In der Automobilindustrie steht die Senkung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission an erster Stelle. Neue Technologien und Komponenten wie Start-Stopp-Systeme, rollwiderstandsoptimierte Reifen, variable Ventilsteuerung und Abschaltung einzelner Zylinder tragen zwar dazu bei, bei neuen Modellen einen niedrigeren CO2-Ausstoß zu erreichen, dennoch zeigen Studien, dass Entwicklungen mit dem größten CO2-Reduzierungpotenzial pro investierten Euro immer noch aus dem Bereich der mechanischen Reibung kommen. Mit anderen Worten: Die weitere Optimierung der Wälzlagertechnologie bietet für die Autohersteller das beste Kosten-Leistungs-Verhältnis. Gleichzeitig bewirkt die Elektrifizierung des Antriebsstrangs mittelfristig trotz der hohen Entwicklungskosten weiterhin das größte Potenzial.

Zur künftigen Marktentwicklung einzelner Antriebstechnologien – vor allem zur Geschwindigkeit, mit der sich neue Technologien durchsetzen – gibt es sehr unterschiedliche Szenarien. Unabhängig davon, welche am realistischsten ist, hat NSK für alle Optionen reibungsreduzierte und damit die CO2-Emissionen mindernde Lösungen entwickelt. Neue Wälzlagergenerationen tragen dazu bei, sowohl in heutigen verbrennungsmotorisch angetriebenen Pkw die Reibung zu verringern als auch bei den neuen Antriebsarten wie Hybrid- oder Elektroantrieb und somit die Effizienz des Antriebs zu erhöhen.

Reibungsarmes Kegelrollenlager mit Kunststoffkäfig

Ein Beispiel: Die Reduzierung der Reibung war Hauptziel bei der Entwicklung neuer Kegelrollenlager für Getriebe. Hier erwarten die OEMs neben reibungsreduzierten Lagern auch solche, die selbst bei sehr problematischen Schmierungsbedingungen eine gleichbleibend hohe Leistung bringen.

Bislang setzte man bei diesen Kegelrollenlagern Stahlkäfige ein. Bei der neuen Baureihe sind es Kunststoffkäfige, die eine freiere Gestaltung der optimalen Form erlauben – eine Technologie, die NSK im eigenen Haus vorhält. Das hohe Leistungsniveau der neuen Lager erreicht man durch zahlreiche konstruktive Maßnahmen, beispielsweise ein verringertes internes Volumen, das überschüssige Schmiermittelmengen vermeidet und somit die Reibung des Lagers reduziert. Durch eine Rückhaltenut im Käfig wurde ein zusätzliches Ölreservoir hinzugefügt. Das sorgt für eine gleichmäßige Schmiermittelzuführung zu den Gleitflächen der Wälzkörper. Somit ist das Lager bestens für den Betrieb mit niedrigviskosen Getriebeölen geeignet. Im Vergleich zu anderen Lagern für diesen Einsatzzweck konnte die Reibung so um rund 20 % reduziert werden. Je nach Temperaturanforderung stehen die Käfige in drei Hochleistungsmaterialien zur Verfügung (PA 66, PA 46 und L-PPS).

Neues Dichtungskonzept für Getriebelager

Gerade bei Getriebelagern muss eine sehr gute Dichtwirkung erreicht werden, weil sich im Getriebeöl Abriebpartikel aus gehärtetem Stahl befinden, die nicht ins Lager eindringen dürfen, weil sie Einprägungen in der Lagerlaufbahn erzeugen, die die Lebensdauer beeinträchtigen. Die von NSK entwickelte „Sealed Clean"-Technologie mit TM-Dichtung gewährleistet den Ölkreislauf über einen Spalt von definierter Größe, so dass Fremdkörper am Eindringen ins Lager gehindert werden.

Die neueste Weiterentwicklung dieser Technologie ermöglicht es, die Reibung deutlich zu verringern, ohne die Dichtwirkung und Langlebigkeit der Dichtung zu verringern. Auf der Basis von Computersimulationen wurde eine neue Dichtung entwickelt, die sich besser an den Dichtspalt anschmiegt und eine zuverlässige Abdichtung bewirkt. Zugleich konnte die Kontaktkraft der Dichtung um rund 50 % gesenkt werden – mit der Folge, dass die Reibung deutlich verringert wurde.

Hochgeschwindigkeits-Kugellager mit Karbon- faserverstärktem PEEK-Käfig für Hybridfahrzeuge

Dass für Hybridfahrzeuge neue Wälzlagerkonzepte zum Einsatz kommen müssen, zeigt ein einfacher Zahlenvergleich: Während die Drehzahlen im gesamten Antriebsstrang (sieht man von Turboladern ab) in der Regel nicht über 8000 und bei hochdrehenden, sportlichen Fahrzeugen nicht über 10 000 min-1 reichen, arbeiten Elektromotoren im Hybrid- und reinem Elektroantrieb mit mehrfach höheren Drehzahlen.

