Interviewpartner Dr. Stephan Tremmel (links) ist an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) Oberingenieur am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik und stellvertretender Lehrstuhlleiter. Als Projektleiter verfolgt er an der Powerwall zusammen mit seinem Kollegen David Hochrein die virtuelle Entwicklung des Prüfstands. (Bild: Schaeffler)
Sie beide kümmern sich um Innovation bei dem eigentlich sehr ausgereiften Produkt Wälzlager. Wo wollen Sie bei einem solchen Maschinenelement noch etwas Neues herausholen?
Graf-Goller: Sie haben recht, auf den ersten Blick scheint das Wälzlager in allen Bereichen ausgereift. Aber es kommen immer wieder neue Herausforderungen auf uns zu. Denken Sie zum Beispiel an das Thema Geräusch: Natürlich sollte eine Wälzlagerung schon immer leise sein. Aber wenn man sich jetzt zum Beispiel die Elektromobilität anschaut, ein reines Elektrofahrzeug, dann fällt schlagartig die größte Geräuschquelle, der Verbrennungsmotor, weg. Dadurch treten andere Geräuschquellen in den Vordergrund, etwa auch Wälzlager, die bis dahin gar nicht aufgefallen waren. Also muss man sich noch einmal Gedanken machen, wie ein Wälzlager mit der Umgebung kommuniziert und welches Geräuschverhalten sich daraus ergibt.
Dr. Stephan Tremmel, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. (Bild: FAU)
Dr. Tremmel: Ein anderer Punkt, den wir beobachten, ist Down-Sizing, also die stetige Steigerung der Leistungsfähigkeit bei kompakteren Abmessungen und geringeren Massen. Hier kommt man immer wieder an die Grenzen der derzeitigen Werk- und Schmierstoffe. Außerdem werden die Dimensionen erweitert: Auf der einen Seite haben wir eine Miniaturisierung, wenn wir zum Beispiel an die Medizintechnik denken. Auf der anderen Seite haben wir einen, ich nenne es mal Gigantismus. Denken Sie an Offshore-Windenergieanlagen oder ähnliches. Diese Trends führen zu sehr kleinen oder sehr großen Wälzlagern. Das bringt extreme Anforderungen an Fertigung und Montage mit sich. Bei extremen Betriebsbedingungen müssen wir unsere Berechnungs- und Simulationsmodelle sorgsam validieren.
Das sind ja sehr konkrete Themen. Denken Sie, gerade an der Uni, auch weiter in die Zukunft?
Dr. Tremmel: Klar. Zwei extreme Beispiele: 70 Prozent der Erde sind mit Wasser bedeckt und man darf davon ausgehen, dass die Menschheit das Meer, die Tiefsee, zunehmend erschließen möchte. Auf der anderen Seite möchten wir den Mars besiedeln, wie man in der Zeitung lesen kann. Überall dort werden Maschinen benötigt, die zuverlässig Dreh- oder Schwenkbewegungen ausführen, wo also wahrscheinlich Wälzlager zum Einsatz kommen werden. Das sind ja aus heutiger Sicht sehr, sehr unwirtliche Umgebungsbedingungen, Druck, Salzwasser, Vakuum, Strahlung. Ich denke, dafür brauchen wir ganz neue Ansätze. Das können neue Werkstoffe sein, das können Beschichtungen sein, das können Schmierstoffe sein oder sogar völlig neue Konzepte bei den Wirkprinzipien, bei den Dichtungen, bis hin zu Selbstüberwachung und Selbstheilung, wenn man ganz visionär sein will. Das sind extrem spannende Themen, mit denen wir uns auch beschäftigen müssen.
Wie gehen Sie nun bei der Optimierung oder Neuentwicklung von Wälzlagern vor? Welche Rolle spielt die Simulation dabei?
Graf-Goller: Die Simulation hat in der Wälzlagertechnik eine große Bedeutung gewonnen. Wir haben physikalische Modelle und auf deren Basis Berechnungsmethoden, die uns einen tiefen Einblick in das System Wälzlager erlauben. Einen Einblick, der am Reallager, egal ob am Prüfstand oder in der fertigen Maschine, schlicht gar nicht möglich wäre. Diese Simulationen sind ein virtuelles Abbild, ein digitaler Zwilling des Reallagers, durch den wir das Betriebsverhalten dieser Lager besser verstehen und gezielt Optimierungsmaßnahmen ergreifen können – für längere Lebensdauer, geringere Reibung, bessere Akustik. Wir können die Simulationen auch nutzen, um ungewöhnliches Betriebsverhalten oder in bestimmten Anwendungen auftretende Schadensphänomene zu erklären.
Als Wälzlagerhersteller haben wir dazu vielfältige eigene Werkzeuge: Wir haben zum Beispiel mit Caba3D eine Software zur Dynamiksimulation von Wälzlagern, mit der wir ganz tief ins Lager reinschauen sowie die Interaktion zwischen Wälzkörpern und Käfigen untersuchen und Schmierstoffzustände berücksichtigen können. Wir haben auf Systemebene Tools, etwa unser Bearinx, womit wir komplette Getriebe und größere Systeme mit Wälzlagern und elastischen Strukturen statisch berechnen können. Auf der dynamischen Seite nutzen wir dann unsere Simulationsplattform Simpla, um dynamische Systeme vom Turbolader bis zur Windkraftanlage zu untersuchen. Zu guter Letzt haben wir auch auf Einzelkontaktebene Werkzeuge wie unser Telos, das es uns ermöglicht, ganz tief in den Kontakt zu schauen, bis in die Oberflächenstruktur, um zu verstehen, wie man den Schmierfilmaufbau positiv beeinflussen kann.
