Dünnringlager, die große Kräfte und Momente sicher übertragen können, sind bereits seit mehr als 50 Jahren im Einsatz. Sie werden vorwiegend dort genutzt, wo geringes Gewicht, limitierter Einbauraum, hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer gefordert sind. Der zunehmende Einsatz in unterschiedlichen Anwendungen erlaubt inzwischen die Herstellung größerer Fertigungslosgrößen. Die daraus resultierenden Kostensenkungen eröffnen weitere Anwendungsfelder.
Exklusiv in KEM Der Autor Volker Gensberger ist Geschäftsführer der ITM Unitec GmbH, Backnang
Die Dünnringlager haben ihren Ursprung in den Vereinigten Staaten, wo sie aufgrund der schon erwähnten Vorteile in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Militärtechnik eingesetzt wurden. RBC Bearings Incorporated (RBC)/Industrial Tectonics Bearings (ITB) stellt bereits seit 1956 Dünnringlager her, die ausschließlich in zölligen Abmessungen gefertigt wurden.
Die expandierte Industrialisierung innerhalb der letzten 20 Jahre ermöglichte neue Einsatzmöglichkeiten der Dünnringlager, insbesondere bei technisch anspruchsvollen Anwendungen wie in Werkzeugmaschinen, Montagerobotern, Positioniergeräten, in der Halbleiterfertigung, Textilmaschinen, in der Medizin- und Messtechnik, in Radar- und Satellitensystemen, im Präzisionsgetriebebau, in der zivilen Luftfahrt, Militärtechnik u. v. m.
Die Besonderheit klassischer Dünnringlager ist der gleichbleibende Lagerquerschnitt unabhängig vom Bohrungsdurchmesser, die aktuell bei RBC bis zum Durchmesser von 40“ bzw. 1016 mm produziert werden. Alle Lagergrößen werden als Radial-, Schräg- oder Vierpunktlager in unterschiedlichen Präzisionsklassen (bis zu ABEC 7) mit eingeschränktem axialen und radialem Rundlauf hergestellt. Je nach Anwendung und Lagergröße werden durch entsprechende Kugelsortierung die Lager vorgespannt, die spielfrei Kräfte und Momente übertragen.
Alle Radial- und Vierpunktlagergrößen sind auch in abgedichteten Ausführungen erhältlich. In vielen Fällen werden Standardgummidichtungen verwendet, die materialbedingt eine relativ hohe Reibung aufweisen, hier kommt man schnell an deren Belastungsgrenzen. Gerade bei höheren Temperaturen und drehmomentsensiblen Anwendungen sind alternative Dichtungsmaterialien unerlässlich.
Die RBC-Lösung besteht hier in der Kombination einer Dicht- und Deckscheibe. Dabei werden Dichtungen wahlweise aus reinem PTFE (Teflon) oder aus glasfaserverstärktem PTFE (Amalon) verwendet. Die Materialien haben eine hohe chemische Beständigkeit, besitzen durch die selbstschmierenden Eigenschaften einen geringen Reibwert und sind sehr temperaturbeständig. Die PTFE-Dichtungen werden zusammen mit einer flachen, aus hochwertigem Edelstahl hergestellten Deckscheibe am Außenring montiert, was eine vorteilhafte, stabile und verstärkte Dichtung mit geringer Reibung ermöglicht.
Auf Anwenderwunsch werden für Neuentwicklungen RBC-Dünnringlager auch in metrischen Querschnitten, vorzugsweise in 8 x 8, 13 x 13 und 20 x 20 mm gefertigt. Die maßlichen Abweichungen der metrischen Querschnitte zu den zölligen Abmessungen sind relativ gering und fertigungstechnisch deshalb ohne großen Mehraufwand problemlos herstellbar.
Alle Dünnringlager werden im kalifornischen Werk von RBC/ITB südlich von Los Angeles gefertigt. Die gesamten Fertigungsprozesse wie Drehen, Härten Schleifen, Läppen, Honen, Lagerendmontage sowie Qualitätsprüfung (inkl. technischer Dokumentation) werden aus Qualitäts- und Sicherheitsgründen ausschließlich im eigenen Hause durchgeführt. Mehr als 200 qualifizierte Mitarbeiter fertigen mit modernen Bearbeitungsmaschinen alle Dünnringlagergrößen der Vorzugsreihen (Standardabmessungen) sowie kundenspezifische, kompakte bzw. in andere Bauteile integrierte Dünnringlager.
