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Tribologie: Schlüssel zu Reibungsminimierung und Effizienzsteigerung

Mit BEAST nutzt SKF ein dreidimensionales Mehrkörpersimulationsprogramm, das speziell für detaillierte Kontaktberechnungen ausgelegt ist. Dadurch stellt es ein sehr leistungsfähiges Tool für Wälzlager und andere Maschinenelemente dar, bei denen Kontakte eine wichtige Rolle spielen.

Der „Tribogyr“-Prüfstand am INSA Lyon ist der größte und modernste Prüfstand, der je zur Messung der Reibung und Schmierfilmdicke in hochbelasteten Wälzkontakten gebaut wurde.

Konkretes Forschungsergebnis: Besonders reibungsarme Wellendichtungen von SKF verursachen weniger als die Hälfte der Reibung von Standarddichtungen.

Reibungsminimierte Lager wie das SKF energieeffiziente (E2) Rillenkugellager verursachen rund 30 Prozent weniger Reibungswiderstand als Standard-Lager. Daher kann mit diesen Lagern signifikant Energie eingespart und der CO2-Ausstoß reduziert werden.

2013 November 14, 08:00 CET

Die Leistung vieler Maschinen und Geräte in unserem Alltag, wie z.B. Pkw, Züge, Flugzeuge, Roboter, Turbinen und Kompressoren, hängt von Kontaktflächen ab, die sich bewegen. Solche Flächen müssen geschmiert werden, um eine hohe Lebensdauer und Energieeffizienz sicherzustellen. Ohne Schmierung müssten Verschleiß und Beschädigungen in die gewünschten Leistungsparameter einkalkuliert werden. Mit dem dafür notwendigen Know-how beschäftigt sich die Wissenschaft der Tribologie.

Göteborg / Schweinfurt, den November 2013

 

Die Tribologie widmet sich der wissenschaftlichen Erforschung aufeinander einwirkender Oberflächen in Relativbewegung. Sie umfasst die Erforschung und Anwendung der Prinzipien Reibung, Verschleiß und Schmierung. Bei der Tribologie handelt es sich um einen Zweig von Maschinenbau und Werkstoffkunde. Der Begriff zur Beschreibung dieses gesamten Themenkomplexes existiert offiziell, seitdem 1966 der so genannte „Jost Report“ [1] durch den Ausschuss des britischen Ministeriums für Erziehung und Wissenschaft veröffentlicht wurde. Das Wort Tribologie (Reibungslehre) leitet sich vom altgriechischen Stamm τριβ- des Verbs τρίβω, tribo, "Ich reibe" ab. Der Suffix -logie stammt von -λογία, -logia "der Lehre" bzw. "Kenntnis".

 

Das in der Tribologie beschriebene Know-how fließt in die Konstruktion sämtlicher Wälz- und Gleitlager ein. Bei Wälzlagern entscheidet die Tribologie über die richtigen Schmierstoffe (Öle und Fette) für eine Anwendung sowie über die verwendeten Lagermaterialien und Oberflächen. Darüber hinaus wird sie zur Berechnung von Reibungsverlusten, Temperaturanstieg sowie der Lebensdauer von Schmierstoffen und dem Lager an sich herangezogen.

 

Früher erfolgte die Wälzlagerentwicklung vor allem anhand empirisch erworbenen Wissens zu Materialien und grundlegenden Modellaspekten der Mechanik und Materialermüdung. Aufgrund der hohen Leistungsanforderungen, die die moderne Industrie an Wälzlager stellt, reicht dieses empirisch erworbene Wissen nicht mehr aus. Viele dieser Anforderungen, wie z.B. höhere Geschwindigkeiten, Temperaturen, Leistungsdichten, Vibrationen, dünnere Schmierstoffe, größere Lagergrößen, aggressivere Umgebungsbedingungen oder Zusätze usw., wirken sich auf die Kontaktflächen aus.

 

Wälzlager gelten im Allgemeinen als besonders zuverlässige Komponenten. Ein Versagen ist meist auf die Oberfläche zurückzuführen, z.B. auf unzureichende Schmierung, Kontaminierung, Verschleiß, hohe Temperaturentwicklung aufgrund von Reibung u.v.m. Dafür sind die in der Tribologie gebündelten Kenntnisse besonders

relevant. Daher ist das Verständnis tribologischer Mechanismen und die Entwicklung innovativer tribologischer Lösungen für die Lagerbranche von so wesentlicher Bedeutung.

