Keramik in Getriebe- und Radlagern

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    20-Mar-2017

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  • WERKSTOFFE Keramik

    1080 ATZ 11/2001 Jahrgang 103

    Die Autoren

    Keramik in Getriebe-und Radlagern Von der Formel 1 zum Serieneinsatz?

    Keramik als Wlzlagerwerkstoff erweitert die Einsatzgrenzen unddie Leistungsfhigkeit von Kugel- und Rollenlagern betrchtlich.Auch in den Spitzenligen des Automobilrennsports macht man sichdiesen Werkstoff inzwischen auf breiter Basis zunutze. Die Cerobe-ar GmbH ist auf die Entwicklung und Fertigung mageschneiderterKeramikwlzlager spezialisiert und ein fhrender Lieferant fr denweltweiten Top-Motorsport. Minimale Reibung, kleinster Bauraumund maximale Leistung von Wlzlagern sind angesichts der Schlag-worte Emissionsverminderung, Wirkungsgradsteigerung und Do-wnsizing auch fr den Serienautomobilbau von Interesse. Der fol-gende Beitrag zeigt Lagerlsungen aus dem Spitzenrennsport aufund stellt die Frage nach der bertragbarkeit auf die Serie.

    Dipl.-Ing. Elmar Bergrath ist Produkt-manager des BereichsHybridlager der Cerobear GmbH in Herzogenrath.

    Dipl.-Ing. Jens Wemhner ist Geschftsfhrer der Cerobear GmbH in Herzogenrath.

  • 1 Einleitung

    In den 70er und 80er Jahren zhlte die Kera-mik zu den wohl am meisten diskutiertenWerkstoffen im Automobil- und Motoren-bau. Der breiten Euphorie ber die Eigen-schaften und Potenziale dieser Werkstoffefolgte eine eben solche Ernchterung, alsman erkannte, dass die Versprechen undPrognosen der Forscher und Entwickler pro-zesstechnisch und wirtschaftlich (noch)nicht eingehalten werden konnten.

    Vom Druck der ffentlichkeit befreit, kamSachlichkeit in die Entwicklung dieser Werk-stoffklasse, die sich darauf aufbauend in denletzten fnf Jahren insbesondere in der Wlz-lagertechnik fr Werkzeugmaschinen welt-weit an die Spitze kommerzieller technischerAnwendungen setzte und ber den Renns-port ebenso wieder in das Feld automobilerEinsatzbereiche einzog. Angesichts solcherVorteile wie Reibungsminderung, Gewichts-reduzierung und Lebensdauererhhungwundert es nicht, dass an jedem Rennwo-chenende in der Formel 1 in den Getriebenund Rdern der Rennfahrzeuge mittlerweilemehrere hundert unterschiedliche Keramik-wlzlager an den Start gehen.

    2 Der Werkstoff Keramik

    Fundamentaler Meilenstein in der fortge-schrittenen Wlzlagertechnik im Rennsportist das Siliziumnitrid (Si3N4), ein zur Gruppeder so genannten Hochleistungskeramikenzhlender Sinterwerkstoff mit nur etwa 40 %des spezifischen Gewichts von Wlzlager-stahl, Bild 1, deutlich geringeren Reibungs-zahlen und besserer Widerstandsfhigkeitgegen Hertzsche Pressungen, der charakte-ristischen Belastung in Wlzlagern. Positivergnzt werden diese hervorragenden Eigen-schaften des Siliziumnitrids durch seinenchemischen Aufbau mit gesttigter Elektro-

    2 Der Werkstoff Keramik

    Bild 1: Eigenschaften von Siliziumnitrid im Vergleich mit WlzlagerstahlFigure 1: Properties of silicon nitride compared to bearing steel

    Bild 2: Belastungssituation in einem Formel-1-GetriebelagerFigure 2: Load configuration in a F1 gearbox bearing

  • nenzahl auf der Auenschale, die Material-bergnge zum Beispiel zu metallischenWlzpartnern verhindert. Daher ist im prak-tischen Wlzlagereinsatz Fressen und Kalt-verschweien von Siliziumnitrid nahezu un-mglich, was der Zuverlssigkeit der Lagerunter den extremen Schmierbedingungendes Rennsports sehr entgegenkommt. DerElastizittsmodul des Si3N4 ist um 50 % hherals derjenige von Stahl, was die Steifigkeitvon Lagerkonstruktionen begnstigt. Positivwie negativ gesehen werden kann die gerin-ge thermische Ausdehnung des Siliziumni-trids, die einerseits Makonstanz ber groeTemperaturbereiche garantiert, aber ande-rerseits auch die hochgenaue Verbindungmit Stahlteilen erschwert.

