Neue Wälzlager mit verdoppelter Lebensdauer
Reduzierung von Reibung und Erhöhung der Lebensdauer sind zwei wesentliche Ziele der Wälzlager-Entwicklung. Mit der neuen BNEQARTET-Technologie adressiert NSK diese beiden Ziele. Ursprünglich für die hochbeanspruchten Lager von Waschmaschinen entwickelt, eignet sie sich auch für unterschiedliche industrielle Anwendungen.
In der Wälzlagertechnik gibt es unterschiedliche Zielrichtungen der Entwicklung, die teilweise im Spannungsfeld zueinander stehen. Die Anwender wünschen kompakte Lager, die hoch belastbar sind und eine sehr hohe Lebensdauer aufweisen. Die Wälzlager sollen unempfindlich gegenüber dem Eintrag von Verschmutzungen sein (oder aber diesen Eintrag verhindern), und immer häufiger steht auch die Reibungsreduzierung auf der „Wunschliste“ der Konstrukteure von Maschinen und Anlagen.
Branchenspezifische Anforderungen
Wie stark diese einzelnen Ziele gewichtet werden ist in hohem Maße vom Anwendungsbereich der Wälzlager abhängig. In der Windkrafttechnik steht die Lebensdauer obenan. Hier werden 180.000 Stunden ohne Service gewünscht bzw. erwartet. In der Automobilindustrie werden zunehmend reibungsreduzierte Lager eingesetzt. In der Stahlindustrie müssen die Wälzlager hohen mechanischen Belastungen standhalten, und im Nahrungsmittelmaschinenbau ist eine lange Lebensdauer auch bei häufigen Reinigungsvorgängen, d.h. in feuchter Umgebung, gefordert.
Für alle genannten Branchen hat NSK dezidierte Werkstoffe, Technologien, Designs und Wälzlagerbaureihen entwickelt. Oft sind hier Synergien zwischen den einzelnen Einsatzbereichen wirksam. Deshalb lohnt es sich aus Anwendersicht, einen „Blick über den Tellerrand“ zu wagen und sich auch über Weiterentwicklungen in anderen Branchen zu informieren – zum Beispiel im Bereich der Haushaltsgeräte, genauer gesagt bei Waschmaschinen.
Herausforderung: Hohe einseitige Belastung
Hier gehen die Technik-Trends zu einem immer höheren Fassungsvermögen und einem größeren Durchmesser der Trommel. Bis zu 9 kg Textilien (im Trockenzustand) können gewaschen werden, entsprechend wird der Antrieb belastet.
Das ist gerade bei den in Europa gebräuchlichen Frontladern eine Herausforderung für die Wälzlager-Entwicklung. Denn diese Bauweise bedingt, dass die Trommel nur einseitig gelagert werden kann, was wiederum bedeutet, dass die Lagerung stark und ungleichmäßig belastet wird. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass die Belastungen bei jeder einzelnen Trommelumdrehung unregelmäßig auftreten und somit das Lager stark beanspruchen.
Dem Trend zu höherer Beladung und somit Belastung durch erhöhte Zentrifugalkräfte können die Konstrukteure nicht einfach durch den Einsatz größerer Wälzlager begegnen, weil der Bauraum der Maschinen begrenzt ist. Außerdem würde ein größeres Lager mit höherer Massenträgheit und somit verringerter Energieeffizienz einhergehen. Das aber ist keinesfalls erwünscht, weil die Haushaltsgeräte in Effizienzklassen eingeteilt werden und ein geringer Energieverbrauch zu den wichtigen Kriterien für hochwertige Geräte zählt.
Grundlagenarbeit: Entwicklung eines optimierten Werkstoffs
In der Theorie gibt es verschiedene Ansätze zur Optimierung derartiger Lager. Der Konstrukteur kann einen neuen Werkstoff entwickeln – das erfordert die intensivste Arbeit. Er kann aber auch die Geometrie optimieren oder durch die Schmierstoffauswahl die Lagereigenschaften beeinflussen.
Die NSK-Ingenieure entschieden sich für den Ansatz, der den größten Hebel zu Verbesserungen bietet: die Optimierung des Werkstoffs. Primäres Ziel war es, die Legierung eines vorhandenen NSK-Sonderstahls so zu verbessern, dass das Entstehen und vor allem die Ausbreitung von Rissen und Eindrücken im Material wirksam verhindert wird. Ein besonderes Augenmerk galt hier der Wälzermüdung. Das sind Defekte in der Tiefe des Gefüges, die u.a. zu Abblätterungen an der Oberfläche führen können.