 

Moderne Lager basieren auf besonders ausgeklügelten tribologischen Erkenntnissen: angefangen von der Materialauswahl bis hin zur geometrischen Anordnung und Oberflächenbehandlung. Dazu zählt ebenfalls die Spezifizierung von Schmierstoffen und Dichtungen für einen zuverlässigen und sicheren Betrieb. Das komplexe tribologische Wissen erfordert hochentwickelte Rechenmodelle, ausführliche Laborexperimente und Testverfahren. 2012 investierte SKF allein 180 Mio. EUR in Forschung und Entwicklung. Diese Summe entspricht 2,5% des Jahresumsatzes. Die Entwicklungsaktivitäten führten 2012 dazu, dass 660 veröffentlichte Erfindungen und 421 neue Patente eingereicht wurden.

 

Wichtige Innovationen gehen auf das tribologische Know-how von SKF zurück. Dazu zählen z.B. SKF energieeffiziente (E2) Lager, NoWear-Beschichtung, Hybridlager, Messing- und Kunststoffkäfige, feinstbearbeitete Lager für spezielle Anwendungen, Oberflächengestaltung, Fett- und Schmierstoffspezifikationen, reibungsarme Dichtungen usw. Alle sind das Ergebnis der Forschungs- und Entwicklungstätigkeit von SKF. Das tribologische Wissen ist ebenfalls in SKF Werkzeuge und -Software eingeflossen. Dazu zählen das BEAring Simulation Tool (BEAST), Bearing Beacon, gedruckte und Online-Katalogmodelle, das SKF Reibungsmodell für Wälzlager, das SKF Lagerlebensdauermodell (insbesondere Schmierungs- und Kontaminationsfaktoren), das SKF Schmierfettlebensdauermodell und das SKF Oberflächenzerrüttungsmodell. Dabei handelt es sich um wesentliche Werkzeuge zur Innovationsentwicklung und Vorhersage der Leistungsfähigkeit von Lagern unter Bedingungen, in denen der Oberfläche eine besondere Bedeutung zukommt.

 

Kooperation zwischen SKF und Universitäten im Bereich Tribologie

SKF ist langfristige Kooperationen mit einigen der besten Universitäten im Bereich Tribologie eingegangen. Dies ist in der Lagerbranche einzigartig. Hightech-Unternehmen wie SKF verfügen über eigene Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen und entsprechende Fachkräfte. Durch die Zusammenarbeit auf akademischer Ebene besitzt das Unternehmen jedoch Zugang zu internationalen Spitzenwissenschaftlern und weltweit führenden Ingenieuren, die mit ihrem langfristigen Denken und ihrer etwas anderen Herangehensweise ein höheres Maß an Kreativität gewährleisten. Diese Möglichkeit zur Ergebniserzielung kann häufig langfristiger als intern erfolgen. Nichtsdestotrotz ist auch die interne qualitativ hochwertige Tribologieforschung von großer Bedeutung. Nur so kann die Geschäftsperspektive in die akademische Forschung einbezogen werden.

 

Imperial College

Das Imperial College London zählt weltweit zu den technischen Spitzenuniversitäten und wird regelmäßig unter die zehn weltbesten Universitäten gewählt [2]. Der Fachbereich Mechanical Engineering des Imperial College London beherbergt eines der SKF University Technology Centres (SKF UTC). Dieses Zentrum wurde im Januar 2010 gegründet. In seiner Forschung widmet es sich dem grundlegenden Studium tribologischer Systeme mithilfe moderner Modell- und Messverfahren [3]. Professor Hugh Spikes und Dr. Amir Kadiric [4] stehen einem stetig wachsenden Forschungsteam vor, in dem gegenwärtig sieben Doktoranden und zwei postdoktorale Forschungsmitarbeiter beschäftigt sind. Die Einrichtung des UTC am Imperial College ist eine Bestätigung für die langfristige, nunmehr seit mehr als 30 Jahren bestehende

Kooperation, mit SKF, in der der ehemalige technische Direktor von SKF, Prof. Stathis Ioannides, eine Gastprofessur am Imperial College innehat.

