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Alternative Lagertechnologien für alternative Antriebe: SKF treibt Elektromobilität voran

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Für die Elektromobilität hält SKF ein maßgeschneidertes Portfolio effizienzsteigernder Lager bereit.
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Bei drehzahlvariablen Antrieben ist die Summe der drei Phasenspannungen am Umrichterausgang nicht gleich null, sondern erzeugt eine Gleichtaktspannung. Aufgrund der hohen Anstiegsraten der Spannungssignale entstehen so genannte „dV/dt-Ströme“. Diese Hochfrequenzströme schädigen konventionelle Stahllager.
Mögliche Folgen des Stromdurchgangs durch konventionelle Stahllager (v. l.): Mikrokrater auf den Oberflächen der Wälzkörper, Riffelbildung an der Innenringlaufbahn, verbrannter bzw. verkokter Schmierstoff durch Funkenentladung.
Hybridlager mit Ringen aus Stahl und Wälzkörpern aus Keramik weisen einen hohen elektrischen Widerstand auf und schützen die einzelnen Komponenten samt Schmierstoff vor schädigendem Stromdurchgang.
Thomas M. Wolf, Senior Application Engineer für konventionelle und elektrische Automotive-Antriebsstränge bei SKF in Schweinfurt.

2019 Juni 11, 10:00 CEST

Die Elektromotoren in elektrifizierten Antriebssträngen erreichen enorme Drehzahlen. Das heizt konventionellen Stahl-Lagern mächtig ein; lässt Hybridlager aber vergleichsweise kalt. Doch auch die haben ihre Grenzen. SKF forscht bereits an kostengünstigeren Alternativen.

Von Thomas M. Wolf* 

Schweinfurt, den 11. Juni 2019
Von außen betrachtet gibt es immer weniger augenfällige Unterschiede zwischen verbrennerbetriebenen Autos und Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen. Unter der Haube sieht das freilich ganz anders aus – insbesondere in Sachen „Antriebsstrang“: Hier sorgen leistungsstarke Elektromotoren fürs umweltfreundliche Fahrvergnügen. Und deren Funktionsweise sowie ihre Integration ins Antriebssystem verlangen nach speziell angepassten oder komplett neu konzipierten Lagern.

Beispielsweise laufen die Elektromotoren eines typischen, allradgetriebenen E-Fahrzeugs mit sehr hohen Drehzahlen: Sie erzielen derzeit bis zu 20.000 min-1 und drehen dadurch viel schneller als herkömmliche Industriemotoren. Ein solches Tempo stellt natürlich erhebliche Anforderungen an die verbauten Lager, sodass diese zugunsten einer höheren Ausfallsicherheit speziell angepasst werden müssen.

Eine grundsätzliche Möglichkeit besteht beispielsweise darin, das Stahllager und seinen Kunststoffkäfig neu zu gestalten. So lässt sich die gesamte Lagerkonfiguration gegen die höheren Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Temperaturen wappnen. Das gilt umso mehr, wenn auch spezielle Schmierstoffe zum Einsatz kommen, die ihre Viskosität und Wirksamkeit selbst bei hohen Drehzahlen und Temperaturen behalten.

Trotz Verstärkung zu schwach
Ein derartig optimiertes Stahllager kann im elektrifizierten Antriebsstrang trotzdem an seine Grenzen geraten. Denn um den Wirkungsgrad und die dynamische Leistung von drehzahlvariablen Antrieben zu steigern, kommen dort meist extrem schnell schaltende Umrichter zum Einsatz – und die haben eine unerfreuliche Nebenwirkung: Sie erzeugen parasitäre, hochfrequente Ströme. Deren Folge ist Elektroerosion: Der Stromdurchgang durchs Lager verursacht Mikrokrater in den Wälzkörpern und Laufbahnen, verkokt außerdem den Schmierstoff und kann dadurch katastrophale Folgen haben. Das lässt sich mit Hilfe eines Lagers verhindern, das über einen hohen elektrischen Widerstand verfügt und folglich keinen Stromdurchgang zulässt.

Materialmix als Lösung
Derartige Eigenschaften weisen Hybridlager mit Ringen aus Stahl und Wälzkörpern aus Keramik auf. Allerdings greifen bislang nur wenige Elektrofahrzeug-Hersteller auf diese Lösung zurück. Schätzungsweise sind bis dato lediglich fünf Prozent der in elektrischen Antriebssträngen verbauten Lager hybrid. Das liegt zum einen an ihren höheren Kosten, zum anderen aber auch daran, dass viele Konstrukteure die Hybridlager überhaupt erst nach vorzeitigen Ausfällen von konventionellen Stahllagern in Betracht gezogen haben.

