Keramiklager: Die Lösung zur Reduzierung des Rollwiderstands

Wie verhält sich ein Keramiklager in Bezug auf das Rollmoment? Ein Aspekt, der bei der Auswahl von Lagern für den Einbau in Maschinen oder Anlagen oft nicht berücksichtigt wird, ist das Rollmoment, also das Drehmoment, das erforderlich ist, um einen Lagerring relativ zum anderen bei konstanter Geschwindigkeit in Rotation zu halten. Es sind die inneren Reibungen im Lager, die das Rollmoment erzeugen. Je größer die Reibung, desto höher ist das Rollmoment.

Als Maß für die inneren Reibungen eines Lagers ist das Rollmoment von Bedeutung, da es zu einer Verlustleistung führt, die einerseits den Wirkungsgrad der mechanischen Übertragung verringert und sich andererseits in Form von Wärmeentwicklung sowie einer möglichen Temperaturerhöhung des Lagers selbst und der angrenzenden mechanischen Komponenten äußert.

Sehen wir uns an, welche die Reibungsquellen in einem Lager sind:

• Bewegung (rollend/gleitend) der Wälzkörper relativ zu den Lagerringen
• Wechselwirkung der Wälzkörper mit dem Käfig
• Wechselwirkung des Käfigs mit den Lagerringen
• Wechselwirkung von Wälzkörpern, Käfig, Lagerringen und eventuellen Dichtungen mit dem Schmierstoff
• Wechselwirkung der Dichtungen mit den Lagerringen
• Lagerluft oder Vorspannung des Lagers
• Anzahl der Wälzkörper, die die Last tragen, und damit die Art der Belastung
• Werkstoff der Lagerringe und Wälzkörper
• Härte des Werkstoffs der Lagerringe und Wälzkörper
• Rauheit der Lagerringe und Wälzkörper
• Genauigkeitsklasse des Lagers
• Temperatur des Lagers

Analysieren wir sie einzeln.

1. Bewegung (rollend/gleitend) der Wälzkörper relativ zu den Lagerringen

Im Inneren eines Lagers wird der Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen normalerweise als Punkt (bei Kugeln) oder als Linie (bei Zylindern) schematisch dargestellt. In der Realität erfolgt der Kontakt jedoch weder punktförmig noch linienförmig, sondern über eine Fläche, die in der Regel die Form einer Ellipse annimmt. Innerhalb dieser Kontaktfläche ist nur ein kleiner Bereich durch reine Rollbewegung mit Wälzreibung gekennzeichnet. Im übrigen Bereich bewegt sich der Wälzkörper gleitend relativ zur Laufbahn, wodurch Gleitreibung entsteht. Es ist daher klar, dass mit zunehmender Kontaktfläche auch die Reibung zwischen Wälzkörper und Laufbahn zunimmt. Alles, was zu einer Verringerung der Kontaktfläche führt, bewirkt folglich eine Reduzierung des Rollmoments.

2. Wechselwirkung der Wälzkörper mit dem Käfig

Die Wälzkörper eines Lagers werden – mit wenigen Ausnahmen – durch einen Käfig geführt, der je nach Anwendung aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann. Der Käfig besitzt keine eigene Bewegung, sondern wird durch die Wälzkörper in Bewegung versetzt. Das bedeutet, dass zwischen Wälzkörpern und Käfig hauptsächlich Gleitbewegungen auftreten. Je stärker diese Gleitbewegungen bzw. die Reibung zwischen Wälzkörpern und Käfig sind, desto höher ist das Rollmoment. Eine geeignete Wahl von Werkstoff und Geometrie des Käfigs kann daher zur Reduzierung des Rollmoments beitragen.

3. Wechselwirkung des Käfigs mit den Lagerringen

Während der Rotation des Lagers kann es vorkommen, dass der Käfig an den Lagerringen gleitet. Dies führt zu einer Erhöhung des Rollmoments.

