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Lagertechnik

Was Hybridlager alles können

| Redakteur: Sandra Häuslein

SKF erforscht die Einsatzgrenzen von Hybridlagern, die gehärtete Stahlringe mit Wälzkörpern aus einer Hochleistungskeramik kombinieren: Kostengünstiger und zuverlässiger sollen sie werden.

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Hybridlager eignen sich für besonders anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise in Flugzeugtriebwerken.
Hybridlager eignen sich für besonders anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise in Flugzeugtriebwerken.
(Bild: Safran, C. Abad )

Hybridlager kombinieren gehärtete Stahlringe mit Wälzkörpern aus einer Hochleistungskeramik. Sie übertreffen „herkömmliche“ Lagerdesigns hinsichtlich ihrer Laufeigenschaften, wenn es etwa um hohe Drehzahlen und Temperaturen oder auch schlechte Schmierungsbedingungen geht.

Hybridlager in Triebwerken

Aufgrund dieser Vorteile finden Hybridlager beispielsweise in Triebwerken und ähnlich anspruchsvollen Aggregaten der Luft- und Raumfahrtindustrie Verwendung. Da sie außerdem über einen hohen elektrischen Widerstand verfügen, sind sie auch für den Einsatz in Elektromotoren von drehzahlvariablen Antrieben sowie für Generatoren geeignet: Dort wirken sie Streuströmen entgegen, die die Oberflächen normaler Stahl-Lager beschädigen können.

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Allerdings weisen keramische Werkstoffe auch Nachteile auf. Beispielsweise ist nicht hinreichend bekannt, in welchem Ausmaß die Robustheit der Keramik unter kleinsten Unreinheiten innerhalb des Werkstoffs oder an dessen Oberfläche leidet. Allen Anstrengungen zum Trotz liegen die Schadens-Toleranzen somit ein wenig im Dunkeln – ein Umstand, der die Integrität der in den Hybridlagern verbauten keramischen Wälzkörper gefährdet.

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Strenge Qualitätskontrollen für keramische Lagerkomponenten

Um dieser Gefahr vorzubeugen, werden keramische Lagerkomponenten unter extrem strengen Qualitätskontrollen hergestellt. Auch bei ihrer Montage ist große Sorgfalt geboten, sodass sie vor ihrer Freigabe zum Einsatz noch einmal gewissenhaft geprüft werden. Dieser Prozess treibt allerdings die Kosten der Lager in die Höhe, was die breitere Anwendung der Hybridlagertechnologie bislang einschränkt.

„Unser neues Modell zur Vorhersage der Einsatzgrenzen von Keramikwälzkörpern könnte dazu beitragen, dass Hochleistungs-Hybridlager kostengünstiger werden, sodass künftig immer mehr Anwendungen von ihren einzigartigen und überaus nützlichen Eigenschaften profitieren“, sagt Junbiao Lai, Wissenschaftler bei SKF.
„Unser neues Modell zur Vorhersage der Einsatzgrenzen von Keramikwälzkörpern könnte dazu beitragen, dass Hochleistungs-Hybridlager kostengünstiger werden, sodass künftig immer mehr Anwendungen von ihren einzigartigen und überaus nützlichen Eigenschaften profitieren“, sagt Junbiao Lai, Wissenschaftler bei SKF.
(Bild: Safran / SKF )

Eine besondere Herausforderung für die Hersteller resultiert beispielsweise daraus, dass keine „historisch gewachsenen“ Modelle für die Vorhersage von Einsatzgrenzen bzw. des Versagens von Hybridlagern existieren. Einige Oberflächenimperfektionen mögen so winzig sein, dass sie überhaupt keinen Einfluss auf die Leistung oder Langlebigkeit eines Lagers haben. Aber ohne genau zu wissen, in welchem Bereich sich die akzeptablen Grenzen bewegen, sind die Hersteller gezwungen, eine äußerst „konservative“ Linie zu verfolgen – sprich: aus Sicherheitsgründen auch solche Komponenten auszusortieren, die ihren Job womöglich doch einwandfrei erledigt hätten.

Nun hat ein Team des niederländischen Forschungs- und Entwicklungszentrums von SKF einen Weg gefunden, der die Qualitätskontrollen von Keramikprodukten vereinfacht: Die Gruppe hat ein prädiktives Modell der Schadenstoleranz für keramische Wälzkörper in Hybridlagern entwickelt. Damit können die Forscher genau eruieren, unter welchen Betriebsbedingungen und ab welchem Schwellenwert ein mikroskopisch kleiner „Defekt“ ein Problem darstellen könnte.

Systematische Stresstests für Hybridlager

Das Team stützte seine Forschung auf eine umfangreiche Testreihe mit Hybridlagern und Keramikkomponenten. Dabei wurden vorsätzlich mikroskopisch kleine Imperfektionen in die Oberflächen von keramischen Wälzkörpern eingebracht; so etwa gelegentlich zu beobachtende Kontaktspuren oder auch Ring- bzw. C-Risse sowie Poren und Materialausbrüche. Zu diesem Zweck wurde die Keramikkugel-Oberfläche beispielsweise systematisch mit kontrollierten Schlägen bis hin zur Rissbildung malträtiert oder auch per Laser bearbeitet, um ein Loch bzw. eine Pore von exakt vordefinierter Größe und Form zu erzeugen.

Die derartig angeschlagenen Lager bzw. keramischen Komponenten landeten dann auf einem Wälzkontakt-Ermüdungsteststand, der die Prüflinge unter den unterschiedlichsten Belastungs- und Schmierbedingungen an ihre Grenzen oder auch darüber hinaus trieb. So wiederholte das Team seine Experimente mit verschiedenen Arten und Größen von Fehlern. Dabei wurden immer wieder Lager schon vor ihrem Versagen vom Prüfstand geholt, um unter dem Mikroskop nachvollziehen zu können, wie genau sich welche Fehler unter welchen Bedingungen durch den Werkstoff ausbreiten.

Einsatzgrenzen von keramischen Wälzkörpern vorhersagen

Auf Basis dieser Erkenntnisse entwickelte das SKF-Forscherteam ein erweitertes Modell, mit dem sich die Einsatzgrenzen von keramischen Wälzkörpern vorhersagen lassen. Mit diesem Wissen soll es Mitarbeitern in der Produktion künftig möglich sein, Fertigungstoleranzen zu optimieren, Ausschuss zu minimieren und Herstellungs-, Montage- und Handhabungsverfahren zu verbessern, was letztendlich auch zur Kostenreduktion der Hybridlager beiträgt.

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