Leichtbau-Wälzlager mit Lagerschalen aus laminiertem CFK (Karbon) Die ultraleichte Lagerlösung - KEM

Leichtbau-Wälzlager mit Lagerschalen aus laminiertem CFK (Karbon)

Die ultraleichte Lagerlösung

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Das Drahtwälzlager-Prinzip ermöglicht den Bau kompakter Wälzlager, die sich auch kleinen Einbauräumen anpassen und vielfältige Konstruktionsmöglichkeiten bieten. Vier Laufringe erhalten durch ein speziell entwickeltes Schleifverfahren ihre Laufbahn – exakt an den Kugeldurchmesser angepasst. Dadurch erfolgt der Abrollvorgang nicht unmittelbar zwischen Wälzkörper und umschließender Konstruktion, sondern reibungsarm auf vier Laufringen.
Der Autor: Gerhard Reininger, Öffentlichkeitsarbeit, Franke, Aalen
Bei allen Speziallagern bestimmt die Anwenderanforderung das Endprodukt. Drahtwälzlager lassen sich in fast allen Dimensionen an Kundenvorgaben anpassen. Parameter wie Tragzahl, Steifigkeit, Vorspannung und Drehwiderstand können ebenso variabel festgelegt werden wie Bauhöhe, Breite oder Anschlussbohrbild.
Wahlfreiheit besteht auch bei der Festlegung des Werkstoffes für die Lagerringe. Unerheblich, ob aus Stahl, Aluminium, Niro, Kunststoff oder Messing – das integrierte Drahtwälzlager nimmt die Belastungen auf und sorgt für gleichbleibend präzise und zuverlässige Bewegung. Durch die optimale Integration in die Anschlusskonstruktion werden Bauteile, Montagezeiten und Kosten deutlich reduziert.
Was liegt daher näher, als im Zeitalter von Leichtbau und alternativen Werkstoffen auch moderne Materialien heutiger Produktionstechnik auf ihre Eignung für die Integration von Drahtwälzlagern zu untersuchen? Das Beispiel eines Wälzlagers mit Lagerringen aus laminiertem CFK (Karbon) lässt eindrucksvoll erkennen, dass das Thema Leichtbau bei Wälzlagern noch nicht ausgereizt ist.
Die Ausgangssituation: ein Gewichtsvergleich
Als Beispiel für die Darstellung der Ausgangssituation soll eine Drehverbindung mit einem Durchmesser von 300 mm dienen. Zu Vergleichsmessungen im Testlabor wurden zunächst drei Prototypen angefertigt mit Lagerringen aus Stahl, Aluminium und Kunststoff. Beim Gewicht zeigten sich deutliche Unterschiede:
  • Stahlversion : 11 kg
  • Aluminiumversion : 5 kg
  • Kunststoffversion : 3 kg
Das Besondere bei der Gegenüberstellung der drei Versionen: Durch das integrierte Drahtwälzlager bleiben die Belastungsdaten bei allen drei Lagermodellen dieselben. Das leichte Kunststofflager besitzt dieselbe Tragkraft und Präzision wie das herkömmliche Stahllager.
Die Aufgabe: noch leichter werden
Angespornt durch die hervorragende Performance des Kunststofflagers machte sich die Entwicklungsabteilung daran, ein Ultra-Leichtbaulager zu konstruieren. Es sollte bei einem Kugelkranzdurchmesser von ebenfalls 300 mm unter 2 kg auf die Waage bringen. Sämtliche Komponenten kommen auf den Prüfstand. Beim Drahtwälzlager gibt es drei Ansätze, um Gewicht zu sparen:
  • Laufringe mit geringerem Querschnitt : Einsparpotenzial gering
  • Käfig aus leichterem Kunststoff : Einsparpotenzial gering
  • Wälzkörper aus Siliziumnitrit bzw. Halbierung der Wälzkörperanzahl (wobei eine Reduzierung der Wälzkörperanzahl nur möglich ist, wenn die Belastungsverhältnisse dies zulassen): Einsparung von bis zu 20 %
