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28. Dezember 2016

WÄLZLAGER: MINEBEAMITSUMI BEWEGT DIE WELT

Wälzlager gehören zu den Dingen, die die Welt bewegen. Wir benutzen sie völlig selbstverständlich, doch ohne sie stünde unsere Welt still. Kein Auto, kein Flugzeug, keine Bohrmaschine und keine Waschmaschine käme ohne Wälzlager aus. Es sind die unsichtbaren Helden unseres Alltags. Ein deutscher Haushalt hat rund 160 von ihnen. Überall dort, wo Teile sich bewegen oder rotieren, werden Wälzlager, umgangssprachlich auch Kugellager, eingesetzt. Bereits im alten Ägypten gab es Vorgänger der Wälzlager, aber auch die Kelten kannten um 700 v.Chr. Zylinderrollenlager. Unsere Vorfahren benutzten Holz als Werkstoff, wie Ausgrabungen aus den genannten Epochen zeigen, später folgten auch andere Materialien. Im Laufe der Jahrhunderte wurden System und Material mehr und mehr verbessert, bis schließlich Leonardo da Vinci die erste Wälzlagerzeichnung erstellte.


Er entwickelte in seiner Zeichnung die Idee, Trennelemente einfließen zu lassen, die heute als Käfig bekannt sind. Damals wie heute suchten die Menschen nach einer Bewegung, die möglichst wenig Reibung verursacht. Wälzlager dienen als Fest- oder Loselager zur Fixierung von Achsen und Wellen, wobei sie die radialen und axialen Kräfte aufnehmen und gleichzeitig die Rotation ermöglichen. Dabei soll die Reibung und somit die Verlustleistung und der Verschleiß möglichst gering bleiben. Kaum ein Unternehmen entwickelt und fertigt in der Massenproduktion mehr Facetten an Miniaturkugellagern als der japanische Konzern MinebeaMitsumi. Auch das kleinste Kugellager der Welt, das in Massen produziert werden kann und gerade mal einen Außendurchmesser von 1,5 Millimeter hat, spricht für den Erfolg. Mit einem breit aufgestellten Sortiment erreicht der Konzern gemeinsam mit den Tochterunternehmen bei den Kugellagern bis 22 Millimeter Durchmesser einen Weltmarktanteil von über 60 Prozent. Das Portfolio reicht vom einfachen Kugellager aus Edelstahl für Industrie, Haushalt und Automotive über besondere Lagerkartuschen im Pkw-Turbolader und Speziallager für den Luftverkehr bis hin zum Vollkeramiklager für die Nahrungsmittel- und Halbleiterindustrie. Mehr als 8.500 Wälzlager-Typen werden in riesigen Fertigungsstätten weltweit produziert. Jeder Wälzlager-Typ hat charakteristische Eigenschaften, der ihn für bestimmte Lagerungsfälle besonders geeignet macht.


Bei der Auswahl des richtigen Lagers spielen mehrere Faktoren eine wichtige Rolle. Dabei fließen neben der Belastung und Drehzahl andere Aspekte wie Einbau, Schmierung, Temperatur, Wartung und eine lange Lebensdauer mit ein. Letzteres ist gerade in der Automobilindustrie von entscheidender Bedeutung. Das Beispiel Turbolader zeigt, wie wichtig die Lagertechnologie im Automobilbereich, dem Maschinenbau und in der Mechatronik ist. Die Entwicklung der Turbolader ist in den letzten 30 Jahren sehr weit vorangekommen, wobei das ursprüngliche Prinzip bis heute Bestand hat. Trotz den Anstrengungen gibt es Schwachstellen, die bis dato schwer und nur mit hohem Kostenaufwand zu beseitigen sind. Die häufigsten Schäden bei Turboladern entstehen im Lagersystem der Läuferwelle, die das Verdichterrad mit dem Turbinenrad verbindet. Die meisten Turbolader sind mit hydrodynamischen Lagern (Gleitlagerung) ausgestattet, die unentwegt Öl als Schmierstoff benötigen. Öl sorgt jedoch, insbesondere in der Kaltstartphase, wenn Motor und Öl noch nicht die Betriebstemperatur erreicht haben, für einen höheren Widerstand, was sich unter anderem beim abrupten Gasgeben bemerkbar macht. Der Fahrer spürt bei gedrücktem Gaspedal erst Sekunden später die Power seines Fahrzeugs. Die Folge: Er gibt mehr Gas. Zudem kommt es bei einer Verschmutzung oder gar kurzzeitigem Verlust des Öls schnell zu Lagerschäden, die schließlich zum Totalausfall des Turboladers führen.


Diese Nachteile gehen mit höherem Spritverbrauch einher. Eine Möglichkeit, das Ansprechverhalten und die Dynamik des Abgasturboladers zu verbessern, ist die Optimierung des mechanischen Wirkungsgrades durch Reibungsreduzierung. Dies lässt sich durch den Einsatz einer Schrägkugellager-Lagerkartusche, kurz Kugellagerkartusche, mit Keramikkugeln umsetzen. Eine verringerte Reibung bewirkt besonders beim Kaltstart und im Teillastbetrieb eine deutliche Verbrauchsreduzierung. Das Transientverhalten wird verbessert. Dieses Lagersystem kombiniert die Funktionen von Stütz- und Drucklagern in einer Einheit. Die dadurch reduzierten Abstände sorgen für eine Steigerung der Turbinen- und Kompressorleistung. Bei dem in Zukunft zu erwartenden Einsatz von Motorölen mit niedrigerer Viskosität, hat die Wälzlagerung entscheidende Vorteile gegenüber der Gleitlagerung. Bei sehr dünnflüssigen Ölen versagt die Gleitlagerung, während die Wälzlagerung noch funktioniert. Kugellagerkartuschen sind besonders für hohe, dynamische Drehzahlen und extreme Temperaturen entwickelt. Es sind sogenannte Hybridlager.


Die eingesetzten Materialien wie Keramikkugeln, speziallegierte Stähle findet man insbesondere in Flugzeugtriebwerken, wo schon immer extreme Belastungen an das Material gestellt wurden. Bereits 2009 begann die Entwicklung von Kugellagerkartuschen für Extremeinsätze mit dem Tochterunternehmen myonic GmbH. Dabei lag der Fokus der Entwicklung auf Tauglichkeit zur Massenproduktion (Engineerging to Cost). Dadurch wird bestimmt, was die Kugellagerkartusche letztendlich für den Kunden kostet. Schließlich entscheidet aus wirtschaftlichen Aspekten auch der Preis, ob das bessere Lagersystem in Turboladern für kleinere Motoren ebenfalls eingesetzt wird. Bisher kommen nur Turbolader in starken Motoren in den Genuss. Keramische Werkstoffe sind sehr verschleiß-, korrosions- und temperaturbeständig. Sie sind leicht, steif und elektrisch isolierend – Eigenschaften, die für Wälzlager vorteilhaft sind. In der Lebensmittelindustrie hat Good Manufacturing Practice obersten Vorrang.

Ihre Kontaktperson

Roman Klein

MinebeaMitsumi Europa

Tel.: +49 7721 997-317