Für Anwendungen in Industrien wie z. B. Halbleiter- oder Luft- und Raumfahrtindustrie werden RBC-Dünnringlager auch in Edelstahlqualität 440C (entspricht der DIN X105CrMo17), mit Keramikkugeln und PTFE-Käfigen gefertigt, unter Reinraumbedingungen montiert und anschließend vakuumverpackt. Eine durchgehend lückenlose Dokumentation der Fertigungsprozesse wird hiermit nachhaltig sichergestellt. Alle Dünnringlager sind zusätzlich mit entsprechenden Fertigungschargennummern und codiertem Produktionsdatum direkt an den Lagern zur vollständigen Rückverfolgbarkeit gekennzeichnet.
Alternativ zu den Edelstahllagern werden die Dünnringlager auch in verchromter Ausführung gefertigt. Diese besteht aus einer nur wenige µm starken Chromschicht, die ebenfalls nachhaltig als Korrosionsschutz dient. Die Lager werden als kostengünstigere Alternative zu Edelstahllagern eingesetzt in Anwendungen, wo leichte Korrosion auftreten kann.
Integrierte Dünnringlager reduzieren Teilevielfalt
Verstärkt werden Bauteilreduzierungen bei Neuentwicklungen gefordert, die an den Komponentenlieferanten gestellt werden. Hier ist die Firma ITM Unitec mit Sitz im baden-württembergischen Backnang als autorisierter Vertragspartner für RBC-Dünnringlager vor Ort und unterstützt die Anwender konstruktiv in der Entwicklung von integrierten Lagereinheiten. Dabei werden in den Innen- und/oder Außenring beispielsweise Verzahnungen, Flansche und andere adaptive Anbauteile integriert, was die Teilevielfalt reduziert und den funktionalen Wirkungsgrad erhöht. Ein klassisches Beispiel der Teilereduzierung ist die Entwicklung der RBC-Superduplex-Lager. Hierbei handelt es sich um doppelreihige Präzisionsdünnringschrägkugellager, die vorgespannt werden können.
Beim Paaren zweier Schrägkugellager, unabhängig ob in X- oder O-Anordnung, sind die Schultern der Außen- oder Innenringe zurückzuschleifen, um die gewünschte Vorspannung zu erhalten. Dabei ist jeweils eine Schulter der beiden Schrägkugellager zu bearbeiten, um eine optimale Paarung zu erhalten.
Hier war mit relativ einfachen Überlegungen und Maßnahmen – die beiden Innen- oder Außenringe durch einen Ring zu ersetzen – eine Teilereduzierung realisierbar. Dadurch war es auch möglich, die Toleranz am Außen- bzw. Innendurchmesser zu reduzieren und gleichzeitig den axialen und radialen Rundlauf zu verbessern. Dies wurde durch die Bearbeitung der Ringe in einer Aufspannung möglich.
Dünnringlager mit geteilten Ringen
Um extreme Temperaturbedingungen auszugleichen, die in der Luft- und Raumfahrt ständig vorkommen, sind besondere Lösungen notwendig. Im nachfolgend beschriebenen Fall sollte die bisherige Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der bislang eingesetzten Dünnringlager erheblich gesteigert werden. Die starken Temperaturschwankungen zwischen Erd- und Weltraumatmosphäre stellen hohe Anforderungen an die Dünnringlager.
Durch die geforderte Leichtbauweise in der Luft- und Raumfahrt sind die aus Stahl gefertigten Lager häufig in Anbauteilen montiert, die aus Sonderlegierungen mit NE-Metallen gefertigt sind. Dabei weichen die Ausdehnungskoeffizienten der verbauten Materialen teilweise erheblich voneinander ab, sodass in Extremfällen die Lager – wie in diesem Fall – in bestimmten Temperaturbereichen überbeansprucht werden. Das kann zu extremen Überbelastungen, Steifigkeits- und Reibungsverlusten sowie erheblicher Leistungsminderung der Lager führen.
Zur Lösung des Problems wurde das sogenannte Thermal-Comp TM entwickelt. Dabei werden jeweils der Innen- und der Außenring in Querrichtung auf ein genau berechnetes Spaltmaß getrennt, unter Berücksichtigung des abzudeckenden Temperaturbereiches. Die anschließend montierten Lagerringe gewährleisten durch das zuvor genau errechnete Spaltmaß am Innen- und Außenring jederzeit die optimale Lagersteifigkeit und Momentenaufnahme in allen Temperaturbereichen.
Die immer häufiger in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzten Dünnringlager erlauben mittlerweile die Herstellung größerer Fertigungslosgrößen für einige Dünnringlagergrößen. Dies führt zu Kostenoptimierung sowohl in der Materialbeschaffung als auch in den einzelnen Fertigungsprozessen. Diese Einsparungen machen Dünnringlager für bestehende und auch neue Anwendungen immer attraktiver – bei unverändert hohem Qualitätsniveau.
ITM Unitec,
Tel.: 07191 495265-0,
E-Mail: info@itm-unitec.com
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