Inzwischen nutzen einige der größeren Elektrofahrzeughersteller ausgefeilte Simulationsprogramme, um die Betriebsbedingungen der Lager in solchen Anwendungen zu modellieren. Das versetzt sie in die Lage, die Stärke der Kriechströme und deren wahrscheinliche Auswirkungen auf die Lager zu erkennen und zu quantifizieren. Insofern dürften künftig mehr Hybridlager von Beginn an in den Entwicklungsprozess einbezogen werden also noch vor fünf Jahren: Wo immer es anwendungstechnisch und wirtschaftlich sinnvoll ist, werden sie sich gegenüber Stahllagern durchsetzen.

Der Austausch konventioneller Lager gegen hybride Lösungen gelingt in aller Regel problemlos, da sie mit identischen Abmessungen verfügbar sind. Außerdem stecken in ihnen bereits konstruktive Optimierungen in Sachen Käfig und Fett. Abgesehen von ihren isolierenden Eigenschaften bieten die Keramikkugeln auch noch weitere Vorteile: Die Wälzkörper sind etwa 60 Prozent leichter und dennoch robuster als Stahlkugeln. Sie laufen im Endeffekt kühler, sind unempfindlicher gegenüber Mangelschmierung und erreichen unter stark verschmutzten Betriebsbedingungen eine Verschleißfestigkeit, die bis zu neunmal so hoch ist wie diejenige vergleichbarer Stahl-Lager. Das kann ihre höheren Anschaffungspreise teilweise kompensieren.

Ebenfalls relevant: Ein Premium-Anbieter von E-Fahrzeugen setzt die Hybridlager von SKF bereits seit 2014 ein – und hat seither festgestellt, dass diese Lager dank ihrer Unempfindlichkeit gegen Kriechströme, ihres geringeren Gewichts und ihrer höheren Härte auch für einen höheren Wirkungsgrad im Auto sorgen, was den Fahrzeugen letztlich zu einer größeren Reichweite verhilft.

Billiger und trotzdem besser
Um den Kostendruck auf die E-Fahrzeughersteller zu minimieren, arbeitet SKF seit Kurzem auch an einer alternativen Lösung ohne Keramikkugeln. Der Plan ist, die gefährlichen Ströme quasi um- bzw. abzuleiten, damit sie das Lager-Innenleben nicht beschädigen.

Zwar ist es für konkretere Aussagen noch zu früh, doch hat die derzeitige Forschung noch einen weiteren Hintergrund: Auch Keramikkugeln lösen das Problem des ungewünschten Stromflusses nicht vollständig. Die Hybridlager selbst mögen den Kriechströmen standhalten, aber die elektrischen Impulse können sich noch bis zum Getriebe ausbreiten und dort bspw. die Verzahnung schädigen. SKF hofft, gegen Ende des Jahres eine entsprechende Neuentwicklung vorstellen zu können, die das Problem des Stromdurchgangs unter bestimmten Voraussetzungen günstiger löst als ein Hybridlager.

Davon dürften vor allem diejenigen Elektroautohersteller profitieren, die den Antriebsstrang komplett selbst fertigen. Denn auf Basis einer vollständigen „Hoheit“ über das gesamte System lässt sich der störende Stromfluss – von Beginn an – am ehesten aus dem Strang „herauskonstruieren“. Andere Hersteller, die etwa den Motor bauen, aber weitere Komponenten wie Steuergeräte oder Getriebe extern beziehen, sind mit Hybridlagern aller Voraussicht nach besser bedient.

Fazit
Elektrofahrzeuge ebnen neuen Transportmöglichkeiten den Weg. Zwar sind sie im derzeitigen Straßenverkehr noch „Exoten“, doch wird ihr Marktanteil sicher wachsen – vor allem dann, wenn man sie durch Schlüsselkomponenten wie anwendungsspezifisch optimierte Lager so effizient und zuverlässig wie möglich macht.

*Thomas M. Wolf ist Senior Application Engineer für konventionelle und elektrische Automotive-Antriebsstränge bei SKF in Schweinfurt.
Weitere Einblicke in das Lösungs-Portfolio für die Mobilität von morgen vermittelt SKF auch auf dem VDI-Kongress „Dritev – Getriebe in Fahrzeugen“ im Bonner World Conference Center (10. und 11. Juli). Besucher der Dritev finden SKF auf der Eingangsebene am Stand Nr. 54.

Pressekontakt:
Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland, Tel.: +49 (0)9721 / 56 - 28 43,
E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

SKF strebt danach, unangefochtener Marktführer im Wälzlagergeschäft zu sein. Die Unternehmensgruppe bietet Lösungen rund um rotative Systeme – einschließlich Wälzlagern, Dichtungen, Schmiersystemen sowie Zustandsüberwachungs- und Instandhaltungsservices. SKF ist in mehr als 130 Ländern präsent und kooperiert weltweit mit rund 17.000 Vertriebspartnern. Im Jahr 2018 erwirtschaftete die Unternehmensgruppe einen Umsatz in Höhe von ca. 8,1 Mrd. Euro und beschäftigte 44.428 Mitarbeiter. www.skf.com
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