Kugellager und Energiesparen

Der gegenwärtige Bedarf an umweltfreundlichen Produkten mit niedrigem Energieverbrauch wird immer größer. Neben dieser auch zukünftig wachsenden Nachfrage zählen die Verbesserung der Maschinenleistung und – Installationen zu den Herausforderungen von Morgen. In diesem Rahmen sucht das auf maßgefertigte Kugellager- und Unit- Lösungen spezialisierte Unternehmen JESA SA nach technischen Lösungen, um
leistungsstärkere Kugellager herzustellen. Da es sich hierbei um Bestandteile handelt, welche man im großen Umfang in verschiedenen Gebieten anwenden kann, ist das Energiesparpotenzial erheblich.

Für die Entwicklung wurde zunächst intern eine theoretische Studie durchgeführt und anschließend wurden die Lösungen mit unterschiedlichen Prüfständen getestet.

An diesem Projekt haben außerdem Wissenschaftler der schweizerischen Hochschulen und Universitäten mitgearbeitet.

Die Ursachen der Reibung im Kugellager > Wälzlager ermöglichen mit nur wenig Reibung das Weiterleiten einer Rotationsbewegung zwischen zwei Körpern dank dem Abwälzen der Kugeln, was nur einen geringen Schlupf der Oberflächen verursacht. Die Reibung, die Erwärmung und der Verschleiß sind dementsprechend begrenzt im Vergleich zu anderen Drehbewegungs- Führungslösungen, bei Gewährleistung einer hohen
Positionierungsgenauigkeit und eines geringen Geräuschpegels.

Trotzdem gibt es gewisse Faktoren, welche dennoch Reibung verursachen und somit dazu führen, dass Energie
vergeudet wird und Wärme entsteht, welche sich wiederum negativ auf die Lebensdauer und die Leistung des
Endprodukts auswirkt.

Die sogenannten “Standardlager” bieten allgemein die beste Tragfähigkeit in Bezug auf eine bestimmte Größe. Sie sind für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar, stellen jedoch teilweise für gezielte Anwendungen nur eine Kompromiss-Lösung dar. In bestimmten Fällen kann es vorkommen, dass sie eine Reibung erzeugen, welche zu hoch ist für einen einwandfreien Betrieb.

JESA SA stellt maßgefertigte Kugellager her, welchem einem bestimmten Lastenheft entsprechen. Auf diese
Weise ist es möglich, den Kunden optimierte Produkte anzubieten, die genau auf ihre Bedürfnisse abgestimmt
sind.

Innere Reibung und Optimierung der Komponenten

Dichtungen > Die Hauptursache für die Reibung in geschlossenen Kugellagern liegt vor allem in der Reibung der Dichtungen. Diese Art der Abdichtung ist aber meistens unumgänglich, wenn die Lager einer hohen Verschmutzung ausgesetzt sind und sie für einen einwandfreien Betrieb so sauber wie möglich gehalten werden müssen. Diese Komponenten bestehen hauptsächlich aus einer Feinblech- Armierung, welche je nach Einsatz- Betriebstemperatur mit einem synthetischem Elastomer des Typs NBR, HNBR oder FKM ummantelt ist. Für eine optimale Abdichtung werden eine oder zwei flexible Lippen radial oder axial auf den gegenüberliegenden Ring vorgespannt. Um die Leistung zu steigern ist die Suche nach der optimalen Bauart und Vorspannung, welche den besten Kompromiss zwischen Dichtheit und Reibung darstellen, entscheidend. Man kann eine Reibungsreduzierung bis zu 50 % erreichen, indem man Dichtungen mit optimiertem Design einsetzt, ohne die Dichtwirkung zu vermindern. Bei Bedarf steht ebenfalls eine spezielle Oberflächenbehandlung zur Verfügung, um den Reibungskoeffizienten und damit auch die Reibung zu reduzieren.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Rauheit der Metall- Kontaktfläche zu optimieren. Insofern ausreichend Bauraum vorhanden ist, kann man auch eine schleifende Dichtung durch mehreren berührungslosen Dichtungen ersetzen, was eine deutliche Reduzierung der Verluste bei Einhaltung der nötigen Abdichtung ermöglicht.

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Abbildung 1: Berührungslose Doppeldichtung

Abscherung des Schmierfilms in den Kontaktzonen zwischen Kugeln und Ringen > Der Schmierstoff vermeidet in Form eines dünnen Films den direkten Kontakt zwischen den Metalloberflächen der Kugeln und der Ringe eines Lagers. Die Oberflächenspitzen werden auf Abstand gehalten und stoßen nicht aneinander, wodurch die Lebensdauer des Produkts erheblich verlängert wird. Die weitest verbreitete Schmierungsart ist die Dauerfettschmierung, welche eine sehr einfache Handhabung ermöglicht. Es ist allerdings teilweise auch eine
Öl-Umlaufschmierung nötig.

