Die fortschreitende Weiterentwicklung der Automobilindustrie führt dazu, dass die neueste Generation von Fahrzeugen von Trends zur Elektrifizierung, Konnektivität und zum autonomen Fahren geprägt ist und damit neue Anforderungen an Leistung, Effizienz und Sicherheit stellt. Der Wandel hin zur Elektrifizierung führt dazu, dass herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor schrittweise durch Hybrid- und batterieelektrische Fahrzeuge (BEVs) ersetzt werden. Aus Emissionssicht steigert dieser Übergang zu Hybrid- und Elektrofahrzeugen die betriebliche Effizienz und verbessert gleichzeitig das Fahrerlebnis in Bezug auf Fahrzeugdynamik und Fahrgastkomfort.
Die Fahrzeugeffizienz gilt als eine der wichtigsten Leistungskennzahlen für moderne Automobile. Die Minimierung von Reibungsverlusten zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Vergrößerung der Reichweite ist für zahlreiche Hersteller seit langem eine wichtige Designpriorität. Dies liegt daran, dass Reibungsverluste, die den mechanisch beweglichen Teilen verschiedener Automobilsysteme – einschließlich des Verbrennungsmotors, des Getriebes, des Differentials und der Radbaugruppen – innewohnen, eine Hauptquelle für die Verlustleistung darstellen. Im Vergleich zu Hybridfahrzeugen und konventionellen Verbrennungsmotoren (ICE) verfügen vollelektrische Fahrzeuge über etwa 100-mal weniger bewegliche Komponenten. Während herkömmliche Fahrzeuge und viele Hybridfahrzeuge typischerweise auf Verbrennungsmotoren als primäre Antriebsquelle basieren, werden diese durch kompaktere und leistungsstärkere Elektromotoren ersetzt. Diese Motoren bestehen aus weitaus weniger beweglichen Teilen, was das Antriebsstrangsystem erheblich vereinfacht.
1. Elektrofahrzeuge: weniger Lager, höhere Anforderungen
Unabhängig vom Fahrzeugtyp und der Antriebsstrangkonstruktion bleiben Kugellager kritische Komponenten bei jeder Form der Kraftübertragung und -bewegung, insbesondere wenn die Minimierung von Reibungsverlusten von größter Bedeutung ist. Herkömmliche Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind stark auf Lager angewiesen, um die ordnungsgemäße Funktion verschiedener Systeme und Komponenten sicherzustellen, einschließlich des Verbrennungsmotors selbst, des Getriebes, des Differentials, des Lenksystems, des Bremssystems, der Radbaugruppen und anderer Fahrzeugteile. In vollelektrischen Fahrzeugen übernehmen Lager analoge Funktionen wie in herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor. Allerdings reduziert die vereinfachte Antriebsstrangarchitektur von Elektrofahrzeugen die Anzahl der Lager, die für den Motor, das Untersetzungsgetriebe und die Differentialbaugruppe erforderlich sind. Diese drei Subsysteme sind typischerweise in einer einzigen Einheit integriert, die üblicherweise als elektrisches Antriebssystem bezeichnet wird (Abbildung 1).
Die Elektrifizierung wirkt sich nicht nur durch die Vereinfachung des Designs auf Fahrzeugantriebsstränge aus, sondern beeinflusst auch erheblich die Designanforderungen für verschiedene Antriebsstrangsysteme und -komponenten. Um die Gesamtleistungseffizienz des Fahrzeugs zu verbessern und die Reichweite von reinen Elektrofahrzeugen und vielen Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeugen (PHEVs) zu erweitern, besteht eine Strategie der Automobil-Erstausrüster in der Gewichtsreduzierung durch den Einsatz leichter Materialien und die Verkleinerung verschiedener Systeme und Komponenten. Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren liefern Elektromotoren in der Regel eine höhere Leistung pro Gewichtseinheit (Kilowatt pro Kilogramm), was angesichts der naturgemäß größeren Masse von Elektrofahrzeugen aufgrund ihres relativ hohen Batteriegewichts von großem Vorteil ist. Dennoch werden aus Gewichtssicht das elektrische Antriebssystem und der Elektromotor oft als Bereiche angesehen, die einer weiteren Verbesserung bedürfen, um eine zusätzliche Gewichtsreduzierung zu erreichen.
