"Der Trend wird zu energieeffizienten Lagerkonzepten gehen"

Durch Reduzierung von Reibung kann zur Effizienzsteigerung des Antriebsstrangs und damit zu weniger CO2-Emissionen beigetragen werden. Hierbei spielen Wälzlager eine entscheidende Rolle. Darüber sprach ATZ mit Joachim Seubert (Foto links), Direktor des Geschäftsbereichs Pkw-Industrie, und Thomas Wolf (Foto rechts), Application Engineering and Product Development des Wälzlagerherstellers SKF, sowie über Trends in der Lagerentwicklung und die Herausforderungen der zunehmenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs.

Was können Sie zur Effizienzsteigerung von Otto- und Dieselmotoren beitragen?
Seubert Dank unseres Wissens in den Kompetenzbereichen Wälzlager und Wälzlagereinheiten, Dichtungen, Schmiersysteme und Mechatronik können wir unsere Kunden in vielen Bereichen unterstützen. Wir haben beispielsweise ein Produkt entwickelt, mit dem es uns gelingt, Wartungsin¬tervalle bis zu 200.000 Kilometer für einen Riementrieb zu erreichen und die Steuerzeiten für Einspritzung und Verbrennung zu optimieren. Außerdem liegt unser Fokus auf Rolle-Buchse-Bolzen-Einheiten, die bei minimalem Verschleiß und geringer Reibung Einspritzdrücke bis 3500 bar im Dieselmotor gewährleisten. Darüber hinaus werden heute bei Ausgleichswellen Wälz- statt Gleitlager eingesetzt, um die Energieeffizienz zu steigern und einen Beitrag zur CO2-Reduzierung zu leisten.

Welche Maßnahmen reduzieren die Reibung am wirkungsvollsten?
Wolf Im Antriebsstrang gibt es viele mit Kegelrollenlagern besetzte Lagerstellen, die bauartbedingt nicht zur Reibungsreduzierung beitragen. Wir optimieren die Innengeometrien der Kegelrollenlager und ersetzen dort, wo es die Anwendung erlaubt, Kegelrollen- durch Schrägkugellager. Man muss, wissend welche Belastungen auf das jeweilige Lager wirken, im Einzelfall entscheiden, wie die innere Lagergeometrie zu verbessern ist. Wir verfügen über Software, die nicht nur Lagerbelastungen und Lebensdauer, sondern auch das Lagerreibmoment abhängig von der inneren Lagergeometrie ermittelt.

In einer Zahl ausgedrückt, um wie viel Prozent können Sie die Verlustleistung reduzieren?
Seubert Wir haben in einigen Studien eine Verlustleistungsreduktion von bis zu 20 Prozent erreicht, teilweise auch mehr. Da die Anzahl der Lagerstellen ausdrückt, welches Potenzial vorhanden ist, hängt die Quantifizierung einer solchen Angabe vom Fahrzeuglayout ab. Das Einsparpotenzial eines leichten Fahrzeugs mit Frontantrieb ist nicht so groß wie das eines Allradfahrzeugs mit Verteiler-, Hinterachs- und Schaltgetriebe. Hier können wir im Idealfall von einer Einsparung von sechs bis acht Gramm CO2 pro Kilometer ausgehen.

Welche Lagerstellen bieten besonders viel Einsparpotenzial?
Wolf Im Allgemeinen bieten Lagerstellen in Achsgetrieben wegen der dort vorliegenden Belastungsverhältnisse ein beachtenswertes Einsparpotenzial. In einem modernen Allrad-Pkw kann beispielsweise im Vorderachsdifferenzial die Ritzelwelle durch den Einsatz eines reibungsoptimierten Kegelrollenlagers kombiniert mit einem Schrägkugellager deutlich reibungsärmer gelagert werden. Grundsätzlich sehen wir uns an den verschiedenen Lagerstellen des Antriebsstrangs zunächst die Belastungssituation an. Zu diesem Zweck modellieren wir die einzelnen Aggregate und können über das zu übertragende Drehmoment und die Getriebe-Verzahnungsdaten die Lagerreaktionen ermitteln. Das heißt, wir können Aussagen darüber machen, wie das Lager die äußere Belastung aufnimmt, welcher Wälzkörper welche Belastung trägt und wie hoch das Axial-Radialkraft-Verhältnis ist. Dabei stellt sich heraus, dass an den Lagerstellen, die vorwiegend axial belastet sind, die Reibung am größten ist. Wenn diese Lagerstellen identifiziert sind, werden dort anwendungsorientiert die inneren Lagergeometrien bezüglich Lebensdauer, Steifigkeit und Verlustleistung optimiert.