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Abbildung 2: Detailaufnahme der Ring- und Kugeloberflächen, deren Kontaktstellen im Mischverfahren
geschmiert werden. Bei diesem Verfahren kann es ggfs. zu Berührungen kommen.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 140]

Die Auswahl der Viskosität und des Grundöl-Typs ist entscheidend für eine optimale Dicke des Schmierfilms. Eine zu hohe Viskosität würde die Reibung und Temperatur nur unnötig steigern, während eine zu geringe Viskosität Misch-oder Grenzreibung mit Kollision der Oberflächenspitzen verursachen und die Lebensdauer erheblich verkürzen würde. Es gibt kein Mehrzweck- Fett, welches für alle Anwendungen geeignet ist. Ein spezielles Fett, das in Bezug auf die Anwendung ausgewählt wurde, hilft dabei, die Stärke des Schmierfilms zu optimieren und somit, die Reibung möglichst gering zu halten und die Lebensdauer zu erhöhen.

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Abbildung 3: Stribeck-Kurven, welche die verschiedenen Reibungsprozesse beschreiben
[Sksana Banakh, 2010, Traitements de surface à usage tribologique, Cours FSRM]

Um das Schmierverfahren zu bestimmen, müssen die Oberflächenrauheit, die Mindestdicke des Schmierfilms je nach Belastung, Geschwindigkeit, Geometrie und Temperatur sowie die Eigenschaften des Schmierstoffes berücksichtigt werden.

formula01L = Parameter der Filmdicke
hmin = Mindestdicke des Schmierfilms [mm]
sr = RMS Rauheit (= 1.25 x Ra Rauheit [μm]) der Kugellaufbahnen [μm]
SRE = RMS Rauheit(= 1.25 x Ra Rauheit [μm])
· Für  < 1, Grenzschmierung
· Für  < 1 < 3, Mischschmierung
· Für  > 3, Elasto- hydrodynamische Schmierung

Es gibt verschiedene Methoden, um die Mindestdicke des Schmierfilms für die Kontaktstellen zu bestimmen.
Diejenige von Hamrock und Dowson wird am häufigsten angewandt:

formula02hmin = Mindestdicke des Schmierfilms [m]
α = Druckkoeffizient/Viskosität [m2/N]
h0 = dynamische Viskosität bei atmosphärischem Druck [Pa · s]
U = Antriebsgeschwindigkeit der Oberfläche [m/s]. Mittlere Lineargeschwindigkeit der Rollkörper (UA) und Geschwindigkeit der Kontaktstelle an dem Außen- oder
Innenring (UB)
E’ = reduzierter E-Modul [Pa]
W = Belastung des Rollkörpers [N]
e = Eulersche Zahl
k = Parameter der Druckellipse, Halbachsenverhältnis a/b. Kann geschätzt werden mit
formulaRx = Reduzierter Krümmungsradius auf der X-Achse
Rx = Reduzierter Krümmungsradius auf der Y-Achse

Ein guter Oberflächenzustand der Laufbahnen und Kugeln ist die Voraussetzung, um einen Faktor L > 3 gewährleisten zu können, ohne dabei einen Schmierstoff mit hoher Viskosität verwenden zu müssen, womit eine gute Lebensdauer des Lagers bei reduzierter Reibung gesichert wird. Die Ausstattung von JESA SA mit modernstem Maschinenpark ermöglicht die Durchführung einer qualitativ hochwertigen Endbearbeitung und das Erreichen einer exzellenten Oberflächenbeschaffenheit.

Vermischung des Schmierstoffs durch die Kugeln und den Käfig > Ein Teil der Reibung wird durch die Vermischung des Schmierstoffs durch die Kugeln und den Käfig erzeugt. Dies ist vor allem beim Einlaufen, wenn das Fett noch nicht ausreichend im Lager verteilt ist, sehr auffällig. Die Geometrie des Käfigs sowie die Größe der Kugeln und deren Anzahl beeinflussen diese Vermischung. Der auf Seife basierende Verdicker, die NLGIKlasse sowie das ursprüngliche Fettvolumen haben ebenfalls einen Einfluß auf die Reibung. Die Anwendung
wird auch entscheidend sein für die richtige Auswahl dieser Faktoren.

