Dichtungsoptimierung von Wälzlagern für Landmaschinen

Wälzlager in Landmaschinen müssen hohe Anforderungen im Hinblick auf die Dichtungs-Performance erfüllen. NSK hat speziell für diese Branche Rillenkugellager mit optimierter Dichtung entwickelt. Dabei haben die Ingenieure auch den Zielkonflikt zwischen hervorragende Dichtungswirkung und geringer Reibung sehr gut gelöst. Die Ergebnisse eines Testaufbaus mit abwechselnden Belastungs- und Hochdruckwasser-Beaufschlagungsprüfungen beweist das.

Tradition verpflichtet. Im Fertigungsverbund der NSK-Gruppe, die zu den drei größten Wälzlagerherstellern der Welt gehört, befindet sich das Produktionswerk Neuweg in Munderkingen. Es wurde 1954 von einem Landmaschinenhersteller gegründet, um Wälzlager für den Eigenbedarf zu fertigen. 1990 übernahm NSK das Werk, das zwischenzeitlich längst auch andere Hersteller mit kunden- und branchenspezifischen Wälzlagern belieferte und das sich bis heute auf die Fertigung von kleineren Losgrößen und kundenspezifischen Wälzlagereinheiten spezialisiert hat. Zu den weltweit gefragten Spezialitäten zählen die „Agri Disc Hubs“. Das sind einbaufertige Lagereinheiten für den Einsatz an Bodenbearbeitungsmaschinen wie z.B. Kurzscheibeneggen.

Ein anspruchsvolles Einsatzfeld für Wälzlager
Warum die Landmaschinenhersteller besondere, an die Aufgabenstellung angepasste Wälzlager verwenden (müssen), liegt auf der Hand, wenn man sich die Anforderungen in der Praxis vergegenwärtigt. Am Beispiel der erwähnten Kurzscheibeneggen lässt sich das anschaulich zeigen.

Die scheibenförmigen, separat aufgehängten und gefederten Werkzeuge der Eggen greifen in den Boden ein und lockern ihn auf. Da sie sich unabhängig von der Bodenbeschaffenheit und der Arbeitstiefe drehen müssen, sind Leichtlaufeigenschaften gefragt. Die Geräte fahren mit Arbeitsgeschwindigkeiten bis 18 km/h über unebenen Grund und müssen Schläge durch Steine hinnehmen, die im Boden liegen. Da die Werkzeuge winklig zur Laufrichtung angeordnet sind, wirken dabei starke axiale Belastungen auf die Lagerstellen. Mindestens ebenso kritisch sind Staub, Feuchtigkeit, Schmutz und korrosive Düngemittel. Sie stellen hohe Anforderungen an die Abdichtung der Lager, wobei der Schutz vor abrasivem Feinstaub noch kritischer und schwerer zu realisieren ist als die Abdichtung des Lagerinneren gegenüber Feuchtigkeit.

Hohe Anforderungen an die Abdichtung
Nach dem Einsatz auf dem Acker sind die Geräte nicht selten extrem verschmutzt, wobei die Art der Verschmutzung (Schlamm, Gülle, Sand, Feuchtigkeit….) von der Bodenbeschaffenheit und der Witterung abhängt. Der Landwirt reinigt die Maschine mit dem Hochdruckreiniger, bevor sie für mehrere Monate – bis zum Einsatz im Folgejahr – stillsteht. Sollte bei der Reinigung Was-ser in die Wälzlager eindringen, stehen die Chancen für die Wiederverwendung des Lagers bzw. des Gerätes eher schlecht.

Diese Bedingungen gelten so oder ähnlich nicht nur für Kurzscheibeneggen, sondern für sämtliche Bodenbearbeitungsmaschinen. Insbesondere der Einsatzzyklus „Feldarbeit mit Schmutz, Staub und korrosivem Dünger – Hochdruckreinigung – Stillstand für mehrere Monate“ ist anwendungstypisch und extrem herausfordernd. NSK stellt sich dieser Herausforderung. Die Dichtungstechnik gehört zu den Kernkompetenzen der Wälzlager-Entwicklung, und es gibt unterschiedliche hochwirksame Dichtungssysteme, die allerdings mit Blick auf das anspruchsvolle Einsatzprofil der Agrartechnik noch optimierungsfähig waren.

Härtetest für Wälzlager: Simulation der Einsatzbedingungen
Genau diese Optimierungsarbeit haben die NSK-Entwickler des European Technology Center (ETC) in Ratingen in Angriff genommen. Dabei orientierten sie sich an einem Standard, den ein weltweit führender Landmaschinenhersteller für die Qualifizierung der zugekauften Wälzlager nutzt.