2. Gewichtsreduktion hat zu erhöhten Anforderungen geführt.
Lager, die in Hybrid- und vollelektrischen Antriebssträngen eingesetzt werden, müssen deutlich höheren Drehzahlen und Temperaturen standhalten als diejenigen, die in Fahrzeugen mit konventionellem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen. Der anhaltende Trend zur Gewichtsreduzierung bei Elektrofahrzeugen wird die Anforderungen an Lager in Elektromotoren und Antriebssystemen weiter erhöhen. Über diese Hochgeschwindigkeits- und Hochtemperaturanforderungen hinaus müssen diese Hochgeschwindigkeitslager auch mit geringer Reibung und geringem Geräuschpegel arbeiten und die verschiedenen Fette und/oder Öle verwenden, die üblicherweise als Schmiermittel in Lagern verwendet werden.
Darüber hinaus nutzen elektrische Antriebssysteme zunehmend höhere Busspannungen und Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid-Wechselrichter, um die Gesamteffizienz zu verbessern. Dies erhöht jedoch gleichzeitig das Risiko von Lager- (und Getriebe-)Schäden aufgrund des Stromflusses durch die Wälzkörper. Um die durch Streuströme verursachten Probleme der elektrischen Erosion zu überwinden, haben Lagerhersteller verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Derzeit werden verschiedene Isolationslösungen untersucht oder getestet. Die zuverlässigste und leistungsfähigste Lösung war bislang jedoch der Einsatz von Hybridlagern mit Keramikwälzkörpern (siehe Titelbild). Diese gewährleisten die erforderliche elektrische Isolationsfunktion bei geringsten Reibungsverlusten.
3.Welche Materialien können verwendet werden?
Wälzlager nutzen Wälzkörper wie Kugeln oder Zylinderrollen, um ihre Hauptfunktion zu erfüllen: Kraft und Bewegung mit möglichst geringer Reibung zu übertragen. Um diese Wälzkörper korrekt innerhalb der Lagereinheit zu sichern, ist ein Lagerkäfig erforderlich (Abbildung 2). Lagerkäfige können entweder aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden. Zu den gängigen Materialien für Lagerkäfige aus Metall gehören Stahl und Messing, die typischerweise durch Stanzen oder maschinelle Bearbeitung hergestellt werden. Kunststofflagerkäfige werden aus spritzgießbaren technischen Polymeren hergestellt, am häufigsten sind Polyamid und Polyetheretherketon (PEEK).
Polyamid 66 (PA66) und Polyamid 46 (PA46) bieten, wenn sie mit Glasfasern verstärkt sind, deutliche Vorteile für Kraftübertragungssysteme im Automobil. PA66 verfügt über eine hervorragende mechanische Festigkeit, Zähigkeit und chemische Beständigkeit, was es zur idealen Wahl für langlebige und belastbare Produkte macht. Seine gute Hitzebeständigkeit und Dimensionsstabilität erhöhen seine Vielseitigkeit zusätzlich. Im Gegensatz dazu zeichnet sich PA46 aufgrund seiner überlegenen thermischen Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen aus. Aufgrund seiner besseren Fließeigenschaften wird PA46 für Anwendungen bevorzugt, die eine außergewöhnliche Leistung erfordern. Bei der Auswahl zwischen PA66 und PA46 ist eine umfassende Bewertung der Kosteneffizienz und der mechanischen Eigenschaften im Hinblick auf spezifische Anwendungsanforderungen unerlässlich, um eine optimale Leistung zu erzielen.
Glasfaserverstärktes PA66 wird häufig als kostengünstige Lösung für Anwendungen eingesetzt, die bei Temperaturen bis etwa 120 °C betrieben werden. Glasfaserverstärktes PA46 wird typischerweise in Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt, bei denen PA66 nicht ausreicht, und dient gleichzeitig als wirtschaftlichere Alternative zu PEEK. Für Bedingungen mit anhaltenden Temperaturen über 150 °C und/oder korrosiven chemischen Umgebungen ist PEEK eine geeignete Wahl.
