Schlüssel zu mehr Effizienz / Energieeinsparpotenziale mit optimierten Wälzlagern erschließen

Innovationsträger Biokunststoffe
8. Februar 2017
Produktneuheit: Schraubensicherung Loctite 278
1. März 2017
Alle anzeigen

Schlüssel zu mehr Effizienz / Energieeinsparpotenziale mit optimierten Wälzlagern erschließen

Wälzlager und Energie sparen – diese Begriffe können fast als Synonyme verwendet werden. Oder anders gesagt: der Sinn eines Wälzlagers besteht darin, Energie zu sparen. Wo immer mechanische Arbeit verrichtet wird und Dinge in Bewegung sind, vermindern Wälzlager die Reibung und steigern den Wirkungsgrad. Doch ihr Potenzial zu noch mehr Energieeffizienz ist noch nicht ausgeschöpft und gerade in jüngster Vergangenheit wurden angesichts rasant steigender Energiekosten die Entwicklungsanstrengungen in dieser Richtung verstärkt. Das Wälzlager als universelles und sehr häufig eingesetztes Maschinenelement wird auch in Zukunft einer der Schlüssel zur Energieeinsparung sein.

Das Optimieren von Geometrie, Oberflächen und Werkstoff sowie von Maß- und Laufgenauigkeit erhöht die dynamische Tragzahl und die nominelle Lebensdauer von Kegelrollenlagern. Gleichzeitig wird das Reibmoment deutlich reduziert.

Die ständige Verbesserung der Simulationsmethoden und Berechnungswerkzeuge ist heute die zentrale Voraussetzung dafür, Lager noch weiter zu verbessern. Sie können so präziser auf die Kundenanforderungen und damit auch energieeffizienter ausgelegt werden. Nicht nur der Auswahl des Lagertyps kommt dabei eine Schlüsselrolle zu, zum Beispiel der Ersatz von Gleitlagern durch reibungsarme Wälzlager, wo dieser sinnvoll ist. Auch die Details der Innenkonstruktion eines Wälzlagers, wie etwa das Design des Wälzlagerkäfigs, haben einen wesentlichen Einfluss auf Leistungsfähigkeit und Reibung. Der Einsatz reibungsmindernder und verschleißresistenter Werkstoffe sowie entsprechender Beschichtungen ist ein weiterer Ansatzpunkt, ebenso die in der Serienfertigung erzielte Oberflächenqualität der Funktionsflächen. Auch die Verwendung spezieller Schmierstoffe und das Optimieren der Schmierstoffversorgung selbst sowie reibungsarme Dichtsysteme können erheblich zur Energieeinsparung beitragen.
Strategie für Nachhaltigkeit und Effizienz
Obwohl Hersteller wie die Schaeffler Gruppe bereits eine Vielzahl an energie- bzw. reibungsoptimierten Produkten anbieten, gilt es hier weiteres Potenzial zu heben. Die Strategie des fränkischen Produzenten beruht dabei auf drei Säulen. Erstens: Optimierung bzw. Neuentwicklung von energieeffizienten Komponenten wie Lager, Dichtungen, Schmierstoffe oder Antriebe. Zusätzlich zu den üblichen Auslegungskriterien wie Tragzahl, Steifigkeit usw. gewinnt die Energieeffizienz als neues Kriterium bei der Lagerauswahl und Lösungsgestaltung zunehmend an Bedeutung. Dafür werden die notwendigen Auslegungswerkzeuge und theoretischen Modelle angeboten. Zweitens: Ein Kundensystem kann nur dann energieeffizient ausgelegt werden, wenn nicht nur die Einzelkomponenten isoliert betrachtet werden, sondern eine Gesamtbetrachtung des Systems erfolgt. Das heißt energieeffiziente Komponenten müssen auch im Sinne des Endprodukts (Systems) ideal eingesetzt werden. Dazu bedarf es umfassender Systemkenntnis. Letztlich gilt es, das Unternehmen und sein eigenes Handeln im Sinne der Energieeffizienz zu optimieren und Vorbild zu sein.

Optimierungen an Wälzlagern

Wie viel Potenzial in effizienteren Wälzlagern steckt, zeigt das Beispiel Kfz-Getriebelagerungen. 2 % Wirkungsgradverbesserung, die man mit verbesserten Lagern durchaus erreichen kann, führen zu einer jährlichen Energieeinspaarung von 36.000 GWh. Man könnte damit 500.000 Einfamilienhäuser heizen. Oder – setzt man den Primärenergiebedarf pro Einwohner in der westlichen Welt mit 50 x 103 kWh/a an, reicht das für den Primärenergiebedarf von ein Dreiviertelmillion Menschen. Bei der Entwicklung energieeffizienter Lager spielt die Reibungsminimierung eine entscheidende Rolle. Im Kegelrollenlager wurde mit Hilfe neuer Berechnungsmethoden und veränderter Fertigungsverfahren die Effizienz deutlich erhöht. Die optimierten Berührverhältnisse zwischen Wälzkörperstirn und Bord lassen das Reibmoment unter Axiallast um bis zu 75 % gegenüber handelsüblichen Produkten absinken. Damit steigt die Effizienz erheblich.

Höhere Effizienz durch Downsizing

Ein weiterer innovativer Ansatz ist die teilweise Entlastung eines Wälzlagers durch die Kombination mit einem Permanentmagnetlager. Im Rundtischlager einer Werkzeugmaschine lässt sich so durch gleichpolige Anordnung der Magnete an stehendem und drehendem Teil beispielsweise die auf das Lager wirkende Gewichtskraft teilweise kompensieren. Im Ergebnis bedeutet dies eine höhere Lagerlebensdauer bei gleicher Lagergröße oder eine höhere Grenzdrehzahl durch Nutzung eines kleineren Wälzlagers.

Lager für regenerative Energie

Bereits seit über 25 Jahren bietet die Schaeffler Gruppe Lösungen für alle Lagerstellen in Windkraftanlagen: für Rotorwelle, Getriebe und Generator ebenso wie für Windnachführung und Blattverstellung. Speziell entwickelte Berechnungsmethoden unterstützen Lagerauswahl und Dokumentation. Systeme für die Zustandsüberwachung, Schmiermittel, Montage- und Instandhaltungswerkzeuge ergänzen das Programm. So sind die Betriebskosten von Windenergieanlagen gering und ihre Effizienz erhöht sich. Auch für die verschiedenen Konzepte zur Wasserkraftnutzung gibt es ein breites Lösungsspektrum. Dieses reicht bis hin zu Wälzlagern, die ohne herkömmlichen Schmierstoff auskommen also „wassergeschmiert“ werden. Neben dem Verzicht auf Schmierstoff an sich kann dadurch auf aufwendige und effizienzmindernde Dichtsysteme verzichtet werden. Grundlage hierfür ist ein leistungsstarkes Portfolio an Werkstoffen, Beschichtungen und Prozesstechnologie. Beispiel hierfür ist ein Wasserkraftwerk bei Dipach an der Saale. Hier läuft bereits seit vielen Jahren ein Pendelrollenlager aus „Cronidur“ als Stützlager für eine Archimedische Schraube nur durch Flusswasser „geschmiert“. Mit zahlreichen Produktinnovationen trägt die Schaeffler Gruppe zu mehr Energieeffizienz bei. Das Wälzlager als universelles und am meisten eingesetztes Maschinenelement erweist sich dabei als einer der Schlüssel zur Energieeinsparung.

Quelle: Schaeffler KG Herzogenaurach