutlich reduziert und eine Lebensdauer von 2.000 Betriebsstunden erreicht werden. Schon nach 300 Stunden zeigte sich, dass diese Ziele zu erreichen sind, denn der Verschleiß ging gegen Null – trotz der enormen Belastungen.W

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