4. Wechselwirkung von Wälzkörpern, Käfig, Lagerringen und eventuellen Dichtungen mit dem Schmierstoff

Im Inneren eines Lagers befindet sich in der Regel ein Schmierstoff, dessen Aufgabe es ist, nicht nur den direkten Kontakt zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen möglichst zu vermeiden, sondern auch die Wärmeabfuhr zu verbessern. Der Schmierstoff kommt zudem mit dem Käfig, den Lagerringen und möglichen Dichtungen in Kontakt. Besteht eine Relativbewegung zwischen dem Schmierstoff und den Lagerelementen, entsteht Reibung, die das Rollmoment erhöht. Ebenso kann eine Relativbewegung zwischen verschiedenen Schmierstoffschichten auftreten, was ebenfalls zu Reibung und einem Anstieg des Rollmoments führt. Die Schmierstoffmenge muss daher sorgfältig bestimmt werden, da eine zu große Menge die inneren Reibungen deutlich erhöhen und somit das Rollmoment steigern kann.

5. Wechselwirkung der Dichtungen mit den Lagerringen

In einigen Anwendungen müssen dichte (sogenannte „RS“‑Versionen) Lagers verwendet werden. Die Dichtungen dieser dichten Lagers bestehen aus gummiartigem Material, das zur Ausübung der Dichtwirkung auf einem der beiden Ringe gleitet. Dadurch entsteht natürlich Reibung, wodurch das Rollmoment erhöht wird.

6. Lagerluft oder Vorspannung des Lagers

Die Kontaktfläche zwischen Wälzkörper und Laufbahn ist hinsichtlich der Ausdehnung (je größer die Fläche, desto größer die Reibung) und hinsichtlich der Anzahl der Kontaktflächen wichtig für das Rollmoment. Bei einem Lager mit Spiel ist, je größer das Spiel, desto geringer die Anzahl der Wälzkörper, die tatsächlich mit den Laufbahnen in Kontakt stehen. Bei einem Lager ohne Spiel sind alle Wälzkörper mit den Laufbahnen in Kontakt. Bei einem vorgespannten Lager berühren alle Wälzkörper nicht nur die Laufbahnen, sondern werden zusätzlich auf diese „gepresst“, wodurch die Kontaktfläche sowohl gegenüber dem Nullspiel‑ als auch gegenüber dem positiven‑Spiel‑Lager größer ist. Das bedeutet, dass das Rollmoment zunimmt, wenn man von Spiel zu Vorspannung übergeht. Um die Kupplung zu verringern, sollten Lagers mit möglichst großem Lagerluft gewählt werden, sofern die Anwendung dies zulässt.

7. Anzahl der Wälzkörper, die die Last tragen, und damit die Art der Belastung

Da das Rollmoment von der Größe der Kontaktfläche zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen sowie von der Anzahl der Wälzkörper abhängt, die tatsächlich mit den Laufbahnen in Kontakt stehen, beeinflussen Art und Größe der Belastung, der das Lager unterliegt, den Wert des Rollmoments erheblich. Typischerweise führt eine Erhöhung der Belastung zu einer Erhöhung des Rollmoments. Aus diesem Grund existiert kein absoluter Wert für das Rollmoment eines Lagers, sondern er muss immer mit einer klar definierten Lastbedingung verknüpft werden (normalerweise wird das Rollmoment bei unbelastetem Lager bewertet).

8. Werkstoff der Lagerringe und Wälzkörper

Der Werkstoff, aus dem die Ringe und Wälzkörper gefertigt sind, beeinflusst direkt die Größe der Kontaktfläche. Elastischere Werkstoffe führen zu einer größeren Kontaktfläche und damit – bei gleichen übrigen Bedingungen – zu einem höheren Rollmoment.

9. Härte des Werkstoffs der Lagerringe und Wälzkörper

Auch die Härte des Werkstoffs beeinflusst das Rollmoment, da höhere Härte zu einer kleineren Kontaktfläche zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen führt und damit ebenfalls das Rollmoment verringert.

10. Rauheit der Lagerringe und Wälzkörper

Die Rauheit der Kontaktflächen beeinflusst direkt den Reibungskoeffizienten und damit das Rollmoment. Je größer die Rauheit, desto höher ist das Rollmoment.