4. Versagensarten von Kunststoffhalterungen
Im Betrieb sind Kunststoffkäfige typischerweise den kombinierten Auswirkungen thermischer, mechanischer, chemischer und Reibungsbelastungen ausgesetzt. Wenn der Kunststofflagerkäfig seine Leistungsgrenzen überschreitet, kann es zu einem Ausfall kommen. Ein häufig beobachteter Versagensmodus ist die Verformung des Käfigs unter hohen Zentrifugalkräften (hervorgerufen durch hohe Drehzahlen, siehe Abbildung 3), was im schlimmsten Fall möglicherweise zur vollständigen Zerstörung des Käfigs führt. Im Hochgeschwindigkeitsbetrieb ist der Käfig extrem hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt, wobei Spitzentemperaturen von über 150 °C keine Seltenheit sind.
Eine Verformung des Käfigs beeinträchtigt die Lagerleistung, da sie zu unbeabsichtigtem Kontakt und Gleiten zwischen dem Käfig und den Wälzkörpern oder zwischen dem Käfig und dem Innen- oder Außenring des Lagers führen kann. Ein unbeabsichtigter Kontakt zwischen dem Kunststoffkäfig und anderen (metallischen) Lagerkomponenten führt typischerweise zu erhöhter Reibung, übermäßiger Erzeugung von Reibungswärme, erhöhten Lagerbetriebstemperaturen und einer verkürzten Käfiglebensdauer.
Hochgeschwindigkeitslager werden mit Fett oder Öl geschmiert, was eine langfristige chemische Verträglichkeit zwischen dem Kunststoffkäfig und dem Schmierstoff erfordert. Folglich muss das ausgewählte Kunststoffmaterial seine Festigkeitseigenschaften auch nach längerer Einwirkung des verwendeten Schmiermittels beibehalten.
5. Langlebiger, kompakter Halter
Das Stanyl®-Material von Enhalic ist eine PA46-Verbindung mit einer Kristallinität von etwa 70 %. Diese hohe Kristallinität verleiht ihm überlegene Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Temperaturen und macht es zu einem hervorragenden Hochtemperatur-Polyamidmaterial.
Neben hoher Härte und Festigkeit weist es im Vergleich zu Polyamiden wie PA66 eine überlegene Ermüdungsbeständigkeit, Kriechfestigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Aufgrund seiner hohen Steifigkeit und Kriechfestigkeit behalten Lagerkäfige auch bei erhöhten Temperaturen eine außergewöhnliche Steifigkeit bei und widerstehen Verformung und Kriechen – besonders wichtig, da Lager in thermischen Umgebungen häufig mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden. Dieses PA46-Material weist eine etwa 30 % höhere Steifigkeit als PA66 auf und ermöglicht die Konstruktion steiferer Käfige, die der Verformung unter hohen Zentrifugallasten standhalten (Abbildung 4).
Neben hoher Steifigkeit und Kriechfestigkeit bieten Stanyl®-Materialien eine hohe Bindenahtfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Schlagfestigkeit. Diese Kombination von Festigkeitseigenschaften macht den Käfig robuster und langlebiger. Schweißnähte sind oft schwer zu vermeiden und können bei bestimmten Käfigkonstruktionen sogar unvermeidbar sein; Allerdings verringern die Eigenschaften hochfester Polymere das Risiko eines vorzeitigen Käfigausfalls und verlängern so die Lagerlebensdauer. Dieses Material ist außerdem beständig gegen die meisten Automobilöle und -fette (Abbildung 5).