Zu den Trends gehört hier, dass die Elektromotoren immer größer werden. Zugleich werden Hochgeschwindigkeits-Motoren mit höherer Leistung entwickelt. Deshalb besteht eine Nachfrage nach Kugellagern mit großen Durchmessern, die bei der Lagerung der Rotoren von E-Motoren zum Einsatz kommen. Diese Lager müssen einen sehr hohen dmn-Wert erreichen, eine zentrale Kennzahl für Wälzlager, die sich aus dem Lagerdurchmesser (mm) multipliziert mit der maximalen Drehzahl (min-1) bemessen lässt.

NSK ist es gelungen, ein sehr langlebiges Kugellager mit einem dmn-Wert von über zwei Millionen zu entwickeln – die höchste Umlaufgeschwindigkeit, die je von einem Automotive-Kugellager erreicht wurde.

Die Kugellager haben einen Innendurchmesser von 160 und einen Außendurchmesser von 190 mm. Da bei dieser Größe und den sehr hohen Drehzahlen auch erhebliche Zentrifugalkräfte auftreten, musste die gesamte Lagerkonstruk- tion entsprechend ausgelegt werden. Erstmals verwendet NSK karbonfaserverstärktes Polyetheretherketon (PEEK) im Käfig eines Automotive-Wälzlagers. Mit diesem leichten, maßgenauen und widerstandsfähigen Material hat man bereits in Industrie-Anwendungen Erfahrungen gesammelt. Als Kugelführung kommt ein Kronenring zum Einsatz. Konstruktionsparameter wie Radialspiel, Kugeldurchmesser, Kugelanzahl und Rillenabmessungen wurden so optimiert und aufeinander abgestimmt, dass auch im Ultrahochgeschwindigkeits-Betrieb Wärmeentstehung und Reibung minimiert werden.

Geräuscharme Lager für Elektrofahrzeuge

Neuentwicklungen gibt es auch für den Innenraum von Elektrofahrzeugen, beispielsweise bei Wälzlagern, die in Klimaanlagen und so genannten Komfortantrieben zum Einsatz kommen. Dass hier andere Wälzlager benötigt werden, liegt darin begründet, dass die Fahrzeuge im Elektrobetrieb nahezu lautlos unterwegs sind. Somit fallen die Geräusche elektrisch betriebener Sekundäraggregate wie Klimaanlagen stark ins Gewicht. Für diese Anwendungen hat NSK neue Nadellager entwickelt, die im Vergleich zu konventionellen Produkten weniger Geräuschemissionen erzeugen.

Das Konstruktionsmerkmal, bei dem die NSK-Ingenieure ansetzten, sind die Enden der zylindrisch geformten Nadelrollen. Sie müssen in einem definierten Bogen ballig geformt sein, um die an dieser kritischen Stelle auftretenden Kräfte bestmöglich aufnehmen und verteilen zu können. NSK hat ein neues Bearbeitungsverfahren entwickelt, das die Enden der Nadelrollen hochpräzise bearbeitet und somit eine nahezu perfekte Rundheit erzeugt. Das Ergebnis: Die Nadellager mit derart bearbeiteten Nadelrollen emittieren im Vergleich zu konventionellen Nadellagern nur noch ein Drittel des Geräuschniveaus. Die Lager sind bereits im Klimakompressor-Antrieb eines E-Fahrzeugs im Einsatz. Die Neuentwicklung ist auch für Hybridfahrzeuge interessant, wenn sie im puren Elektromodus gefahren werden.

Eine weitere Innovation auf dem Gebiet der Kfz-Kugellager führt ebenfalls zu deutlich verringerten Geräuschemissionen selbst bei hohen Lagertemperaturen. Mithilfe eines neu entwickelten Schmierstoffs, eines optimierten Käfigdesigns und eines besonderen Bearbeitungsprozesses der Laufbahn bieten die Lager im Vergleich zu den bisher eingesetzten Baureihen eine rund 60 % höhere Lebensdauer und ein 50 % niedrigeres Geräuschniveau. Sie werden als neuer Standard in den Elektroantrieben des Kfz-Innenraums, beispielsweise in Lüftern und Verstellmotoren, eingesetzt.

Die für den spezifischen Einsatz bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen entwickelte Lagertechnologie für hohe Drehzahlen und niedriges Reibmoment findet sich in aktuellen HEV-Modellen wie Toyota Prius und Chevrolet Volt/Opel Ampera.

NSK; Telefon: 02102 4810; E-Mail: info-de@nsk.com

Der Autor François-Xavier Caillot ist Marketing Manager Automotive, European Automotive Business Unit der NSK Deutschland GmbH, Ratingen