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Moderner Materialmix macht’s möglich: Mehr Power für E-Antriebe mit Hybrid-Lagern von SKF

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Verbrannter bzw. verkokter Schmierstoff durch Funkenentladung.
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Mit Mikrokratern übersäte Stahlkugel (links), deren Oberfläche gegenüber einer ungeschädigten Kugel (rechts) grau und matt erscheint.
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Riffelbildung an einer Innenringlaufbahn als Folge von Stromdurchgang.
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Die Summe der drei Phasenspannungen am Umrichterausgang ist nicht gleich null, sondern erzeugt eine Gleichtaktspannung. Aufgrund der hohen Anstiegsraten der Spannungssignale entstehen so genannte „dV/dt-Ströme“. Diese Hochfrequenzströme schädigen „konventionelle“ Lager.
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Die Hybrid-Wälzlager von SKF besitzen Ringe aus Stahl und Wälzkörper aus Siliziumnitrid.
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In elektrischen Anwendungen sind Wälzkörper aus Siliziumnitrid normalen Stahl-Lösungen durch ihre elektrisch isolierende Eigenschaft und zahlreiche tribologische Vorteile weit überlegen.
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DI. Dr. techn. Gerwin Preisinger, Entwicklungsleiter Sonderlager bei der SKF Österreich AG.

2017 Mai 23, 10:00 CET

Elektrische Antriebe stehen permanent unter Strom – auch im übertragenen Sinn: Sie werden immer leistungsstärker und sollen dabei hoch effizient und gleichzeitig langlebig sein. Dementsprechend wachsen die Ansprüche an die verbauten Wälzlager. Um diese Herausforderungen zu meistern, hat SKF spezielle Hybrid-Lager entwickelt: Die Kombination von Stahl und Siliziumnitrid gibt dieser Lagerausführung nicht nur ihren Namen, sondern ermöglicht zuverlässigen und reibungsarmen Betrieb, verhindert Schäden durch Stromdurchgang und verhilft kompakteren Elektroantrieben zu höherer Leistung.

Von Gerwin Preisinger*

Steyr / Schweinfurt, den 23. Mai 2017

Elektrische Antriebe bspw. in Bussen, Straßen- und Eisenbahnen oder in der Automobilindustrie sind heute wahre Kraftpakete. Die in ihnen verbauten Komponenten müssen extremen Temperaturen standhalten, hohe Drehzahlen erreichen und starke Beschleunigungen ermöglichen. Dabei dürfen ihnen äußere Einflüsse wie Stürme, Regen, Matsch oder Schnee möglichst nichts anhaben. Also muss auch eine zuverlässige Schmierung sichergestellt sein, damit die Elektroantriebe lange arbeiten. Angesichts eines solchen Anforderungsprofils stoßen Wälzlager mit Standardkomponenten in elektrischen Anwendungen zunehmend an ihre Grenzen.

Erzfeind Stromdurchgang
Das gilt umso mehr, als bei herkömmlichen Lagern betriebsbedingt Stromdurchgang auftreten kann. Dieser unerwünschte Energiefluss findet in der Kontaktzone zwischen den Wälzkörpern sowie der Innen- und Außenringlaufbahn statt. Die Folge: Elektroerosion. Sie beschädigt sowohl die metallischen Lagerbauteile (wie Grund- und Gegenkörper) als auch den Schmierstoff im Wälzkontakt.

Praxiserfahrungen von SKF haben gezeigt, dass Funkenentladung den Schmierstoff immer wieder zu stark erhitzt und ihn verkokt (Abb. 1). Dadurch sinken Schmierleistung und Gebrauchsdauer des Schmierstoffs. Darüber hinaus werden Wälzkörper und Laufbahnen der Ringe von herkömmlichen Stahl-Lagern im Laufe der Zeit von Mikrokratern überzogen, mit denen eine Gefügeveränderung der oberflächennahen Zone einhergeht (Abb. 2). Als Folgeschaden von Stromdurchgang kann es dann zu Riffelbildung kommen (Abb. 3). Diese erhöht den Verschleiß, verursacht Schwingungen und macht sich vor allem durch erhöhtes Lagerlaufgeräusch bemerkbar.

Kehrseite höherer Leistungsdichte
Um den Wirkungsgrad und die dynamische Leistung von drehzahlgeregelten Antrieben zu verbessern, kommen heute IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) zum Einsatz. Diese schnell schaltenden Leistungshalbleiter-Bauelemente ermöglichen die gewünschte pulsbreitenmodulierte Ausgangsspannungsform. Allerdings gibt es dabei auch einen nachteiligen Effekt: Neben den herkömmlichen, niederfrequenten Spannungen und Strömen, die im Motor bei Netzbetrieb fließen, treten zusätzlich parasitäre, hochfrequente Ströme auf. Diese resultieren u. a. aus den Phasenspannungen am Umrichterausgang, welche als Serie von Rechteckimpulsen auftreten. Die Summe der drei Phasenspannungen ist nicht gleich null, wodurch eine so genannte „Gleichtaktspannung“ erzeugt wird (Abb. 4a).

