Nadellager: 60 Jahre und immer noch in Entwicklung

Jul 20, 2023

Während sich das grundlegende Design eines Nadellagers in den letzten 60 Jahren nicht wesentlich verändert hat, haben kontinuierliche Weiterentwicklungen zu neuen Käfigdesigns geführt, die eine fünfmal längere Lebensdauer und eine doppelt so hohe statische Tragzahl im Vergleich zu ihren ursprünglichen Gegenstücken bieten.Die meisten Konstrukteure kennen bereits die technischen Vorteile eines Nadellagers – die Fähigkeit, relativ hohe Lasten in einem kompakten Bauraum zu bewältigen. Dieser technische Vorteil hat das Nadellager im Laufe der Jahre zur bevorzugten Lagerwahl in einer Vielzahl industrieller und Automobil-Kraftübertragungsanwendungen gemacht. Ein Nadellager ist ein Lager, das kleine Zylinderrollen verwendet. Diese Rollen werden verwendet, um die Reibung einer rotierenden Oberfläche zu verringern. Im Vergleich zu Kugellagern haben Nadellager eine große Oberfläche, die mit den Lagerlaufbahnzapfen in Kontakt steht. Die typische Struktur eines Nadellagers besteht aus einem Innenring (oder manchmal auch nur einer Welle) und einem Nadelkäfig, der die Ausrichtung ausrichtet und enthält die Nadelrollen, die Nadelrollen selbst und eine äußere Laufbahn. Es gibt viele verschiedene Ausführungen von Nadellagern, darunter gezogene Lagerschalen, Präzisionslager, Käfigrollenlager und Druckrollenlager. Hier betrachten wir den Typ mit Käfigrollen. Die Funktion eines Nadellagers mit Käfig besteht darin, radiale Belastungen und Drehzahlen aufzunehmen. Dabei führt und hält ein Käfig die Rollen. Käfigkonstruktionen gibt es normalerweise in ein- und zweireihiger Ausführung, wobei eine große Auswahl an Käfigmaterialien verfügbar ist, darunter Stahl, Kunststoff (PA66) und Aluminium. Mehrreihige Lagerkonstruktionen erhöhen die Tragfähigkeit. Käfige, egal ob aus Stahl oder Kunststoff, können in verschiedenen Konstruktionen hergestellt werden, darunter Vollkäfige, einfach geteilte Käfige und geteilte Hälften (zweiteilig). Diese Käfige können auch Schmierkanäle und andere kundenspezifische Merkmale enthalten. Typische Anwendungen für Nadellager mit Käfig sind Getriebe, Kraftübertragungssysteme für Kraftfahrzeuge, Zwei- und Viertaktmotoren, Planetengetriebesätze und Luftkompressoren. Unabhängig von der Art der vier Haupttypen Welches Nadellager für eine Anwendung ausgewählt wird, sollten Ingenieure eine Reihe von Faktoren berücksichtigen, bevor sie ihre Entscheidung so früh wie möglich in der Konstruktionsphase treffen: Größe/Designbereich, Art der Belastung, Belastbarkeit, Geschwindigkeit, Temperatur, Fehlausrichtung, Gehäuse und Wellenspezifikationen, Lebensdauer und Schmierungsanforderungen. 1949, am Ende des Zweiten Weltkriegs, erfanden die Gründer von INA (heute die Schaeffler-Gruppe), Dr. Georg Schaeffler und sein Bruder Wilhelm, einen neuen Typ von Nadellagern, das INA-Nadellager mit Käfig. Bei der Herstellung von Lagern für die US-Armee dachte Georg Schaeffler erstmals darüber nach, wie die Nachteile vollrolliger Nadellager überwunden werden könnten. Damals neigten Lagerkonstruktionen mit Wälzkörpern vor allem bei hohen Laufgeschwindigkeiten zur Schrägstellung und litten daher unter einem Anstieg des Reibungswiderstands (Hitze). Darüber hinaus blockierte das Lager leicht, wenn das Spiel gering war. Die Lösung von Dr. Georg Schaeffler bestand 1949 darin, die Nadeln in einem Käfig axial zu führen. Das Käfig-Nadellager überwand diese Nachteile und bot gleichzeitig hohe Drehzahlen und geringe Reibung. Zusammen mit einem Team von Ingenieuren bei INA entwickelte Georg die Idee bis zur Serienreife und machte sich dann zusammen mit seinem Bruder, bewaffnet mit einer Kiste mit Mustern, auf den Weg, um Kunden von den Vorteilen seines neuen Nadellagers zu überzeugen. In den Anfangsjahren Die Entwicklung von INA war eng mit der Automobilindustrie verbunden. Tatsächlich war das erste Ziel für das Nadellager mit Käfig die Automobilindustrie, und einige der ersten Kunden, die auf die neue Technologie umstiegen, waren Mercedes Benz und Adler Motorcycles. Das Wälzlagergeschäft von INA hatte erst richtig begonnen. Schon bald war das Käfig-Nadellager von Dr. Schaeffler zu einem wesentlichen Element in vielen Automobil- und Industrieanlagen- und Maschinenkonstruktionen geworden. Es ist bemerkenswert, dass die technische Genialität des Käfig-Nadellagers von Dr. Schaeffler auch heute noch in seiner ursprünglichen Konstruktion zum Einsatz kommt. Das ursprüngliche Design ist jedoch über die Jahre nicht stehengeblieben, sondern wurde kontinuierlich verbessert und an die immer vielfältigeren Anforderungen angepasst. Das