 

Das SKF UTC ist integraler Bestandteil der Tribology Group des Imperial College. Sie wurde bereits vor 60 Jahren ins Leben gerufen und wird international als eine der weltweit führenden Institutionen in der Tribologieforschung erachtet. Zu ihren Errungenschaften zählen zahlreiche wegweisende Tribologiestudien einschließlich Dieselschmierfähigkeit, Anwendung optischer Interferometrie-Technologien in der Tribologie sowie der Modellierung rauer Oberflächenkontakte.

 

Die besondere Forschungsqualität dieser Gruppe zeigt sich nicht zuletzt durch die Verleihung zahlreicher Auszeichnungen an ihre Mitglieder, wie z.B. Tribology Trust Gold Medals, STLE International Award und Imperial College Research Excellence Award sowie mehr als 20 jährliche Auszeichnungen führender Tribologie-Fachzeitschriften für die besten Veröffentlichungen.

 

Das Imperial College London UTC-Team hat sich dem Ziel verschrieben, ein detailliertes Verständnis für tribologische Phänomene an Kontaktflächen zu entwickeln. Dies dient dazu, die Komponentenbeständigkeit zu erhöhen und Reibungsverluste zu verringern. Erreicht wird dies durch die Kombination neuartiger Experimentiertechniken mit modernen numerischen Modellen. Aktuelle Projekte umfassen Studien zur elasto-hydrodynamischen Schmierung (EHL) an rauen Oberflächenkontakten, Kontaktmechanik technischer Oberflächen, Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modellierung von EHL, Leistungsfähigkeit von Schmierstoffzusätzen, zu reibungsarmen Schmierfetten, zum Einfluss von Rauheit auf Kontaktreibung, zu Beginn und Ausbreitung von Oberflächenrissen, zu Schmierungsschäden an Rollenlagern und zur Lagerdichtungsschmierung.

 

UTC kooperiert eng mit dem SKF eigenen Engineering and Research Centre in den Niederlanden, um sicherzustellen, dass das innerhalb von UTC entwickelte grundlegende Verständnis erfolgreich von SKF umgesetzt wird. Dabei geht es vor allem darum, Reibung und Verschleiß an SKF Lagern zu verringern und somit deren Servicelebensdauer und Ökobilanz zu optimieren.

 

INSA de Lyon

Die französische INSA Lyon zählt zu den Universitäten mit der größten Know-how- und Forscherdichte im Bereich Hochtechnologie. Ihrer Kultur entsprechend bedient sie sich in ihrem Engagement eines interdisziplinären Forschungsansatzes. Mit 21 Labors, 500 Forschern und 650 Doktoranden ist die INSA Lyon ein einzigartiges Forschungszentrum. Sie ist der Garant für eine bahnbrechende wissenschaftliche Forschung, die im Zuge der Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie innovative Anwendung findet.

 

Bei LaMCoS (INSA Lyon, CNRS UMR5259) handelt es sich um ein interdisziplinär arbeitendes Labor im Bereich Kontakt- und Festkörpermechanik sowie Strukturdynamik. Es bietet ein breitangelegtes Fachwissen zu Tribologie, schneller Dynamik, Schwingungsmechanik, Steuerung, Übertragungssystemen, umlaufenden Maschinen und Materialformung. Die übergreifende Zielsetzung des Labors lautet, zum Verständnis und zur Steuerung des Verhaltens mechanischer Systeme und Strukturen unter Berücksichtigung ihrer Kontaktflächen zu forschen. Die Zusammenarbeit in der Tribologieforschung zwischen INSA de Lyon und SKF reicht mehr als 20 Jahre zurück. Damals wurde die Idee zur Entwicklung einer Maschine für große rotierende Kontakte entwickelt.


Diese Maschine ist mit „Tribogyr“ [5] Realität geworden. Sie vermittelt bereits jetzt neue Einblicke in das Reibungsverhalten von Wälzelementen, um kommerziellen Trends von Lagern im Hinblick auf eine höhere Leistungsdichte und geringere Reibung erfolgreich begegnen zu können. Darüber hinaus ist der Wissenschaftler Guillermo Morales Espejel des SKF Engineering and Research Centre (ERC) seit 2004 als Gastprofessor beim INSA de Lyon (LaMCoS) beschäftigt.