Darüber hinaus ändern sich die Spannungssignale nicht nur mit hoher Schaltfrequenz (= häufige Impulse), sondern auch sehr schnell innerhalb eines äußerst kurzen Zeitraums (= flankensteile Impulse). Aufgrund der hohen Anstiegsraten der Spannungssignale entstehen so genannte „dV/dt-Ströme“ (Abb. 4b). Beide Phänomene führen zu hochfrequenten Lagerströmen – und diese können die Lebensdauer „konventioneller“ Lager erheblich verkürzen.

Material-Mix als Lösung
Um derartig negative Einflüsse zu eliminieren, hat SKF Hybrid-Wälzlager entwickelt (Abb. 5). Diese Lager besitzen Ringe aus Stahl und Wälzkörper (in Form von Kugeln oder Rollen; Abb. 6) aus dem hoch festen Keramikwerkstoff Siliziumnitrid (Si3N4). Sie stellen eine zuverlässige Lösung dar, die allen Anforderungen eines modernen drehzahlvariablen Antriebs gerecht wird.

Beispielsweise wirkt Siliziumnitrid nicht nur elektrisch isolierend und damit dem Stromdurchgang entgegen; es ist auch mehr als doppelt so hart wie Stahl und besitzt eine um 30 % höhere Festigkeit. Außerdem hält der Keramikwerkstoff Temperaturen bis 1.000 °C problemlos stand. Trotz ihrer enormen Robustheit ist die Keramik auch noch deutlich leichter als Wälzlagerstahl: Sie besitzt eine Dichte von ca. 3,2 g/cm3, während diejenige von Stahl bei 7,7 g/cm3 liegt – sodass sie um rund 60 % leichter ist.

All diese Faktoren zusammen ermöglichen deutlich bessere Laufleistungen als man sie in Elektroantrieben mit herkömmlichen Stahl-Lagern erzielen kann. So erlaubt die geringere Masse der Keramik-Wälzkörper u. a. höhere Drehzahlen. Zugleich sorgt ihre minimierte Reibung für niedrigere Betriebstemperaturen, was wiederum die Schmierstoffgebrauchsdauer verlängert.

Widerstandsfähiger unter widrigen Bedingungen
Ein weiteres Performance-Plus der Hybrid-Lager von SKF resultiert aus der Härte der Wälzkörper: Dem benutzten Si3N4 sei Dank sind sie viel unempfindlicher gegenüber Verschmutzungen oder unzureichender Schmierung. Auch Stößen oder Vibrationen widerstehen sie deutlich besser als konventionelle Lösungen aus Stahl. So erzielen die SKF Hybridlager unter stark verschmutzten Betriebsbedingungen eine Verschleißfestigkeit, die bis zu neunmal so hoch ist wie diejenige vergleichbarer Stahl-Lager.

Noch stärker dank spezieller Schmierstoffe
In Kombination mit einem für elektrische Antriebe optimierten Schmierstoff gelingt es SKF u. a., die verschleißfördernden Einflüsse von Vibrationen und Schwingungen weiter zu minimieren (im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagerfetten). Außerdem ist der Hochleistungsschmierstoff von SKF extrem langlebig, wie umfangreiche Tests gezeigt haben: Bei typischen Betriebstemperaturen zwischen 70 °C und 120 °C und hohen Drehzahlen erzielten die mit dem SKF Schmierstoff versehenen Lager eine mehr als viermal so lange Gebrauchsdauer wie die gleichen Lager mit einem herkömmlichen Wälzlagerfett.

Fazit
In elektrischen Anwendungen bieten Hybrid-Wälzlager von SKF eine ganze Reihe tribologischer Vorteile. Sie optimieren die Betriebszuverlässigkeit und verlängern die Gebrauchsdauer. Dank der isolierenden Eigenschaften von Siliziumnitrid verhindern sie darüber hinaus jegliche Art von Stromdurchgang. Damit sind sie die ideale Wahl für moderne elektrische Fahrzeugantriebe.

*DI. Dr. techn. Gerwin Preisinger ist Entwicklungsleiter Sonderlager bei der SKF Österreich AG.

Pressekontakt:
Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland, Tel.: +49 (0)9721 / 56 - 28 43, E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

SKF ist ein weltweit führender Anbieter von Wälzlagern, Dichtungen, Schmiersystemen und Mechatronik-Bauteilen mit umfassenden Dienstleistungen in den Bereichen Technischer Support, Wartung und Instandhaltung sowie Engineering-Beratung und Training. Weltweit ist SKF in mehr als 130 Ländern präsent und arbeitet mit rund 17.000 Vertragshändlern zusammen. Im Jahr 2016 erwirtschaftete die Unternehmensgruppe einen Umsatz in Höhe von 72.787 Mio. SEK und beschäftigte 47.922 Mitarbeiter. www.skf.de

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