Wellenförmige Unterlegscheiben, Spiraldruckfedern, Tellerfedern... Die Liste erprobter Federn, die für eine Vielzahl von Anwendungen in Frage kommen, ist...
Inhaltsverzeichnis
1. Wälzlager: Viele Faktoren beeinflussen die Reibung
2. Fettauswahl und Fettfüllgrad als zentrale Faktoren
3. Käfigdesign: Detailarbeit ist gefragt
4. Laufbahngeometrie und Oberflächenbehandlung
5. Dichtung: am besten berührungslos
6. Welche Einspareffekte sind möglich?
7. Erhebliches Einsparpotenzial auf globaler Ebene
8. Der ökologische Effekt von Antriebskomponenten
Welche Ergebnisse eine konsequente Reibungsreduzierung haben kann, zeigt NSK mit einer neuen Baureihe von Rillenkugellagern, die u. a. mit Blick auf Anwendungen in Haushaltsgeräten entwickelt wurde. Im Vergleich zu konventionellen Rillenkugellagern weist die neue Baureihe eine um 58 % (mit Stahlkäfig) bzw. sogar um 79 % (mit Kunststoffkäfig) verringerte Reibung auf.
Testreihen mit Antrieben unterschiedlicher Leistungsklassen (2,3, 7,5 und 30 kW; jeweils 200 V, 50 Hz) zeigen, dass dieser Optimierungseffekt mit der Leistung des Antriebs linear steigt. Diese reibungsreduzierten Rillenkugellager haben somit in allen zur Verfügung stehenden Baugrößen signifikant positiven Einfluss auf die Energieeffizienz des (Elektro-)Antriebs.
Wälzlager: Viele Faktoren beeinflussen die Reibung
Solche Verbesserungen lassen sich nicht mit einer einzelnen konstruktiven Maßnahme erreichen. Es gibt diverse Möglichkeiten, die innere Reibung von Wälzlagern zu reduzieren. Nicht alle Maßnahmen sind für jede Lagerbauart geeignet, und nicht alle lassen sich kombinieren. In den folgenden Absätzen werden einige reibungsreduzierende Detailkonstruktionen vorgestellt, die NSK bei neuen Wälzlager-Baureihen realisiert.
Fettauswahl und Fettfüllgrad als zentrale Faktoren
Bei der Entwicklung der neuen Rillenkugellager haben die NSK-Ingenieure die Erkenntnis genutzt, dass das Fett eine erheblich größere Auswirkung auf die Reibung hat, als die mechanische Konstruktion. Deshalb wird bei der neuen Baureihe u. a. ein unter dem Aspekt der Reibungsreduzierung entwickeltes Fett verwendet. Außerdem wurde der Fettfüllgrad optimiert.
Käfigdesign: Detailarbeit ist gefragt
Die Unterschiede bei der Reibungsreduzierung von Lagern mit Kunststoff- oder Stahlkäfig (58 und 79 %) zeigen schon, dass der Käfig große Auswirkungen auf die innere Reibung hat. Als Optimierungsmaßnahme verwendet NSK bei einigen Baureihen z. B. geprägte Taschen, die in Stahlblechkäfige eingearbeitet werden. Sie bewirken eine gleichmäßigere Verteilung des Schmierstoffs und damit eine verringerte Reibung.
Bei im Spritzgussverfahren hergestellten Polyamidkäfigen hat eine Optimierung der Kugeltaschen ebenfalls positive Auswirkungen auf die Reibung – mit dem Ergebnis, dass Wälzlager mit Polyamidkäfig bei hohen Drehzahlen mit reduziertem Reibverhalten betrieben werden können.
Laufbahngeometrie und Oberflächenbehandlung
Die reibungsreduzierten Rillenkugellager zeichnen sich u. a. durch eine neu entwickelte Laufbahngeometrie aus. Sie reduziert die Reibung der Wälzkörper und verbessert die Bildung des Schmierölfilms. Diese Eigenschaften werden zusätzlich durch ein spezielles Honverfahren verbessert.
Für eine andere neue Wälzlager-Baureihe hat NSK eine besondere Oberflächenstruktur der Laufflächen entwickelt. Sie ist mit porenartigen Mikrovertiefungen versehen, in denen sich kleine Ölvorräte absetzen können. Hauptziel dieser Entwicklung war es eigentlich, Mangelschmierung vorzubeugen und das Risiko von Oberflächenschäden zu minimieren. Dieses Ziel wurde erreicht: Im Vergleich zu konventionellen Kegelrollenlagern erreichen die neuen Lager eine bis zu achtmal längere Lebensdauer. Zugleich bewirkt die verbesserte, d. h. gleichmäßigere Ölverteilung auf den Laufflächen insbesondere bei geringen Drehzahlen eine bis zu 10 % verringerte Reibung.