11. Genauigkeitsklasse des Lagers

Die Genauigkeitsklasse eines Lagers kann das Rollmoment beeinflussen, da sie mit der Ovalisierung der Laufbahnen zusammenhängt. Theoretisch sollten die Laufbahnen eines Lagers perfekt kreisförmig sein. In der Praxis ist jedoch aufgrund der Bearbeitungstoleranzen immer eine gewisse Ovalisierung vorhanden. Diese führt dazu, dass die Kontaktfläche zwischen Laufbahnen und Wälzkörpern nicht konstant ist, sondern sich mit der Drehung der Ringe verändert und kann somit zu einer Erhöhung des Rollmoments führen. Die Genauigkeitsklasse kann besonders bei Lagers mit geringem Spiel oder Vorspannung für das Rollmoment wichtig werden.

12. Temperatur des Lagers

Die Temperatur des Lagers kann Auswirkungen auf das Rollmoment haben, da sie einige Reibungsursachen sowohl positiv als auch negativ beeinflussen kann. Beispielsweise senkt eine Erhöhung der Temperatur die Viskosität des Schmierstoffs und wirkt sich somit positiv auf das Rollmoment aus. Gleichzeitig kann jedoch eine Temperaturerhöhung zu unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen der Lagersringe führen und die Kontaktfläche zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen verändern; bei einer größeren Kontaktfläche könnte das Rollmoment ansteigen und damit die positive Wirkung der Viskositätsreduzierung neutralisieren.

Mit den üblichen Stahl‎‑Lagers sind, unter Berücksichtigung der Einsatzbedingungen und der Kostenlimite, folgende Lösungen möglich:

• Die Lagerluft möglichst groß wählen
• Die Anzahl der Wälzkörper reduzieren
• Eine geringe Menge Schmierstoff verwenden
• Einen Schmierstoff mit niedriger Viskosität oder geringer Reibung einsetzen (z.B. Öl statt Fett)
• Lagers mit Superfinish der Laufbahnen verwenden, um die Rauheit zu verringern
• Lagers mit hoher Genauigkeitsklasse verwenden
• Bei dichten Lagers Dichtungen mit niedriger Reibung verwenden; dies kann durch geeignete Materialien oder Sonderausführungen der Lagers mit geschliffener Gleitfläche für die Dichtungen erreicht werden. Es können auch Dichtungen eingesetzt werden, die zwar „dicht“ sind, aber nicht mit dem Lagerring in Kontakt stehen, sondern in einem Labyrinth sitzen
• Werkstoffe mit niedrigem Reibungskoeffizienten für die Käfige verwenden (z.B. PA6 oder PTFE statt Käfige aus Stahl)

Eine andere, alternative Lösung zu Stahl‎‑Lagers, mit der der Wert des Rollmoments auf ein Minimum reduziert werden kann, stellen die vollständig keramischen Lagers dar. Bei diesen Lagers sind sowohl die Ringe als auch die Wälzkörper aus keramischem Material gefertigt, während Käfige und eventuelle Dichtungen aus Kunststoff bestehen.

Sehen wir uns die Besonderheiten der keramischen Lagers im Hinblick auf die oben genannten 12 Reibungsquellen an:

1. Bewegung (rollend/gleitend) der Wälzkörper relativ zu den Lagerringen

Die Kontaktfläche zwischen Wälzkörpern und Laufbahnen ist bei einem keramischen Lager – bei gleichen Abmessungen und Lastbedingungen – kleiner als bei einem entsprechenden Stahl‎‑Lager. Das bedeutet, dass der Bereich, der Gleitbewegungen unterliegt, geringer ist, und damit auch die auftretende Reibung niedriger liegt. Zusätzlich ist der Gleit‑ und Wälzreibungskoeffizient bei einem Keramik/Keramik‑Gleitpaar niedriger als bei einem Stahl/Stahl‑Paar. Dadurch wird das Rollmoment deutlich reduziert.