Die Ergebnisse der Entwicklungsarbeit werden jetzt mit den BNEQARTET-Wälzlagern vorgestellt. Der Vergleich der Lebensdauer zwischen einem Standardlager und den neuen Long-Life-Lagern zeigt, wie wirkungsvoll die Entwicklungsarbeit der NSK-Ingenieure war: Die Lebensdauer (L10) konnte mehr als verdoppelt werden.
Höhere Lebensdauer auch unter widrigen Umgebungsbedingungen
Auch unter widrigen Umgebungsbedingungen erreichen die BNEQARTET-Wälzlager eine deutlich erhöhte Lebensdauer. Bei Tests in verschmutzter Umgebung wurde eine signifikante Steigerung erreicht. Dieser Tests zielt darauf ab, Abblätterungen an der Oberfläche der Laufbahnen zu erzeugen bzw. zu erfassen.
Die neuen Lager sind somit widerstandsfähiger gegenüber Verschmutzungen. Das ist insofern von großer Bedeutung, als sich der Eintrag von Kontaminationen nie ganz vermeiden lässt, auch wenn die Anwender dies anstreben und großen Wert auf die Reinheit in der Produktion legen. Mit vertretbarem Aufwand sind hier aber oft kaum noch Verbesserungen zu erzielen. Umso wichtiger ist die „Resilienz“ bzw. Widerstandsfähigkeit der Wälzlager gegenüber Kontaminationen.
Ähnliches gilt für den Betrieb der Lager unter hohen Temperaturen. Bei Tests mit 150°C wurde eine etwa 1,5-fach längere Lebensdauer der BNEQARTET-Lager nachgewiesen.
Entwicklungsziel: Widerstandsfähigkeit gegenüber Wasserstoff
Wenn es um die Entwicklung von Long-Life-Lagern geht, ist die Widerstandsfähigkeit bzw. Unempfindlichkeit der eingesetzten Wälzlagerstähle gegenüber Wasserstoff ein weiteres wichtiges Ziel. Denn schon bei Raumtemperatur sind die Wasserstoffmoleküle in der Lage, tief in den Werkstoff einzudringen und dessen Versprödung zu bewirken. Das wiederum führt zu Lagerschäden wie z.B. dem „White Structure Flaking“, das in der Windkraftindustrie zurzeit intensiv diskutiert wird, und zu vorzeitigem Ausfall. Dieses Problem tritt besonders (aber nicht nur) auf, wenn die Lager in feuchter Umgebung eingesetzt werden.
Die Unempfindlichkeit der Lager gegenüber Wasserstoff wird mit dem „Hydrogen Charge Thrust Test“ dokumentiert. Dabei werden die Lager mit Wasserstoff beladen und einem axialen Drucktest unterzogen. Der entsprechende Test zeigt, dass die BNEQARTET-Wälzlager unter diesen Bedingungen im Vergleich zu Standardwälzlagern eine rund zweifache Lebensdauer erreichen.
Optimierte Legierung, hochreiner Werkstoff
Die hier dargestellten Verbesserungen werden überwiegend durch eine optimierte Legierung erreicht, die u.a. eine „Crack inhibition procuration“ bewirkt. Das heißt: Die chemische Zusammensetzung des Stahls wurde so gewählt, dass die Entstehung und vor allem die Ausbreitung von Rissen wirkungsvoll verhindert wird.
Außerdem wird ein besonders reiner Stahl verwendet. Das erhöht zusätzlich die Lagerlebensdauer, weil jede Art von Verunreinigung im Werkstoff zu Unregelmäßigkeiten und in der Folge zu Defekten in der Tiefe des Gefüges führen kann.
Kompakte Lager, geringe Reibung
Die konstruktiven Verbesserungen mit Blick auf die Erhöhung der Lebensdauer haben auch positive Auswirkungen auf die Reibung und somit auf die Energieeffizienz. Der Anwender muss kein größeres Lager einsetzen (und entsprechend eine verringerte Energieeffizienz in Kauf nehmen), um die Lagerlebensdauer zu verdoppeln. Oder er kann ein kleineres, entsprechend effizienteres Lager einsetzen, wenn der Anwendungsfall es nicht erfordert, die Lagerlebensdauer zu verdoppeln.
Breites Anwendungsspektrum
Mit diesem Eigenschaftsprofil eignen sich die BNEQARTET-Wälzlager, die als Rillenkugellager zur Verfügung stehen, nicht nur für den Einsatz in Waschmaschinen. Überall dort, wo der Konstrukteur einer Maschine oder Anlage Wälzermüdung und / oder Oberflächenschäden durch Kontamination vermeiden und die Lebensdauer des Lagers erhöhen möchte, führt die BNEQARTET-Technologie zu Verbesserungen. Das gilt – wie die hier dargestellten Tests zeigen – sowohl für den Einsatz der Lager in sauberer als auch in kontaminierter Umgebung.