Welche Trends gibt es in der Lagerentwicklung generell?
Seubert Es gibt vier wichtige Trends, wobei die CO2-Reduktion alles andere überragt. Hier sind wir mit unseren energieeffizienten Lagern führend. Zweitens ist uns gelungen, Wälzlager für verschiedene Anwendungen bei höherer äußerer Belastung kleiner zu dimensionieren. Drittens arbeiten wir für große Fahrzeugplattformen daran, Lager für alle Straßen- und Temperaturzustände robust auszulegen. Ein vierter Trend ist Systemintegration: Wir gestalten Wälzlager als Einheiten, dichten sie ab und befüllen sie mit einer Lebensdauerschmierung, sodass wir eine wirkliche Lagereinheit haben, die mit zusätzlichen Funktionen versehen werden kann.

Welche Auswirkungen wird die Elektrifizierung des Antriebsstrangs auf zukünftige Lagerentwicklungen haben?
Wolf In jedem Fall wird sich wegen der Forderung nach Reibungsarmut das Kugel- gegenüber dem Rollenlager mehr und mehr durchsetzen, dies nicht zuletzt auch deshalb, weil die Notwendigkeit zu tragzahlstarken Lagerbauformen nicht mehr so wie heute gegeben sein wird. Darüber hinaus wird der Fokus auf stromisolierten Lagern mit integrierten Dichtungen liegen, die für hohe Drehzahlen geeignet sind.

Welche Auswirkungen hat der zunehmende Einsatz von Doppelkupplungsgetrieben und Getrieben mit variabler und stufenloser Übersetzung auf das Lagergeschäft?
Seubert Bisher hatten wir in hohen Stückzahlen hergestellte standardisierte Lager. Das wird sich insofern verändern, als dass wir immer mehr Wälzlager haben, die an den speziellen Anwendungsfall angepasst werden. Der Trend wird dabei von Kegelrollenlagern zu Schräg- oder Rillenkugellagern gehen, meist in abgedichteter Form, sodass die von außen eingebrachte Verschmutzung reduziert und die Lebensdauer gesteigert werden kann.

Im Motorsport wird auf Metall-Keramik-Lager gesetzt, auch Metall-Kunststoff wäre denkbar. Werden wir in diese Richtung Entwicklungen sehen?
Wolf Es gibt Aktivitäten zur Kombination von Keramik-Wälzkörpern mit Stahlinnen- und -außenringen in Getrieben. Besonders bei sehr hohen Drehzahlen ist der Einsatz von Keramikkugeln sinnvoll. Wir nennen das "Self-Healing-Bearing", ein Rillenkugellager, das im Kugelsatz eine Keramikkugel beinhaltet. Der erzielte Effekt ist Folgender: Wenn das Getriebelager im Normalfall an der Oberfläche durch Überrollen von Schmutzpartikeln verschleißt, sorgt die Keramikkugel aufgrund ihrer höheren Härte für einen gewissen Glättungseffekt. Das führt zur Verlängerung der Lagerge¬brauchsdauer. In der Formel 1 werden aus Gewichtsgründen Wälzkörper aus Keramik eingesetzt, aber für einen Einsatz in großen Serienstückzahlen ist die Wirtschaftlichkeit noch nicht gegeben.

Wie können Sie den Leichtbautrend unterstützen?
Seubert Ein wesentlicher Punkt ist das Downsizing von Lagern. Weiterhin können wir durch eine besondere Gestaltung von Rad- und Getriebelagern Gehäuse aus Leichtbauwerkstoffen, beispielsweise aus Aluminium einsetzen.

Es gibt schon Motoren mit Wälzlagern an der Kurbel- und Nockenwelle. Wird sich dies fortsetzen?
Wolf Wir müssen grundsätzlich bedenken, dass ein Wälzlager im Vergleich zum Gleitlager reibungstechnisch Vorteile hat. Die Idee, Wälzlager in Motoren einzusetzen, ist nicht neu. Man macht das ja schon seit langem bei Zweitaktmotoren, aber in der Großserie im Viertaktbereich ist es noch nicht üblich. Aufgrund des Potenzials, das ein Wälzlager gegenüber einem Gleitlager hat, wird sich dieses Prinzip sicherlich durchsetzen, wenn die entsprechenden wirtschaftlichen Rahmenbedingungen dafür geschaffen sind.

Herr Seubert, Herr Wolf, es hat mich gefreut, mit Ihnen zu sprechen.

Autor(en): Roland Schedel

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