Neue Lager für Anwendungen mit hohen Drehzahlen

Neue Lager für Anwendungen mit hohen Drehzahlen

Einreihige Schrägkugellager werden typischerweise in Anwendungen wie Schrauben-, Scroll- oder Radialkompressoren (Bild 1) und Pumpen eingesetzt.

Autor:
Helmut Landerl, Projektmanager, SKF Österreich, Steyr, Österreich

Schrägkugellager

Ein klarer Trend bei Verdichter- und Pumpenanwendungen ist die Steigerung der Leistungsdichte durch Erhöhung der Drehzahl. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, hat SKF ein neues Sortiment an einreihigen Schrägkugellagern entwickelt. Dabei wurden drei Ziele verfolgt: Erhöhung der Grenzdrehzahl um 40 Prozent, Reduzierung des Geräuschpegels und Verbesserung der Robustheit des Lagers bei ungünstigen Betriebsbedingungen (Stoßbelastungen, Wellenschiefstellungen etc.). Darüber hinaus unterstützt SKF die Hersteller dabei, die Kundenwünsche nach noch höherer Energieeffizienz und Zuverlässigkeit zu erfüllen.

Zusammenfassung

Das neue einreihige SKF Explorer Schrägkugellager-Sortiment mit einem Berührungswinkel von 25° zeichnet sich durch einen neuen Messingkäfig und eine optimierte ­Laufbahngeometrie aus, hält deutlich höheren Drehzahlen stand (bis n×dm = 1.050.000 mm/min) und ist unter anspruchsvollen Einsatzbedingungen robuster als einreihige SKF Explorer Schrägkugel­lager mit einem Berührungswinkel von 40°.

Das neue Sortiment mit einem Berührungswinkel von 25° und einem Bohrungsdurchmesser von 15 mm bis 70 mm in der Lagerreihe 72 AC und von 17 mm bis 70 mm in der Lagerreihe 73 AC wurde im April 2017 auf den Markt gebracht und ist ab Lager oder kurzfristig lieferbar.

Dank der modularen Ausführung der einreihigen Schrägkugellager können Käfig, Dichtungen und ­Berührungswinkel beliebig kombiniert werden, um den Anforderungen neuer Kompressorgenerationen optimal zu entsprechen. Aufgrund der höheren Energieeffizienz und Zuverlässigkeit können die Gesamtbetriebskosten der Betreiber entsprechender Anwendungen weiter reduziert werden.

Radialkompressor

Bild 1: Radialkompressor

Auf Basis einiger Konzeptstudien wurden folgende Merkmale entwickelt und im neuen einreihigen SKF Explorer Schrägkugellager-Sortiment umgesetzt:

  • Berührungswinkel von 25°
  • neue Käfigausführung, hochfestes Messingmaterial
  • optimierte Laufbahngeometrie.

Berührungswinkel von 25°

Einreihige Schrägkugellager haben standardmäßig einen Berührungswinkel von 40°. In Anwendungen mit hohen Anforderungen an die axiale Steifigkeit, wie beispielsweise bei Spindelantrieben von Werkzeugmaschinen, werden häufig Schrägkugellager mit größeren Berührungswinkeln (z. B. 62°) eingesetzt. Bei Lagern in schnell drehenden Anwendungen mit geringen Axiallasten wird ein kleinerer Berührungswinkel (z. B. 15° oder 25°) bevorzugt.

In Tabelle 1 ist der Einfluss von 40°- und 25°-Berührungswinkeln auf die Lagereigenschaften dargestellt.

Einfluss von 40°- und 25°-Berührungswinkeln auf die Lagereigenschaften.

Tabelle 1: Einfluss von 40°- und 25°-Berührungswinkeln auf die Lagereigenschaften.

Lagerkinematische Effekte von unterschiedlichen Berührungswinkeln (Bild 2)

Bei rein axialer Belastung eines einreihigen Schrägkugellagers werden die resultierenden Kontaktkräfte zwischen Kugeln und Ringen bei kleineren Berührungswinkeln größer. Bei Rotation des Lagers bewirken Fliehkräfte (Fc) eine Änderung des Berührungswinkels. Die Kontaktpunkte zwischen Innenring und Kugeln sowie zwischen Außenring und Kugeln wandern nach außen. Dieser Effekt bewirkt eine Änderung des Berührungswinkels (∆α) und infolgedessen eine Erhöhung des Gleitanteils zwischen den Kugeln und ­Ringen. Wird bei einreihigen Schrägkugel­lagern mit ­unterschiedlichen Berührungswinkeln die gleiche Axiallast aufgebracht, fällt die Berührungswinkeländerung bei Lagern mit kleineren Berührungswinkeln wesentlich geringer aus. Bild 3 zeigt die Berührungswinkel­änderung im Fall von einreihigen Lagern des Typs 7313 mit Berührungswinkeln von 40° und 25° bei unterschiedlichen Drehzahlen.

Kinematische Effekte bei Schrägkugellagern mit Berührungswinkeln von 40° und 25°.

Bild 2: Kinematische Effekte bei Schrägkugellagern mit Berührungswinkeln von 40° und 25°.

Geringere Berührungswinkeländerungen reduzieren nicht nur die Gleitbewegungen zwischen Kugeln und Ringen, sondern auch die Kontaktkräfte in den Käfigtaschen. Aus diesem Grund können Lager mit einem Berührungswinkel von 25° bei höheren Drehzahlen betrieben werden, ohne Käfigbrüche zu verursachen.

Änderung des Berührungswinkels bei unterschiedlichen Drehzahlen.