6. 1.800.000 N·m Wälzlager
Die Käfigverformung (bekannt als Regenschirmeffekt) ist der primäre limitierende Faktor für die Lagergeschwindigkeitsleistung. Die hohen Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften des Stanyl®-Materials verbessern nicht nur die Rotationsgeschwindigkeiten, sondern erhöhen auch die Designflexibilität. SKF nutzt dieses Material zur Optimierung des Käfigdesigns und gewährleistet so eine hervorragende Toleranz für hohe Beschleunigung/Verzögerung und Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Das Hochgeschwindigkeitswälzlager 1.8 (SKFHSBB1.8) von SKF erreicht einen mittleren Lagerdurchmesser (nm) von 1.800.000. Der mittlere Lagerdurchmesser dient als Indikator für die Drehzahl innerhalb des Lagergrößenbereichs. Ein höherer ndm-Wert bedeutet eine höhere Geschwindigkeitsfähigkeit. Die Massenverteilung des Käfigs wurde optimiert und die Dicke des Käfigskeletts verstärkt, um die Käfigbelastung durch den Schirmeffekt des Käfigs und die Zentrifugalkräfte zu minimieren (Abbildung 6). Dadurch wird die Ermüdungslebensdauer des Käfigs erhöht. Durch den Einsatz von Kugellagern können Motoren eine höhere Leistungsdichte erreichen.
Eine Möglichkeit, das Gewicht von Elektromotoren und Antriebswellen zu reduzieren, besteht darin, die Motorgröße zu verringern; Dieser Ansatz selbst kann sich jedoch negativ auf das Ausgangsdrehmoment des Motors und die Beschleunigungsleistung des Fahrzeugs auswirken. Um den Leistungsverlust auszugleichen, kann die Drehzahl des Motors erhöht werden, wodurch eine ähnliche Leistung bei geringerem Motorgewicht und verbesserter Leistungsdichte erreicht wird (Abbildung 7). Neben der Gewichtsreduzierung spart ein kompakterer Motor auch Platz und erzeugt dennoch die erforderliche Ausgangsleistung. Ein weiterer Vorteil kompakterer Motoren besteht darin, dass für ihre Konstruktion in der Regel weniger teure Seltenerdmaterialien erforderlich sind, was weitere Möglichkeiten für Kosteneinsparungen bietet.
7. 20.000 U/min-Motor
Leistungsstarke, kompakte Motoren arbeiten typischerweise mit hohen Drehzahlen. Solche Geräte mit hoher Leistungsdichte können problemlos 20.000 Umdrehungen pro Minute erreichen oder überschreiten. Motoren, die bei diesen hohen Drehzahlen arbeiten, müssen nicht nur einen zuverlässigen Betrieb bieten, sondern auch einen hohen Wirkungsgrad bei minimalen reibungsbedingten Leistungsverlusten aufrechterhalten. Der im SKF HSBB1.8 eingesetzte Stanyl®-Käfig ermöglicht diese hohen Drehzahlen und erleichtert so die Konstruktion von Motoren mit noch höherer Leistungsdichte.
Neben Lagerkäfigen für Wälzlager wird dieser PA46-Werkstoff auch in großem Umfang in Gleitlagern und Buchsen (auch Gleitlager genannt) eingesetzt. Im Gegensatz zu Wälzlagern, die auf Rollbewegungen basieren, funktionieren Gleitlager und Buchsen durch Gleitbewegungen. Aus tribologischer Sicht stellt dieser Lagertyp daher oft eine außergewöhnlich hohe Leistung sicher. Aufgrund der Hochtemperatur-, Reibungs- und Verschleißeigenschaften des PA46-Materials eignet sich Stanyl® hervorragend für Gleitlager und Buchsen. Seit 30 Jahren wird dieser Werkstoff erfolgreich in Gleitlagern eingesetzt. Zu den Anwendungsbeispielen gehören Buchsen und Reibbeläge, die in Riemenspannern des Front-End-Hilfsantriebs (FEAD) verwendet werden (Abbildung 8), sowie verschiedene andere Allzweckbuchsen und Anlaufscheibenkomponenten in Getrieben und anderen Anwendungen.
Um die Reibungseigenschaften von Materialien weiter zu verbessern, enthalten viele Formulierungen von Enhance reibungsarme Verschleißadditive. Diese Additive basieren entweder auf Polytetrafluorethylen (PTFE) oder sind PTFE-frei. Die PTFE-freien Materialien können als Alternativen zu PTFE-haltigen Polymeren dienen, darunter POM, PA66, PPS und PPA.