    Eingesetzt wird Keramik im Wlzlagerauf zweierlei Weise: Sind nur die Wlzkrper(Kugeln, Rollen) aus Siliziumnitrid und dieRinge aus Stahl gefertigt, spricht man von sogenannten Hybridlagern. Bestehen sowohlRinge als auch Wlzkrper aus Siliziumni-trid, liegt ein Keramikwlzlager vor.

    Die zuvor bereits angesprochene, charak-teristische Belastungssituation der Bauele-mente in Wlzlagern, der Hertzsche Kon-takt, ist dabei ideal fr keramische Werkstof-fe, deren Festigkeit bekanntlich keine Mate-rialkonstante ist, sondern mit zunehmen-dem belasteten Volumen abnimmt [1]. In ei-nem typischen Hybridkugellager eines For-mel-1-Getriebes betrgt die Kontaktflchezwischen hchstbelasteter Kugel und Lage-rinnenring unter vollem Motordrehmomentnur etwa 1,1 mm2, bei einer einbezogenenTiefenzone von wenigen Zehntel Millime-tern ist deutlich weniger als ein Kubikmilli-meter Materialvolumen an der Lastbertra-gung beteiligt, Bild 2. Aufgrund dieses sehrkleinen belasteten Volumens sind die effek-tiven Festigkeitswerte der verwendeten Sili-ziumnitride auerordentlich hoch, so liegtdie Zugfestigkeit ber 1.000 N/mm2. Hertz-sche Pressungen von 4.500 N/mm2 sind da-her fr Siliziumnitridwlzkrper im Rennbe-trieb problemlos ertragbar, dies ermglichtbesonders kompakte und dennoch tragfhi-ge Lagerkonstruktionen.

    3 Einsatzfall Radlager

    Die Zielvorgaben fr das Radlagerdesigneines Formel-1-Rennfahrzeugs sind in Ta-belle 1 zusammengefasst. Die beiden we-sentlichen Zielgren sind dabei das gerin-ge Gewicht, das unmittelbar den mechani-schen Grip verbessert, und die hohe Stei-figkeit, die einerseits den Reifenverschleikalkulierbarer macht und andererseits jegli-ches Spiel an der Bremsscheibe verhindert.Auf diese Weise erhlt der Fahrer ein hun-dertprozentig reproduzierbares Ansprechender Bremse, das seine Arbeit erleichtert.

    An dritter Stelle des Anforderungskata-logs steht das geringe Reibmoment, damitjedes Promille Leistung auch an den Rad-aufstandspunkt gelangt. Im Gegensatz zuSerienautomobilen erfolgt die Auslegungder Radlager ausschlielich auf Kurvenfahrtund Bremsung, weil hier aufgrund mgli-cher Querbeschleunigungen bis hin zur vier-fachen Erdbeschleunigung und Bremsverz-gerungen bis 5 g um ein Vielfaches hhereBelastungen auftreten als bei der durch denaerodynamischen Abtrieb gekennzeichne-ten Geradeausfahrt.

    Das Lebensdauerziel der Formel-1-Radla-ger liegt heute bei zirka 2.000 km. Hier ergibtsich fr den Rennsportingenieur ein sehrguter Kompromiss aus Baugre (Gewicht)und Standzeit. Wrde man eine Formel-1-Vorderradlagerung unter den blichen Be-dingungen einsetzen, denen Serienautomo-bile der unteren Mittelklasse standhaltenmssen, betrge ihre Lebensdauer berra-schenderweise rechnerisch nahezu 200.000km. Hier zeigt sich der extreme Belastungs-unterschied zwischen Renn- und Serienfahr-zeug deutlich.

    WERKSTOFFE Keramik

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    3 Einsatzfall Radlager

    Anforderung Vorteil fr Keramik

    Geringes Gewicht geringe ungefederte Masse, hohermechanischer Grip

    Hohe Steifigkeit Nullspiel an der Bremse

    Geringes Reibmoment kein Leistungsverlust

    Geringer Bauraum gengend Raum fr Bremse und derenBelftung

    Hohe Tragfhigkeit Sicherheit gegen unkalkulierbareBelastungen (Curbs, Crashes, ...),Auslegung auf Kurvenfahrt undBremsung, hchstmglich belastbareWerkstoffe

    Hchste Zuverlssigkeit Dimensionierung nicht nach Tragzahl

    Angepasste Lebensdauer Formel 1 zirka 2.000 km

    Tabelle 1: Anforderungen an und Vorteile von Radlagern im Motorsport-bereichTable 1: Requirements for and advantages of wheel bearings in race-carapplications