Innere Geometrie und Reibung an den Kontaktstellen zwischen Kugeln und Ringen > Da die Materialverformung der eingesetzten Stähle nicht zu vermeiden ist und der Druck an den Kontaktstellen sehr hoch ist, kommt es in diesen Bereichen zu elastischen Verformungen der Kugeln und Laufbahnen. Diese Verformungen führen vorwiegend zu zwei Reibungsarten:

1. Verluste durch Hysterese

Wenn eine Kugel auf einer Oberfläche abrollt, entsteht vor dem Kontakt ein Material- Aufwurf, welcher elastisch verdrängt werden muss, damit die Rotation sich fortführen kann. Die verbrauchte Energie wird teilweise vom Werkstoff wiederhergestellt, da dieser wieder seine ursprüngliche Position hinter dem Kontakt annimmt, aber nicht komplett. Die Energiedifferenz entspricht dem Verlust durch Verschwendung.

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Abbildung 4: Rollbewegung eines Zylinders auf eine Ebene, Oberflächenverformung
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 129]

2. Mikro- Schlupf

Der Kontaktbereich zwischen den Kugeln und den Kugelbahnen ist ellipsenförmig und mehr oder weniger gestreckt je nach gewähltem Krümmungsradius der Bahnen in Bezug auf den Kugeldurchmesser. Der Schlupf zwischen den Oberflächen entsteht dadurch, dass das Material elastisch ist und im Falle eines radial drehenden Rillenkugellagers gibt es nur zwei Punkte der Ellipse, die abrollen ohne zu gleiten.

Abbildung 5: Detailaufnahme der Kontaktstelle Kugel/ Laufbahn, die den mittleren Radius nach der
Verformung sowie die zwei Punkte A-A mit reiner Rollbewegung darstellt
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 45]

Je stärker die Ellipsen ausgebreitet sind desto höher wird die Gleitgeschwindigkeit an den Ellipsenenden, was
die Reibung ansteigen lässt.

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Abbildung 6: Detailaufnahme der Kontaktstelle Kugel/ Laufbahn, welche die Gleitlinien zeigen sowie die zwei
Punkte A-A mit reiner Rollbewegung darstellt.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 46]

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Abbildung 7: Detailaufnahme der Kontaktstelle Kugel/ Laufbahn, welche die Amplitude der
Gleitgeschwindigkeiten zeigt.
[Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group, 138]

Bei einem Standardlager wird versucht, die Oberfläche der Kontaktstelle zwischen den Kugeln und den Ringen möglichst zu vergrößern, um den Oberflächendruck zu reduzieren und somit die Belastungsfähigkeit der Lager zu steigern. Diese Optimierung führt aber leider auch dazu, dass bei Vergrößerung der Kontaktfläche auch die Reibung zunimmt. Mithilfe seiner eigenen Berechnungstools ist JESA SA in der Lage, die optimale
Innengeometrie zu bestimmen um die Reibung möglichst einzuschränken, bei Gewährleistung der gewünschten Lebensdauer.

Reibung des Kugelkäfigs mit den Kugeln und den Ringen > Die Verwendung eines Käfigs ermöglicht es, die Reibung zu begrenzen, indem das Reiben der Kugeln aneinander verhindert wird, so wie es der Fall bei vollkugeligen Lagern ist. Der Käfig kommt nicht nur in Berührung mit den Kugeln sondern manchmal auch mit dem Innen- oder Außenring, was zu Verlusten durch Abscherung des Schmierfilms sowie zu Schlupf führt.

Die Qualität der Herstellung des Kugelkäfigs, dessen Geometrie sowie das Verfahren bei der Herstellung haben einen Einfluss auf die erzeugte Reibung.

Es kann bei JESA auf ein Spektrum an technischen Kunststoffen mit niedrigem Reibungskoeffizienten zurückgegriffen werden, um Käfige mit geringer Reibung herzustellen, was eine Reduzierung der Verluste im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkäfigen und gleichzeitig einen besseren Wiederstand bei Vibrationenermöglicht. Mithilfe einer Finite-Element-Software kann die Verformung des Käfigs bei hoher Drehzahl simuliert
werden, um jegliche überzogene Verformung, welche unerwünschte Kontakte zur Folge hätte, ausschließen zu können.

Praktische Bestätigung > Es ist nicht einfach, die Reibung eines Lager genau zu bestimmen, da es sehr viele Parameter gibt, welche man beachten muss. Gewisse Programme können den Reibungswert für Standardlager relativ genau bestimmen, aber die Ergebnisse können bei Sonderlager sehr stark von der Realität abweichen.