INA-Käfig-Nadellager hat wesentlich zur Entwicklung kleinerer, effizienterer und kostengünstigerer Fahrzeuge beigetragen. Auch heute noch ist es kaum vorstellbar, dass ein Automobilgetriebesystem ohne Nadellager auskommt. Heutzutage werden INA-Nadellager in mehr als 15.000 Varianten hergestellt, wobei neue Designs auf die speziellen Anforderungen der Kundenanwendungen zugeschnitten sind. Bearbeitetes INA Nadellager bilden den Kern des Sortiments, insbesondere seit der Einführung des Premium-Qualitätsstandards X-life von Schaeffler. In X-life-Qualität gefertigte Nadellager bieten jetzt im Vergleich zu herkömmlichen Lagern eine um 13 Prozent höhere dynamische Tragzahl, was einer um 50 Prozent höheren Lebensdauer entspricht. Für den Kunden bedeuten diese Verbesserungen eine geringere Schmierstoffbelastung und eine geringere Reibung und niedrigere Lagertemperaturen, was wiederum zu einem energieeffizienteren Lager führt. Darüber hinaus ermöglicht die Erhöhung der Leistungskapazität eine Verkleinerung des Lagers für die Anwendung, was zu einer entsprechenden Reduzierung des Lagergewichts und seines Platzbedarfs führt. Für den unwahrscheinlichen Fall, dass die Anwendungsanforderungen sogar die von X-life-Lagern übersteigen, können weitere technische Leistungsverbesserungen möglich sein durch den Einsatz neuer Lagerbeschichtungen und Materialien gewonnen werden.Ein Projekt, das derzeit in der Automotive-Sparte von Schaeffler durchgeführt wird, betrifft die Neukonstruktion eines Hochgeschwindigkeits-Planetenradsatzes für ein Automatikgetriebe eines neuen Hybrid-Elektro-Pkw.Stewart Davies, Senior Application Engineer von Schaeffler (UK) Ltd kommentiert: „Die Automobilindustrie steht heute zunehmend unter dem Druck, kraftstoffeffizientere Fahrzeuge mit geringeren CO2-Emissionen zu produzieren. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs durch Reduzierung der Reibung im gesamten Antrieb zu verbessern.“ Zug. Das bedeutet, das Gewicht des gesamten Fahrzeugs zu reduzieren, indem das Gewicht einzelner Komponenten reduziert wird.“ „Automobilhersteller benötigen jetzt Lager und andere Motorkomponenten, die bessere Reibungseigenschaften bieten, und hier liegen die Vorteile des Nadellagers mit Käfig „Davies sagt, dass ein spezielles Käfigdesign für das Nadellager und verbesserte Funktionen, die die Schmierflusseigenschaften des Lagers verbessern, zu einem Lagerdesign mit geringerer Reibung geführt haben, was den Planetenradsatz des Kunden für die elektrischen Differentiale ermöglicht hat verkleinert werden und wiegt 17 Prozent weniger als das ursprüngliche System. Die Lager ermöglichten in Kombination mit dem optimierten Ölfluss durch den Träger 20 Prozent höhere Laufgeschwindigkeiten (bis zu 8.000 U/min). „Sie sind kleiner, um die Welle aufzunehmen, und die Gehäusebohrung des Zahnrads ist so bearbeitet, dass sie eine Lagerlaufbahn trägt. Andernfalls wäre ein Außen- oder Innenring erforderlich gewesen“, erklärt Davies. Nadellager mit Käfig können in vielen Varianten für den Kunden montiert werden . Dazu gehören Single-Split-Designs, Halbschalen-Typen und Single-Split mit diagonalen Federstegverbindungen. In den späten 1980er bis frühen 1990er Jahren konzentrierten sich Verbesserungen des Käfigdesigns auf dünnere Designs mit reduzierter Masse. Zu den weiteren Verbesserungen gehörten neue Konstruktionsmerkmale, die dazu beitrugen, das Schmiermittel effektiver in allen Bereichen des Lagers zu bewegen, was zu einem verbesserten Ölfluss führte. Ursprünglich waren Käfige lediglich zur Führung der Wälzkörper konzipiert. In jüngerer Zeit werden Nadellager jedoch mit deutlich verbesserten Käfigkonstruktionen ausgestattet, darunter beispielsweise spezielle vorgefertigte Käfige. Die Präzession trägt nicht nur dazu bei, den Verschleiß auf alle Rollen zu verteilen, sondern verteilt auch das Schmiermittel im Lager. „False Brinelling“ ist eine typische Fehlerursache für Nadellager mit Käfig, insbesondere in Kraftübertragungsanwendungen. Diese Ausfallarten werden häufig durch Mikrovibrationen und Bewegungen zwischen den Wälzkörpern und den Laufbahnzapfen verursacht, wodurch Metall-zu-Metall-Kontaktbedingungen entstehen. Das Ergebnis von Verbesserungen wie den beschriebenen hat dazu geführt, dass die neuesten Lagerkäfigrollenkonstruktionen dazu in der Lage sind bieten bis zu 25 Prozent höhere statische Tragfähigkeiten für ein Lager ähnlicher Größe, was mehr als dem Doppelten der dynamischen Tragzahl entspricht. Bei Anwendungen mit mehreren kleinen Bewegungen erhöht sich die Lagerlebensdauer typischerweise um das Drei- bis Fünffache. Weitere Informationen finden Sie unter www.schaeffler.co.uk