    Bild 3: Radlager aus SiliziumnitridFigure 3: Silicon nitride wheel bearings

  • In allen fhrenden Formel-1-Rennfahr-zeugen ist die Radlagerung derzeit durch einPaar dnnwandiger, axial vorgespannterSchrgkugellager realisiert, Bild 3, die einegroe Zahl relativ kleiner Kugeln aufweisen.Betrachtet man noch einmal die Materialei-genschaften des Siliziumnitrids im Vergleichmit Wlzlagerstahl, Bild 1, so hat der um 50 %hhere E-Modul einen positiven Effekt aufdie genannte Forderung nach hoher Lager-steifigkeit. Wrde man in einem konventio-nellen Stahllager einfach die Stahlkugeln ge-gen Keramikkugeln austauschen, fhrtedies unmittelbar zu einer Erhhung der La-gersteifigkeit von rund 15 %. Mit einer kera-mikgerechten Innenkonstruktion des La-gers, die durch eine bessere Anpassung derLaufbahnschmiegungen an die Keramikku-

    gel erfolgt, kann die Steifigkeitsdifferenzzum Stahllager auf 30 % gesteigert werden.Mit einem Keramikwlzlager als weitererAusbaustufe schlielich ist bei identischerLagergre eine Steifigkeitsverbesserungvon 70 % mglich. Dabei fallen allein 20 %auf das dem Werkstoff Siliziumnitrid ange-passte Lagerdesign.

    Wie aus Bild 3 erkennbar, kommt zumSteifigkeitsgewinn beim typischen Formel-1-Vorderradlager als weiterer wesentlicherVorteil noch eine Gewichtsersparnis vonzirka 230 g pro Rad hinzu. Dies alles gehteinher mit einem um 40 % vermindertenReibmoment. Interessant ist der Gewichts-vergleich mit Serienautomobilen. Das For-mel-1-Vorderradlagerpaar wiegt zusam-men rund 120 g, die Vorderradlager deut-

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    3 Einsatzfall Radlager

    Bild 4: Rad-lagerkonfigu-rationen imRennsportFigure 4:Wheel bearingarrangementsin race carapplications

  • scher und italienischer Seriensportwagenliegen bei zirka 800 bis 1.080 g.

    Obwohl das Keramikwlzlager nun alsultimativer Schritt in der Radlagertechnikerscheint, sind im Rennsport bis heute fastausschlielich noch Hybridlager im Einsatz.Der Hauptgrund hierfr ist der sehr geringeWrmeausdehnungskoeffizient des Silizi-umnitrids, Bild 1, der mit 2,1 10 6/K nur ei-nen Bruchteil der Ausdehnung der einge-setzten Metalle betrgt. In einem Radtrgermuss das Lager jedoch mit Umbauteilen ausStahl, Aluminium und Titan kombiniertwerden und ber einen weiten Temperatur-bereich sicher angekoppelt und vorgespanntbleiben. Dies erfordert sehr genaue Kennt-

    nisse ber die zeitliche und rumliche Tem-peraturverteilung in den Radaufhngungs-bauteilen, die nur in aufwndigen Versu-chen ermittelt werden knnen.

    Auch beim Hybridlager findet zur Zeit einbemerkenswerter Materialwechsel bei denStahlringen statt. Die Einsatzbedingungenund Lebensdaueranforderungen in der For-mel 1 sind mit konventionellen Wlzlager-sthlen nur noch ungengend zu erfllen.Hohen Dauertemperaturen von 200 C undmehr im Radlager, hervorgerufen durch denWunsch der Aerodynamiker nach geringe-ren Khlluftffnungen bei gleichzeitig stei-genden Bremsleistungen, sowie hherenKrften auf die Lager durch immer haftfhi-

    gere Reifen, begegnet man in der Lagertech-nik heute durch die so genannten High-Nitrogen-Sthle. Sie erlangen ihre Hrtedurch gezieltes Einbringen von Stickstoff inein sehr feinkrniges und homogenes Mate-rialgefge. In Kombination mit Keramik-wlzkrpern sind hochtragfhige und hoch-temperaturbestndige Lagerlsungen reali-sierbar, die gegenber herkmmlichen La-gertypen eine bis zu zehnmal lngere Le-bensdauer aufweisen.

    Im Hinblick auf das Lagerdesign verwen-deten die Formel-1-Konstrukteure in der Ver-gangenheit hufig ein Paar Werkzeugma-schinen-Spindellager mit einem Druckwin-kel von 25 fr die Radlagerung, Bild 4 oben.Sowohl aus Grnden des Materials wie be-reits erwhnt als auch in konstruktiverHinsicht besteht hier Verbesserungsbedarf.Eine Vergrerung des Druckwinkels auf45, Bild 4 Mitte, in Kombination mit ver-strkten Laufbahnschultern fhrt zu einembreiteren virtuellen Lagerabstand (Sttzbrei-te). Hierdurch erhht sich die Momentstei-figkeit der Lagerung erheblich, die Fhrungdes Rads wird verbessert. Der Fahrer erhltdas von ihm bevorzugte, sehr konstante An-sprechen der Bremse, das ihm wiederum er-laubt, auch seine eigene Leistung zu stei-gern. Die durch die Druckwinkelerhhungverbesserte Axialsteifigkeit der Lager verbes-sert zugleich die Sicherheit gegen Fehler inder axialen Vorspannung, die zum Beispielaus Montagefehlern oder unvorhersehbarenthermischen Ausdehnungen der Umbautei-le resultieren kann. Kritische Situationen, indenen Khlluft an der Bremse fehlt, wie bei-spielsweise unplanmig verlngerte Bo-xenstopps oder Pace-Car-Phasen, verlierendamit ihren Einfluss auf die Lager.