JESA verfügt über einen Prüfstand, mit welchem die Reibung der Lager bei verschiedenen Drehzahlbereichen gemessen werden kann. Eine praktische Bestätigung der Berechnungen wird mit dem Prüfstand erreicht, um das realistische Reibungsniveau der Produkte absichern zu können.

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Abbildung 8 Reibmoment- Prüfstand

In Zusammenarbeit mit der Hochschule für Technik und Architektur Freiburg wurde ein spezieller Tribologie- Prüfstand entwickelt, mit welchem man sehr genau die Reibung verschiedener Werkstoffe und Beschichtungen bei wechselnden Belastungen und Geschwindigkeiten ermitteln kann. Ein Sensor ermöglicht, mittels 2 x 3 Kugeln einen Kontaktdruck von 0 – 4‘200 MPa auf zwei Testringe ausüben zu können. Der Sensor kann auf einem Rheometer installiert werden, um die Reibung zu messen oder an einen Motor angeschlossen werden,
um die Lebensdauertests durchführen zu können.

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Abbildung 9 Test- Sensor, auf einem Rheometer fixiert

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Abbildung 10 Installierter Test- Sensor für die Prüfung der Lebensdauer

Konkretes Beispiel > Die Gesellschaft Bobst SA gehört zu den Weltmarktführern im Bereich der Entwicklung und Herstellung von Maschinen für Karton- Verpackungen. Die Maschinen sind in der Regel sehr groß und nutzen unzählige Lager, welche die Flachriemen zur Führung der Kartons durch die Maschine abstützen.

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Abbildung 11 Faltschachtel-Klebemaschine BOBST [www.bobst.com]

Die Lager sind hier relativ wenig belastet, sodaß “Standardlager”, welche eher in Bezug auf höhere Tragfähigkeit getrimmt sind, hierfür nicht optimal geeignet sind. JESA SA hat ein Sonderlager empfohlen, welches auf die speziellen Bedürfnissen des Kunden zugeschnitten ist. Die Konstruktion und die innere Geometrie wurden überarbeitet und die Fettmenge sowie der Schmierstoff wurden angepasst. Die kontaktlose
Sonderdoppeldichtung ermöglicht eine gute Abdichtung gegen Kartonfasern ohne sich dabei negativ auf die Reibung auszuwirken.

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Abbildung 12 Detailaufnahme der Rollen der Faltschachtel-Klebemaschine BOBST [www.bobst.com]

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Abbildung 13 Von JESA SA entwickelte Sonderrolle

Mit diesem Produkt kann die Reibung der Lager um die Hälfte bzw. um zwei Drittel reduziert werden. Wenn man dies auf die hohe Lager- Anzahl der Maschine überträgt, wird eine nicht unbeachtliche Energie- Einsparung beim Endprodukt erreicht. Die Umweltbelastung der Maschine ist niedriger und die Betriebskosten sind reduziert.

Quellenangabe:
1. Tedric A. Harris, 2007, Advanced Concepts of Bearing Technology, CRC Taylor&Francis Group
2. Gwidon W. Stachowiak, Andrew W. Batchelor, 2005, Engineering Tribology, Elsevier, ISBN-10: 0-7506-7836-4
3. Sksana Banakh, 2010, Traitements de surface à usage tribologique, Cours FSRM
Autor: Laurent Frésard
Spinning Solution Ingenieur bei JESA SA

JESA Headquarter Swiss

Betreffend :
JESA wurde 1969 von Joseph Egger in Villars-sur-Glâne, Kanton Freiburg gegründet. Das Unternehmen ist eine Aktiengesellschaft, die der Polygena-Dachgesellschaft zugehört,und zählt rund 200 Mitarbeiter. JESA gilt als Fachunternehmen bei Speziallösungen von Präzisionskugellagern und Einheiten mit Kunststoffbestandteilen. Die Firma ist seit über 40 Jahren einer der Marktführer. Mit Verkaufsbüros in Deutschland, den USA, Frankreich, Großbritannien und auch China ist die Firma in der ganzen Welt vertreten, der Umsatz liegt bei rund 50 Millionen Schweizer Franken. Im Jahre 2010-2011 hat JESA mehr als 8 Millionen Schweizer Franken in technische Spitzenherstellungsausrüstung investiert, damit auch weiterhin der betriebstechnologische Vorsprung gewahrt werden kann.

Kontakt
Wollen Sie mit JESA in Verbindung treten, nehmen Sie Kontakt auf mit :

Herr Marcel Dubey
Sales & Marketing Director
Tel.: 026/408 47 13 (während der Bürozeiten)
E-Mail : [email protected]

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