 

Erst vor kurzem haben SKF und INSA de Lyon ihre Kooperation weiter ausgebaut, indem ein SKF Lehrstuhl für geschmierte Kontaktflächen der Zukunft am INSA de Lyon [6] eingerichtet wurde. Dieser auf sechs Jahre angelegte Lehrstuhl dient dazu, eine interdisziplinäre Vorfeldstudie zur Identifizierung, zum Verständnis und zur Modellierung von Schmierstoffverhalten unter extremen Bedingungen durchzuführen, wie sie durch geschmierte Kontaktflächen ausgelöst werden. Insbesondere in der Luftfahrt spielen Schmierstoffe (aufgrund ihrer Beschaffenheit und Zusammensetzung handelt es sich häufig um komplexe Flüssigkeiten) eine entscheidende Rolle bei der Verringerung von Reibungsverlusten, Verschleiß und Beschädigung.

 

Eines der Ziele dieses Lehrstuhls lautet, künftige Entwicklungen hinsichtlich wirtschaftlicher, sozialer und umwelttechnischer Zwänge zu antizipieren. Folgende Themen stehen dabei besonders im Fokus:

- Schmierflüssigkeiten:

von der Rheologie zur Schmierung

 

- Schmierstoffe und komplexe Flüssigkeiten:

Von molekularen Mechanismen zur Schmierung

 

- Freie Oberflächenströmungen bei der Schmierung sowie Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern.

 

Über die Forschung hinaus zielt der Lehrstuhl darauf ab, junge Forscher und Studenten mittels Praktika und bzw. oder kürzerer Projektforschungsaufträge an das Unternehmen und die verschiedenen Standorte von SKF France oder SKF ERC zu binden.

 

University of Twente

Eine weitere langfristige Tribologiekooperation von SKF besteht mit dem Bereich Tribologie und Flüssigkeitsmechanik der niederländischen University of Twente. ERC-Forscher Piet M. Lugt ist Gastprofessor für die tribologiebasierte Instandhaltung am Fachbereich Tribologie der University of Twente. Dr. C.H. Venner vom Fachberereich Flüssigkeitsmechanik ist Gastwissenschaftler bei SKF ERC. Die Gastprofessur im Bereich tribologiebasierte Instandhaltung (vorausschauende Instandhaltung) bezieht sich auf folgende Bereiche:

1. Modelle für die Zuverlässigkeit von Lagerungssystemen

2. Nachschmierungsintervalle

3. Rheologie von Schmierfett

 

Die Arbeit von Dr. Venner am ERC fokussiert auf neue Modellverfahren für Flüssigkeits-Feststoff-Wechselwirkungen und betrifft die langfristige Entwicklung neuer Vorhersagewerkzeuge.

 

Verweise:

1. Jost, H. P. (Hrsg.): 1966 Lubrication – tribology. Education and research. A report. London: HMSO.


2. http://www.topuniversities.com/university-rankings/world-university-rankings/2012

 

3. Cooperation for Creative Changes, SKF Evolution, 2011, No. 1, http://evolution.skf.com/cooperation-for-creative-changes/

 

4. Slick Research, SKF Evolution, 2013, No. 2,  http://evolution.skf.com/slick-research/

 

5. The Beast of Lyon – Putting Large Bearing Contacts to the Test, SKF Evolution, 2012, No.1, http://evolution.skf.com/the-beast-of-lyon-%E2%80%93-putting-large-bearing-contacts-to-the-test/

 

6. SKF Chair Presentation (INSA de Lyon), http://fondation.insalyon.fr/news/enewsletter3/download/SKF_CHAIR_PRESENTATION.pdf



Pressekontakt:


Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland,

Tel. 09721-56 2843, E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

 

Renate Schleyer, Technische Fachpresse Deutschland,

Tel. 09721-56-3339, E-Mail: renate.schleyer.fachpresse@skf.com

 

SKF ist ein weltweit führender Anbieter von Wälzlagern, Dichtungen, Mechatronik-Bauteilen und Schmiersystemen mit umfassenden Dienstleistungen in den Bereichen Engineering, Wartung und Instandhaltung sowie Training. Weltweit ist SKF in mehr als 130 Ländern präsent und arbeitet mit rund 15.000 Vertragshändlern zusammen. Der Umsatz der Unternehmensgruppe betrug im Jahr 2012 MSEK 64.575. Die Anzahl der Mitarbeiter lag bei 46.775.

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