Leichtbaulager aus dem 3D-Drucker, Bild: Franke

Bei Franke beschäftigt man sich mit dem Thema 3D-Druck. Vor allem ein Vorteil für Leichtbaulager, die für die Luft- und Raumfahrt bestimmt sind. Bild: Franke

Wälzlager sind Maschinenelemente, die im Maschinen- und Gerätebau bewegliche Bauteile gegeneinander führen und verbinden. Sie ermöglichen Bewegungen in einem festgelegten, gewünschten Umfang. Das macht sie zu unverzichtbaren Komponenten und zu finden sind sie nahezu überall: in riesigen Dimensionen in Windkraftanlagen oder in winzig klein im Einsatz in Bedien­elementen. Aber jede Branche hat dabei ihre ganz eigenen Anforderungen.

Die Giganten unter den Lagern: Einsatz in Windkraftanlagen

Windkraftanlage, Bild: Fotolia - hykoe
Die Wartung einer Windkraftanlage ist aufwendig und kostspielig, daher werden von Lagern in diesem Bereich höchste Standzeiten erwartet. Bild: Fotolia - hykoe

Die dynamischen Belastungen für Antriebskomponenten sind in Windenergieanlagen außerordentlich hoch und aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit müssen alle Komponenten im Antriebsstrang hohe Standzeiten bieten. Eine weitere Herausforderung ergibt sich aus dem Wunsch der Anlagenhersteller nach möglichst kompakten und leichten Antriebselementen. Unter diesen Voraussetzungen bietet es, nach Ansicht des Lagerherstellers NSK, Vorteile, Wälzlager im Hauptgetriebe der Windenergieanlagen in die jeweilige Umgebungskonstruktion zu integrieren. Diese Baueinheiten leisten einen Beitrag zur Einsparung von Bauraum und Gewicht, zudem vereinfacht sich die Montage.

Aktuell hat das Unternehmen in Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Getrieben für Windenergieanlagen zweireihige Kegelrollenlager in O-Anordnung entwickelt, die in den Planetenstufen der Getriebe zum Einsatz kommen. Diese Lager werden ohne Außenring gefertigt und direkt ins Getriebe integriert. Die einzelnen Planetenräder sind innen mit den Laufbahnen für die Wälzkörper versehen.

In einer ähnlichen Anwendung – ebenfalls für die Windtechnik – werden statt Kegelrollenlagern vierreihige Zylinderrollenlager als integrierte Lager ohne Außenring verwendet. Bei vier Planeten einer Stufe umfasst ein Lagersatz dann insgesamt 16 Reihen. NSK bietet für diese Bauform abgestimmte Lagersätze mit reduzierten Toleranzen von Bohrung und Hüllkreisdurchmesser über alle Lagerreihen der Planeten einer Planetenstufe an. Die hochpräzise Fertigung nach dem „Wind Standard U 303“ trägt entscheidend zu einer gleichmäßigen Belastung aller Lagerreihen dieser integrierten Zylinderrollenlager und damit zu bestmöglicher Gesamtlebensdauer bei.

Auch bei Schaeffler hat man sich mit dem Feinschliff für bessere Lager für den Einsatz in Windkraftanlagen beschäftigt, da man der Lagerung der Rotorwelle in Windkraftanlagen eine zentrale Bedeutung beimisst. Das Festlager ist dabei besonders hohen Axiallasten ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund hat das Unternehmen seine Standard-Pendelrollenlager optimiert, um den spezifischen Anforderungen für den Einsatz in Windkraftanlagen noch besser gerecht zu werden. Zusätzlich entwickelte Schaeffler ein asymmetrisches Lager-Design.

Im Bereich der Mikro-Geometrie verbesserten die Entwickler die Oberflächen, um die Reibung und damit Energieeintrag und Verschleiß zu reduzieren. Darüber hinaus passten sie die Schmiegung an, um die Wälzkörpernormalkräfte über eine große Fläche zu übertragen und so die Kontaktpressungen zu reduzieren. Zusätzlich wurden die Wälzkörper endprofiliert. Die Anpassungen in der Makro-Geometrie umfassten vor allem zwei Punkte. Zum einen reduzierten die Ingenieure die initiale Lagerluft und verbesserten so das Betriebsspiel. Dadurch reduzierten sie die Wälzkörperkräfte und das axiale Schieben des Antriebsstranges. Zweitens verwendeten sie einen festen Mittelbord für die Festlagerung des Windturbinen-Rotors und erhöhten so die axiale Steifigkeit, was die axiale Verlagerung des Antriebsstrangs reduziert.

Außerdem kann durch den festen Mittelbord die Kontaktpressung entlang der Rolle besser verteilt werden. Mit beiden Maßnahmen gelang es den Ingenieuren, die Robustheit der Lager gegen Verschleiß zu erhöhen, der insbesondere durch axiale Verschiebungen entsteht. Im Zuge der Validierung wurden die Lager erfolgreich umfangreichen Tests für das Schaeffler-Gütesiegel „X-life“ unterzogen. Die dazu notwendigen Validierungsschritte sind vom Germanischen Lloyd zertifiziert worden (Zertifikat GL-CER-002-2015).

Das asymmetrische Lagerdesign bedeutet einen noch weitergehenden Schritt. Es erhöht die axiale Tragfähigkeit und damit die Gebrauchsdauer der Hauptlager in Windkraftanlagen signifikant. Es ermöglicht einen höheren Druckwinkel auf der axial belasteten Lagerreihe und einen flacheren Druckwinkel auf der hauptsächlich radial belasteten Lagerreihe. Dadurch werden eine bessere Lastverteilung, weniger Kontaktpressungen und eine signifikante Reduzierung des axialen Schiebeweges erreicht.