Hybridlager eignen sich für besonders anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise in Flugzeugtriebwerken oder auch ölfreien Kompressoren von Kältemaschinen.
Foto: SKF

Antriebs- und Steuerungstechnik

SKF erforscht Einsatzgrenzen von Hybridlagern

Neue Forschungsergebnisse von SKF könnten Hybridlager nicht nur kostengünstiger, sondern auch noch zuverlässiger machen.

Hybridlager kombinieren gehärtete Stahlringe mit Wälzkörpern aus einer Hochleistungskeramik. Derartige Lager stellten eine äußerst interessante Alternative für besonders herausfordernde Einsatzzwecke dar: Sie übertreffen „herkömmliche“ Lagerdesigns hinsichtlich ihrer Laufeigenschaften, wenn es etwa um hohe Drehzahlen und Temperaturen oder auch schlechte Schmierungsbedingungen geht.

Aufgrund dieser Vorteile finden Hybridlager beispielsweise in Triebwerken und ähnlich anspruchsvollen Aggregaten der Luft- und Raumfahrtindustrie Verwendung. Da sie außerdem über einen hohen elektrischen Widerstand verfügen, sind sie auch für den Einsatz in Elektromotoren von drehzahlvariablen Antrieben sowie für Generatoren besonders geeignet: Dort wirken sie Streuströmen entgegen, die die Oberflächen normaler Stahl-Lager beschädigen können.

Licht und Schatten

Keramische Werkstoffe weisen diverse Charakteristika auf, die sie für Lageranwendungen geradezu prädestinieren. So sind moderne Keramiken wie Siliziumnitrid nicht nur sehr hart, sondern auch sehr leicht und können zudem mit einer extrem glatten Oberfläche hergestellt werden.

Allerdings gibt es auch einige Nachteile. Beispielsweise war bis dato nicht hinreichend bekannt, in welchem Ausmaß die Robustheit der Keramik unter kleinsten Unreinheiten innerhalb des Werkstoffs oder an dessen Oberfläche leidet. Allen bisherigen Anstrengungen zum Trotz lagen die Schadens-Toleranzen somit noch ein wenig im Dunkeln – ein Umstand, der die Integrität der in den Hybridlagern verbauten keramischen Wälzkörper gefährden konnte.

Um dieser Gefahr vorzubeugen, werden keramische Lagerkomponenten unter extrem strengen Qualitätskontrollen hergestellt. Auch bei ihrer Montage ist große Sorgfalt geboten, sodass sie vor ihrer Freigabe zum Einsatz noch einmal gewissenhaft geprüft werden. Dadurch entstehen Produkte, die in der Praxis hervorragend funktionieren. Andererseits treibt dieser Prozess auch die Kosten der Lager in die Höhe, was die breitere Anwendung der Hybridlagertechnologie bislang einschränkt.

Blick in den Mikrokosmos

Eine besondere Herausforderung für die Hersteller resultiert beispielsweise daraus, dass keine „historisch gewachsenen“ Modelle für die Vorhersage von Einsatzgrenzen beziehungsweise des Versagens von Hybridlagern existieren. Einige Oberflächenimperfektionen mögen so winzig sein, dass sie überhaupt keinen Einfluss auf die Leistung oder Langlebigkeit eines Lagers haben. Aber ohne genau zu wissen, in welchem Bereich sich die akzeptablen Grenzen bewegen, sind die Hersteller gezwungen, eine äußerst „konservative“ Linie zu verfolgen – sprich: aus Sicherheitsgründen auch solche Komponenten auszusortieren, die ihren Job womöglich doch einwandfrei erledigt hätten.

Nun hat ein Team des niederländischen Forschungs- und Entwicklungszentrums von SKF einen Weg gefunden, der die Qualitätskontrollen von Keramikprodukten vereinfacht: Die Gruppe hat ein neues prädiktives Modell der Schadenstoleranz für keramische Wälzkörper in Hybridlagern entwickelt. Mit dessen Hilfe können die Forscher genau eruieren, unter welchen Betriebsbedingungen und ab welchem Schwellenwert ein mikroskopisch kleiner „Defekt“ ein Problem darstellen könnte.

Systematische Stresstests

Das Team stützte seine Forschung auf eine umfangreiche Testreihe mit Hybridlagern und Keramikkomponenten. Dabei wurden vorsätzlich mikroskopisch kleine Imperfektionen in die Oberflächen von keramischen Wälzkörpern eingebracht; so etwa gelegentlich zu beobachtende Kontaktspuren oder auch Ring- bzw. C-Risse sowie Poren und Materialausbrüche. Zu diesem Zweck wurde die Keramikkugel-Oberfläche beispielsweise systematisch mit kontrollierten Schlägen bis hin zur Rissbildung malträtiert oder auch per Laser bearbeitet, um ein Loch bzw. eine Pore von exakt vordefinierter Größe und Form zu erzeugen.

Die derartig angeschlagenen Lager bzw. keramischen Komponenten landeten dann auf einem Wälzkontakt-Ermüdungsteststand, der die Prüflinge unter den unterschiedlichsten Belastungs- und Schmierbedingungen an ihre Grenzen oder auch darüber hinaus trieb. So wiederholte das Team seine Experimente mit verschiedenen Arten und Größen von Fehlern. Dabei wurden immer wieder Lager schon vor ihrem Versagen vom Prüfstand geholt, um unter dem Mikroskop nachvollziehen zu können, wie genau sich welche Fehler unter welchen Bedingungen durch den Werkstoff ausbreiten.

Vom Test zum Modell

Auf Basis der dabei gewonnenen Erkenntnisse entwickelte das SKF Forscherteam ein erweitertes Modell, mit dem sich die Einsatzgrenzen von keramischen Wälzkörpern vorhersagen lassen. „Die Bruchmechanik bildet sicherlich die Grundlage unserer Arbeit“, so der SKF Chefwissenschaftler Junbiao Lai, „aber darüber hinaus haben wir einige wichtige Untersuchungsaspekte hinzugefügt. Schließlich wollten wir den einzigartigen Eigenschaften und Versagensmechanismen von keramischen Materialien unter praxisgerechten Betriebsbedingungen von Hybridlagern auf die Schliche kommen!“

Zu diesem Zweck berücksichtigt das neue Modell etwa auch die Wechselwirkungen zwischen den Lagerlaufbahnen und dem Schmiermedium. „Schmierstoff, der in einer Pore oder einem Hohlraum an der Laufbahnoberfläche des Lagers eingeschlossen wird, gerät durch die Belastung des Lagers unter Druck. Das kann zu Zugspannungen führen, die die Dauerfestigkeit des Materials beeinträchtigen.“

Lai weiter: „Das frisch erworbene Wissen setzt unsere Kollegen in der Produktion in die Lage, ihre Fertigungstoleranzen zu optimieren, unnötigen Ausschuss zu minimieren und ihre Herstellungs-, Montage- und Handhabungsverfahren zu verbessern. Letztlich könnte das auch dazu beitragen, dass Hochleistungs-Hybridlager kostengünstiger werden, sodass künftig immer mehr Anwendungen von ihren einzigartigen und überaus nützlichen Eigenschaften profitieren!“

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