Der Hersteller hat einen Prüfstand im Einsatz, bei dem ein Wälzlager mit 5000 min-1 rotiert und mit 900 N belastet wird. Dieser Test dauert 500 Stunden und simuliert den Einsatz der Dichtung über eine Saison. Anschließend wird – ganz praxisgerecht – auf einem zweiten Prüfstand die Hochdruckreinigung simuliert, indem das Lager mit einem Hochdruck-Wasserstrahl von 100 bar Druck, 90 oC Temperatur und einem Abstand von 200 mm beaufschlagt wird – und das über 220 Zyklen. Darauf folgt ein weiterer 500-Stunden-Test auf dem ersten Prüfstand. Somit werden insgesamt die Extrem-Bedingungen über eine Einsatzdauer von zwei Jahren nachgebildet.

Nach dem Abschluss dieser Testreihen werden die Lager zunächst auf 1/1000 Gramm genau gewogen, um eventuellen Ölverlust zu erkennen. Sie werden optisch geprüft und es wird die Dichtwirkung sowie der Abrieb der Dichtung erfasst.

Aufgabe: Entwicklung einer neuen Dichtung
Um dem Landmaschinenhersteller Wälzlager bereitzustellen, die für diese Bedingungen bestens geeignet sind, hat NSK im ETC Newark/ England die beschriebenen kundenspezifischen Prüfbedingungen nachgebildet und entsprechende Prüfstände gebaut.

Parallel haben die NSK-Ingenieure eine neue Dichtung für Rillenkugellager entwickelt, die speziell an die Anforderungen und Umgebungsbedingungen der Landmaschinenindustrie angepasst ist. Basis der Entwicklung ist die in vielen Einsatzfeldern als Standard bewährte DU/ DDU-Dichtung. Nach Tests auf den beschriebenen Prüfständen zeigten sich jedoch Ölverluste. Auch an Wettbewerbsprodukten wurden sichtbare und messbare (Gewicht) Ölverluste festgestellt.

Zielkonflikt zwischen Dichtwirkung und Reibung
Bei der DU-Dichtung handelt es sich um eine schleifende Lippendichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk mit Stahlarmierung, die an der Innenseite der U-förmigen Rille eine zusätzliche Dichtlippe hat, die eine zweifache Spaltdichtung mit zusätzlicher Fettkammer bildet.

Die Entwickler mussten hier einen Zielkonflikt lösen. Die Anwendung fordert eine sehr gute Dichtwirkung unter Extrembedingungen. Das lässt sich am einfachsten mit einer Dichtung erreichen, die sich fest an die Umgebungskonstruktion anschmiegt. Das aber bedeutet höhere Reibmomente und damit hohe Wärmeentwicklung, was aus naheliegenden Gründen (Energieeffizienz und Lebensdauer) unerwünscht ist.

Ergebnis der Entwicklung ist die DG/ DDG-Dreilippendichtung (DG bezeichnet ein Lager mit einseitiger, DDG mit doppelseitiger Abdichtung. Sie unterscheidet sich von der DU-Dichtung durch eine doppellippige Ausführung der Dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk mit Stahlarmie-rung. An der Innenseite der tiefer ausgebildeten U-förmigen Rille hat sie eine zusätzliche Spaltdichtung, die ebenfalls eine Fettkammer bildet.

Ergebnis: Dichtungsoptimierte Rillenkugellager
Rillenkugellager mit den neuen Dichtungen wurden intensiven Vergleichstestreihen auf den beschriebenen Prüfständen unterzogen. Dabei zeigten sie eine deutlich bessere Dichtwirkung sowohl im Vergleich zu NSK- Rillenkugellagern mit DU-Dichtung als auch mit Wettbewerbslagern.

Aber nicht nur die Dichtheit der Lager erfüllt in vollem Umfang die Anforderungen der anspruchsvollen Anwender in der Landtechnik. Trotz der sehr guten Abdichtungs-Performance erzeugen die neuen Dichtungen nur geringe Reibmomente, die kaum höher sind als bei der DU-Dichtung.

Damit kann man feststellen: Die Optimierungsarbeit war erfolgreich. Folgerichtig ist das Interesse der Landmaschinenhersteller groß, und NSK hat bereits die Serienproduktion der Rillenkugellager mit DG- und DDG-Dichtung (einseitig/ zweiseitig abgedichtet) aufgenommen.

Auf einem eigens gebauten Prüfstand werden die Wälzlager Belastungen unterzogen, die eine Saison im Landmaschinen-Einsatz simulieren

„Tried and tested“: Auch nach 200stündigem Wasserstrahltest konnte kein Eindringen von Wasser ins Lager festggestellt werden.