Bild 3: Änderung des Berührungswinkels bei unterschiedlichen Drehzahlen.

Optimierte Messingkäfigausführung

In schnell drehenden Anwendungen stellt der Käfig eine kritische Lagerkomponente dar. Daher wurde ein neuer Messingkäfig für Lager mit einem Berührungswinkel von 25° entwickelt. Bei der neuen Käfigausführung wurden folgende Optimierungen umgesetzt:

  • torusförmige Käfigtaschen (Bild 4)
  • Reduzierung des Käfigtaschenwinkels
  • optimiertes Käfigführungsspiel
  • ovale Käfigtaschen
  • optimierte Außenkontur
  • neuer Messingwerkstoff mit erhöhter Materialfestigkeit und reduziertem Bleigehalt.
Querschnitt durch eine Käfigtasche; links: bisherige Ausführung

Bild 4: Querschnitt durch eine Käfigtasche; links: bisherige Ausführung, Kombination aus Zylinder (1) und Konus (2); rechts: neue Ausführung, Kombination aus Zylinder (3) und verrundetem Torus (4).

Die Geometrie der Käfigtaschen wurde mithilfe einer FE-Analyse optimiert. Alle Simulationen wurden mit BEAST, einer leistungsfähigen firmeneigenen Simulationssoftware, durchgeführt. Die Kontaktkräfte zwischen Käfig und Kugeln wurden in unterschiedlichen Betriebsbedingungen und mit verschiedenen Taschengeometrien analysiert (Bild 5).

Kontaktkräfte in den Käfigtaschen.

Bild 5: Kontaktkräfte in den Käfigtaschen.

Mittels FE-Analysen konnten verschiedene Käfigausführungen hinsichtlich Kontaktspannungen und Reibung rasch miteinander verglichen werden. Für eine umfassende Verifizierung neuer Produkte sind Prüfstandstests jedoch unerlässlich. Neben Robustheits- und Reibungstests wurden zahlreiche Prüfläufe mit sehr hohen Drehzahlen durchgeführt, um die Leistungsfähigkeit des Käfigs auszutesten. Aufgrund der positiven Testergebnisse konnte die Grenzdrehzahl für den neu entwickelten Messingkäfig um etwa 30 Prozent erhöht werden (Bild 6).

Grenzdrehzahlvergleich

Bild 6: Grenzdrehzahlvergleich

Der optimierte (torusförmige) Kugel-/Käfigkontakt bewirkt vor allem bei hohen Drehzahlen ein stabileres Temperaturverhalten und eine bessere Schmierfilmbildung. Durch die ovale Ausführung der Käfigtaschen, mit reduziertem Spiel in axialer Richtung, gelang es, die Geräusch- und Schwingungspegel um 15 Prozent zu verringern.

Käfigkosten

Um ein neues Produkt erfolgreich vermarkten zu können, sind zwei Faktoren von entscheidender Bedeutung: Kundennutzen und Kosten.

Aus diesem Grund wurden vor allem die Käfigkosten während des gesamten Entwicklungsprozesses des neuen Käfigs genau betrachtet. Flexible Fertigungsprozesse machten es möglich, komplexere Geometrien ohne zusätzlichen Bearbeitungsaufwand zu realisieren. Darüber hinaus konnte durch eine Verringerung des Rohmaterialrohrquerschnitts (Bild 7) die Bearbeitungszeit der Drehoperation reduziert werden.

Querschnitte des Rohmaterialrohres (links: bisherige Ausführung; rechts: neue Ausführung).

Bild 7: Querschnitte des Rohmaterialrohres (links: bisherige Ausführung; rechts: neue Ausführung).

Aufgrund der signifikanten Leistungssteigerung wird dieser optimierte Messingkäfig nun auch anstelle der bisherigen Käfigausführung des Lagersortiments mit einem Berührungswinkel von 40° der Reihen 72 B(E) und 73 B(E) eingesetzt, wobei die Lagerbezeichnung unverändert bleibt.

Optimierte Laufbahngeometrie

Das Laufbahnprofil von Kugellagern entspricht normalerweise einem Kreisbogen. Unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen mit axialen Stoßbelastungen und Wellenschiefstellung kann es vorkommen, dass die Kontaktellipse bis zum Schulterrand reicht (Ellipsenabschneidung), was zu hohen Spannungsspitzen führt. Diese ungünstigen Belastungen können zu frühzeitigen Lagerschäden und ausfällen führen. Um dieses Risiko zu verringern, wurde die Laufbahngeometrie bei Lagern mit einem Berührungswinkel von 25° dahingehend optimiert, dass ein zweiter Kreisbogen (r2) mit größerer Schmiegung implementiert wurde (Bild 8).

Neue Ausführung: Laufbahngeometrie.

Bild 8: Neue Ausführung: Laufbahngeometrie.

Ansprechpartner Verkauf

evolution@skf.com

Das Risiko von Ellipsenabschneidung wurde durch die neue Laufbahngeometrie deutlich verringert. Einreihige Schrägkugellager mit der optimierten Laufbahnform können im Vergleich zu Lagern mit konstantem Laufbahnradius bis zu dreimal höhere Axialkräfte aufnehmen, ohne eine Ellipsenabschneidung zu verursachen. Aufgrund der kleineren Kontaktfläche treten abhängig von den axialen und radialen Lasten etwas höhere Kontaktspannungen auf, welche bei typischen Betriebsbedingungen jedoch immer kleiner als ein Prozent sind.

SKF Explorer ist ein eingetragenes Markenzeichen der SKF Group.

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