    Eine weitere Verbesserung der Lagerungentsteht durch die Integration geeigneterDichtungen in die Lagerringe, Bild 4 unten.Bei gleichbleibendem Lagerabstand wird dieBreite der Gesamtkonstruktion reduziert,was erhebliche Gewichtseinsparungen er-mglicht. Die integrierten Dichtungen erlau-ben es auerdem, die Lager mit einer Mini-malbefettung auszustatten, die ihrerseitswiederum reibungsminimierend ist.

    Bild 5 zeigt das Reibungsverhalten einerFormel-1-Vorderradlagerung ber denrennrelevanten Fahrzeuggeschwindigkei-ten. Die Reibungszahl liegt fr das mitSi3N4-Kugeln bestckte Hybridlager im ge-samten Anwendungsbereich etwa 15 bis20 % unterhalb derjenigen eines Stahlla-gers. Beide Lager wurden mit einer rennb-lichen Durchschnittsbelastung und Vor-spannung beaufschlagt; die Befettung derLager entsprach dem Rennbetrieb. Fr eintypisches Formel-1-Vorderradlager gen-gen etwa 0,8 g Fett fr die komplette Le-bensdauer. Die tribologischen Eigenschaf-

    WERKSTOFFE Keramik

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    3 Einsatzfall Radlager

    Bild 5: Vergleich der Reibzahlen von Hybrid- und StahlradlagernFigure 5: Comparison of friction for hybrid and steel bearings

    Bild 6: Intelligentes RadlagerFigure 6: Intelligent wheel bearing

  • ten der Wlzpaarung Siliziumnitrid mitStahl sind so gut, dass auch bei einem vlli-gen Fettverlust das Rennen immer noch oh-ne Lagerausfall zu beenden ist.

    In der Zukunft werden Keramikradlagerzustzlich Intelligenz mit auf den Wegbekommen. Das in Bild 6 dargestellte Lagerpasst seine Laufbahnschmiegung mit Hilfeeines Piezoelements und einer Sensor-schicht an die aktuellen Lagerbelastungenan und entscheidet damit in Millisekundenselbstndig, ob es ein minimales Reibmo-ment fr schnellstmgliche Geradeaus-fahrt oder eine maximale Steifigkeit und

    Tragfhigkeit fr bestmgliches Kurven-und Bremsverhalten zur Verfgung stellt.

    4 Einsatzfall Getriebelager

    Wie bei den Radlagern steht auch bei denGetriebelagern ein geringstmgliches Ge-wicht ganz oben auf der Anforderungslistedes Konstrukteurs, Tabelle 2. Ziel ist es,nicht nur das Getriebe leicht zu gestalten,sondern auch die Trgheit der umlaufen-den Massen zu vermindern. Formel-1-Ge-triebewellen drehen heute mit bis zu18.000/min, Gangwechsel sind in weniger

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    4 Einsatzfall Getriebelager

    Anforderung Vorteil fr KeramikGeringes Gewicht geringes Getriebegewicht, geringe

    umlaufende Masse, geringeMassentrgheit bei Drehzahlwechsel

    Geringes Reibmoment kein Leistungsverlust

    Geringer Bauraum kleine Getriebemae, gengendBauraum fr Aerodynamik und Tank

    Hohe Tragfhigkeit hchstmglich belastbare Werkstoffe

    Hchste Zuverlssigkeit Dimensionierung nach innerer Lagerlast

    Angepasste Lebensdauer Formel 1 zirka 2.000 km

    Geringer lbedarf vereinfachte Schmierwege, erhhteZuverlssigkeit, Entfall zustzlicherlpumpen (Wirkungsgradsteigerung),geringer Verschlei beiMangelschmierung

    Angepasste Lagergestalt einfache Montage (Integrallagerungen,Flansche), Verdrehsicherung(Leichtmetallgehuse)

    Tabelle 2: Anforderungen an und Vorteile von Getriebelagern im Motor-sportbereichTable 2: Requirements for and advantages of gearbox bearings in race-carapplications

    Bild 7: Optimierte Hybridlagerung fr eine Vorgelegewelle im Formel-1-FahrzeugFigure 7: Optimized hybrid bearing arrangement for a F1 layshaft

  • als 30 Millisekunden mglich. Der Dynam...

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