Reibungsreduzierte Lager So lassen sich Wälzlager energetisch optimieren

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Wenn Antriebe in Effizienzklassen eingeteilt werden und die Energiekosten konstant steigen – dann steht jedes Antriebselement auf dem Prüfstand. Wie sich der (indirekte) Energieverbrauch von z. B. Wälzlagern optimieren lässt, zeigen wir hier.

Der maßgebliche Faktor für den indirekten Energieverbrauch, den ein Wälzlager verursacht, ist die innere Reibung. Der Konstrukteur hat verschiedene Möglichkeiten, diesen Faktor zu beeinflussen. Nicht alle Maßnahmen sind für jede Lagerbauart geeignet, und nicht alle lassen sich kombinieren. Aber, und das ist die positive Botschaft: Die Einflussmöglichkeiten sind groß. Wenn sie – mit vertretbarem Aufwand und akzeptablen Mehrkosten – ausgeschöpft werden, kann die innere Reibung um mehr als die Hälfte verringert werden.

Wie sich die Reibung in Wälzlagern verringern lässt

Ein Beispiel dafür geben Rillenkugellager, die NSK unter anderem mit Blick auf Anwendungen in Haushaltgeräten spezifiziert. Im Vergleich zu konventionellen Rillenkugellagern weisen diese Lager eine um 58 Prozent (mit Stahlkäfig) beziehungsweise sogar um 79 Prozent (mit Kunststoffkäfig) verringerte Reibung auf.

Testreihen mit Antrieben unterschiedlicher Leistungsklassen (2,3 kW, 7,5 kW und 30 kW; jeweils 200 V, 50 Hz) zeigen, dass dieser Optimierungseffekt mit der Leistung des Antriebs linear steigt. Diese Wälzlager haben somit in allen zur Verfügung stehenden Baugrößen signifikant positiven Einfluss auf die Energieeffizienz des (Elektro-)Antriebs.

- Fettauswahl und Fettfüllgrad als Faktoren

Bei der Definition neuer Rillenkugellager-Spezifikationen 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 diesen Lagern unter anderem ein unter dem Aspekt der Reibungsreduzierung entwickeltes Fett verwendet. Außerdem wurde der Fettfüllgrad optimiert.

- Käfigdesign und Oberfläche in Detailarbeit

Die Unterschiede bei der Reibungsreduzierung von Lagern mit Kunststoff- oder Stahlkäfig (58 Prozent und 79 Prozent) zeigt schon, dass der Käfig große Auswirkungen auf die innere Reibung hat. Auch hier gibt es Optimierungspotenzial. Bei den im Spritzgussverfahren hergestellten Polyamidkäfigen führt die Optimierung dazu, dass diese Wälzlager bei hohen Drehzahlen mit reduziertem Reibverhalten betrieben werden können. Ein weiteres konstruktives Merkmal der reibungsreduzierten Rillenkugellager ist eine verbesserte Rauheit der Laufflächen. Sie reduziert die Reibung der Wälzkörper und verbessert die Ausbildung des Schmierfilms.

- 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 – zum Beispiel bei kleinen elektromotorischen Antrieben.

Welche Einspareffekte in den neuen Rillenkugellagern möglich sind

Die neuen Rillenkugellager-Spezifikationen wurden unter anderem für den Einsatz in hoch effizienten Elektromotoren der IE4-Klasse nach EU-Verordnung 4/2014 definiert. Den Endanwender der Wälzlager, das heißt den Nutzer einer Maschine oder eines Fahrzeugs, wird es interessieren, welche konkreten Einspareffekte er durch den Einsatz derartiger energiesparender 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 Prozent untersucht. Wenn dieser Antrieb durch einen Motor der Klasse IE4 ersetzt wird, sinkt der Energieverbrauch des Antriebs um 10 Prozent, wodurch auch die Anschlussleistung reduziert wird.

Im Einschichtbetrieb der Maschine (2.000 Stunden) ergibt sich dadurch eine Energiekostenersparnis von rund 900 Euro, bei 7.000 Betriebsstunden entsprechend 3.150 Euro pro Jahr.

Auf Basis dieses Rechenbeispiel lässt sich schnell der (überschaubare) Amortisationszeitraum für den Austausch von konventionellen gegen reibungsreduzierte Rillenkugellager kalkulieren.

Wälzlager mit verbessertem „Gesamtpaket“

Ein solcher Austausch fällt auch deshalb leicht, weil diese Lager in vollem Umfang die Anforderungen an Qualität und Lebensdauer erfüllen, die der Anwender von anderen Rillenkugellagern kennt.

Die Minimierung der inneren Reibung geht somit nicht zulasten von Leistung oder Lebensdauer oder sonstiger Eigenschaften der Wälzlager. Vielmehr führt sie im Gegenteil zu einem verbesserten „Gesamtpaket“ an Eigenschaften und Leistungsmerkmalen.

* Waldemar Sosnowski ist Senior Application Engineer im European Technology Center bei der NSK Deutschland GmbH

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