Ein weiterer Ansatz zur Einsparung von Gewicht bei Drehverbindungen ist die Verwendung von Montage- und Befestigungsschrauben aus Aluminium oder Titan. Dies kann im Einzelfall unter Berücksichtigung der auftretenden Kräfte und Momentenbelastungen entschieden werden. Das größte Potenzial zur Einsparung von Gewicht liegt zweifellos bei den umschließenden Lagerringen. Bereits durch die optimale Einbringung von Ausfräsungen und Bohrungen sowie durch die Reduzierung der Wandstärken auf das erforderliche Maß können bei konventionellen Werkstoffen wie Stahl oder Aluminium bis zu 25 % an Gewicht der Drehteile eingespart werden, ohne die Steifigkeit des Lagers zu beeinflussen.
Herausforderung: das Ultra-Leichtbaulager aus Karbon
Wer wirklich leichtgewichtig konstruieren und bauen möchte, kommt um kohlefaserverstärktes Kunststofflaminat (CFK) – im alltäglichen Sprachgebrauch Karbon genannt – nicht herum. Gründe für die Beliebtheit von CFK sind das geringe spezifische Gewicht, das nur etwa 50 % von Aluminium beträgt, sowie die ungeheure Vielfalt der Verarbeitungsmöglichkeiten von Kohlefasern zu komplexen Werkstoffen hoher Härte und Steifigkeit. Bauteile aus Kohlefaser lassen sich aufspannen, bearbeiten, bohren, fräsen und schleifen wie Metall. Je nach Lage und Ausrichtung der Kohlefasern beim Laminieren können Belastungsspitzen aufgefangen werden. So lässt sich das Material bereits bei der Herstellung in seiner Struktur an den künftigen Einsatzzweck anpassen.
Auslegung und Gestaltung der Lagerringe wurden anhand von 3D-CAD-Modellen durchgeführt. Der Faserverlauf wurde so ausgelegt, dass die spätere Belastung nur in Zug- und Druckrichtung erfolgt. Alle Bauteile sind extrem dünnwandig ausgeführt. Laufringbett, Bohrungen für Montage und Befestigung sowie der Zentrierdurchmesser wurden in einer Aufspannung auf einem Bearbeitungszentrum eingebracht. Der Innenring der Drehverbindung ist geteilt, der Außenring ist einteilig ausgeführt. Die Abstimmung des Lagers erfolgt mittels Abstimmbeilagen. In die Bohrungen zur Aufnahme der Montage- und Befestigungsschrauben wurden Metallbüchsen eingebracht. Auf diese Weise konnte Material eingespart werden.
Das fertig montierte Lager durchlief dieselben Labortests wie seine Vorgänger. Gewöhnliche Belastungstests, aber auch Shaker, Klimakammer und Einlaufteststand standen für die Untersuchung im Entwicklungslabor zur Verfügung. Nach einem achtstündigen Einlaufen mit wechselnder Druck- und Zugbelastung ergaben sich Leistungskurven analog zu Aluminiumlagern. Die Steifigkeit des Karbonlagers ist in radialer Richtung geringfügig niedriger, die Kippsteifigkeit sogar etwas höher als ein vergleichbares Aluminiumlager. Tests in der Klimakammer mit großen Temperaturunterschieden sowie Untersuchungen zum Kalt- und Warmlaufverhalten verliefen unauffällig. Und das Gewicht? – Die Karbondrehverbindung mit 300 mm Kugelkranzdurchmesser wiegt sage und schreibe 1,8 kg. Das Entwicklungsziel wurde voll und ganz erreicht.
Die Zukunft: what’s next?
Leichtgewichtige Komponenten sind im Zeitalter der Energieeffizienz und Hochleistung gefragter denn je. Die nächste Entwicklungsstufe besteht aus der Integration elektrischer Antriebe in kompakte Leichtbaulager. So werden Drahtwälzlager zu kompletten Antriebskomponenten für den Fahrzeugbau. Auf diese Weise gelingt es, Konstrukteuren neue Lösungen an die Hand zu geben und zu zeigen, dass Drahtwälzlager im Zusammenspiel mit modernen Werkstoffen einen überzeugenden Beitrag zur Reduzierung von Gewicht leisten. I

Info & Kontakt
Franke GmbH
Tobias Mayer, technischer Berater
Tel.: 07361 920-126
Anschauliches Video zum Funktionsprinzip von Drahtwälzlagern
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