Dichtung: am besten berührungslos
Als berührendes Konstruktionselement wirkt sich die Dichtung auch (negativ) auf die Reibung eines Wälzlagers aus. Deshalb hat NSK mit der V-Dichtung eine Technologie mit berührungsloser Dichtlippe entwickelt. Sie reduziert das Reibmoment des Lagers und kommt vor allem bei Anwendungen zum Einsatz, bei denen Leistungsverluste kritisch sind – z. B. bei kleinen elektromotorischen Antrieben.
Welche Einspareffekte sind möglich?
Die erwähnten neuen Rillenkugellager eignen sich u. a. für den Einsatz in hoch effizienten Elektromotoren der IE4-Klasse nach EU-Verordnung 4/2014. Den Endanwender der Wälzlager, d. h. den Nutzer einer Maschine oder eines Fahrzeugs, wird es interessieren, welche konkreten Einspareffekte er durch den Einsatz von derartigen energiesparenden Antrieben mit reibungsreduzierten Wälzlagern erzielen kann.
NSK hat entsprechende Versuchsreihen gefahren und eine Maschine mit einem vierpoligen Antriebsmotor von 30 kW Nennleistung und einem Wirkungsgrad von 85 % untersucht. Wenn dieser Antrieb durch einen Motor der Klasse IE4 ersetzt wird, sinkt der Energieverbrauch des Antriebs um 10 %, wodurch auch die Anschlussleistung reduziert wird. Im Einschichtbetrieb der Maschine (2000 h) ergibt sich dadurch eine Energiekostenersparnis von etwa 900 €, bei 7000 Betriebsstunden entsprechend 3150 €/a [1].
Berücksichtigen sollte der Konstrukteur generell, dass auch die reibungsreduzierten Lager „fit for purpose“ sind, d. h. in vollem Umfang die individuellen Spezifikationen und auch die Anforderungen an Qualität und Lebensdauer erfüllen. Bei den von NSK entwickelten reibungsreduzierten Lagern geht die Minimierung der inneren Reibung nicht zulasten der Tragfähigkeit und sonstiger Eigenschaften der Wälzlager.
Erhebliches Einsparpotenzial auf globaler Ebene
Der Hersteller hat überschlägig auch die Möglichkeiten der Energieeinsparung ermittelt, die weltweit durch den Einsatz reibungsoptimierter Wälzlager erschlossen werden können. Pro Jahr werden weltweit 8,8 Billionen kWh Energie (40 % des Gesamtverbrauchs) für den Betrieb von Elektromotoren aufgewendet. Der interne Leistungsverlust bzw. Eigenverbrauch eines Standard-Elektromotors der Effizienzklasse IE1 liegt bei mindestens 7 %, woran die wälzlagerbedingte Reibung einen Anteil von etwa 6 % hat. Das heißt: Die gesamte Verlustleistung beträgt 619 Mrd. kWh, die wälzlagerbedingte Reibung verursacht einen Mehrverbrauch von 37,1 Mrd. kWh.
Das wiederum entspricht einem CO2-Ausstoß von 19,27 Mio. t/a. Kämen in den Elektroantrieben weltweit und zu 100 % diese reibungsreduzierten NSK-Wälzlager zum Einsatz, würden – wenn man konservativ nur von 50 % geringerer Reibung ausgeht – 9,63 Mio. t CO2 weniger emittiert werden. Das ist eine beachtliche Schadstoffmenge, und ganz unrealistisch ist dieses Ziel nicht. Immerhin wird sich der Marktanteil von verkauften Elektromotoren mit Premium-Effizienz laut Schätzungen von 4 % im Jahr 2014 auf 30 % in 2020 erhöhen. bec
Detaillierte Informationen zu den Rillenkugellagern:
hier.pro/XAOP6
Kontakt:
NSK Deutschland GmbH
Harkortstraße 15
40880 Ratingen
Tel.: 02102 481–0
E-Mail: info-de@nsk.com
Website: www.nskeurope.de
Geschäftsführer: Dr. Ulrich Nass, Masatada Fumoto, Issei Murata, Klauspeter Noack
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Der ökologische Effekt von Antriebskomponenten
Geringerer Energieverbrauch und damit verringerte Energiekosten sind ohne Zweifel erfreulich für den Betreiber und die Umwelt. Aber sie dürfen nicht z. B. durch steigenden Aufwand für Produktion oder Entsorgung oder sonstige (Neben-)Effekte erkauft werden. Das haben viele Unternehmen erkannt und auch in ihren Leitlinien oder Nachhaltigkeitskonzepten verankert. NSK ermittelt beispielsweise für alle neu entwickelten Produkte den Neco-Index. Die Abkürzung steht für NSK Eco-Efficiency Indicators und setzt u. a. den ökologischen Fußabdruck des Produktes (Ressourcen- und Energieverbrauch) in Relation zum Produktnutzen, der aus verschiedenen Faktoren errechnet wird. Jedes neue Produkt – so das erklärte Ziel des Herstellers – muss einen Mindestnutzen in Bezug auf die Umweltfreundlichkeit aufweisen [2]. Für die neuen Rillenkugellager z. B. trifft das in hohem Maße zu.