2. Wechselwirkung der Wälzkörper mit dem Käfig

Bei vollständig keramischen Lagers ist der Käfig aus Kunststoff (üblicherweise PEEK oder PTFE) gefertigt. Der Reibungskoeffizient zwischen keramischen Wälzkörpern und dem Käfig ist niedriger als bei Stahl‎‑Lagers. Deshalb ist der Beitrag des Käfigs zur Reibung – und damit zum Rollmoment – bei vollständig keramischen Lagers geringer als bei Stahl‎‑Lagers.

3. Wechselwirkung des Käfigs mit den Lagerringen

Auch in diesem Fall ist der Reibungskoeffizient zwischen Käfig und Lagerringen niedriger als bei Stahl‎‑Lagers, wodurch der Beitrag zum Rollmoment geringer ausfällt.

4. Wechselwirkung von Wälzkörpern, Käfig, Lagerringen und eventuellen Dichtungen mit dem Schmierstoff

Eine besondere Eigenschaft vollständig keramischer Lagers ist der deutlich geringere Schmierstoffbedarf im Vergleich zu Stahl‎‑Lagers; in manchen Fällen kann die Schmierung sogar vollständig entfallen. Dadurch lässt sich dieser Anteil am Rollmoment stark reduzieren.

5. Wechselwirkung der Dichtungen mit den Lagerringen

Da vollständig keramische Lagers ohnehin ein sehr niedriges Rollmoment aufweisen, werden die Dichtungen stets als nicht‑berührende Varianten ausgeführt, wodurch dieser Reibungsanteil eliminiert wird.

6. Lagerluft oder Vorspannung des Lagers

Auch bei vollständig keramischen Lagers führt eine Erhöhung der Lagerluft zu einer Verringerung des Rollmoments. Die Wahl der richtigen Spiel‑ bzw. Vorspannungsklasse kann daher einen wesentlichen Einfluss auf den endgültigen Wert des Rollmoments haben.

7. Anzahl der Wälzkörper, die die Last tragen, und damit die Art der Belastung

Für diesen Punkt gelten die gleichen Überlegungen wie bereits für Stahl‎‑Lagers beschrieben.

8. Werkstoff der Lagerringe und Wälzkörper

Die Werkstoffe, aus denen die Ringe und Wälzkörper vollständig keramischer Lagers gefertigt werden, sind weniger elastisch als Stahl und führen daher – bei gleichen übrigen Bedingungen – zu einer kleineren Kontaktfläche, was sich positiv auf das Rollmoment auswirkt.

9. Härte des Werkstoffs der Lagerringe und Wälzkörper

Die keramischen Werkstoffe, aus denen vollständig keramische Lagers gefertigt werden, weisen eine sehr hohe Härte auf, die über die Härte der gehärteten Lagerstähle liegt. Auch dies führt zu einer Verringerung der Kontaktfläche und damit zu einer Senkung des Rollmoments.

10. Rauheit der Lagerringe und Wälzkörper

Aufgrund der Eigenschaften der keramischen Werkstoffe ist die erreichbare Rauheit bei keramischen Lagers geringer als bei Stahl‎‑Lagers, wodurch der Reibungskoeffizient weiter sinkt und damit auch das Rollmoment verringert wird.

11. Genauigkeitsklasse des Lagers

Es gelten die gleichen Überlegungen wie bei Stahl‎‑Lagers. Bei steigender Genauigkeitsklasse des Lagers sinkt – bei sonst gleichen Bedingungen – das Rollmoment.

12. Temperatur des Lagers

Auch bei vollständig keramischen Lagers kann die Lagertemperatur einen Einfluss auf das Rollmoment haben. Aufgrund des niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten keramischer Werkstoffe gegenüber Stahl ist der Einfluss der thermischen Ausdehnung auf das Rollmoment jedoch geringer.

Aus dem Gesagten lässt sich schließen, dass in Situationen, in denen die Reduzierung des Rollmoments der Lagers auf ein Minimum angestrebt wird, vollständig keramische Lagers eine sehr vorteilhafte Lösung darstellen.
In jedem Fall führt der Austausch eines Stahl‎‑Lagers durch ein vollständig keramisches Lager zu einer Verringerung des Rollmoments, zur Erhöhung des Wirkungsgrades der mechanischen Übertragung und zu einer geringeren dissipierten Leistung.