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DER KONSTRUKTEUR 10/2019

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DER KONSTRUKTEUR 10/2019

ANTRIEBSTECHNIK DAMIT

ANTRIEBSTECHNIK DAMIT KEIN STROM IM LAGER FLIESST PRODUKTE UND ANWENDUNGEN Elektrische Streuströme können frühzeitige Lagerausfälle verursachen. Den Isolationseigenschaften kommt daher eine bedeutende Rolle zu. Eine Möglichkeit der Vorbeugung ist eine im Lager integrierte elektrische Isolierung. Doch wie erfolgreich erweist sich eine derartige Lösung? Wie können quasi „blitzartige“ Lagerschäden auftreten? Kurze Antwort: Sofern elektrische Ströme den Wälzkontakt als leitende Verbindung nutzen – z. B. in elektrischen Fahrmotoren von Schienenfahrzeugen. Die Lagerschäden-Thematik ist nicht trivial, gleich mehrere Publi kationen befassen sich damit; ebenfalls gibt es Diskussionen über Schadensursachen und ihre Gegenmaßnahmen [1, 2, 3, 4]. Allgemein bestimmt das Tribosystem eines Lagers das elektrische Verhalten des Wälzkontakts und daraus resultierende Folgen. So weist das Lager im Stillstand einen niedrigen ohmschen Widerstand auf und befindet sich in einem gut leitenden Zustand. Wegen des relativ guten elektrischen Kontakts (Metall/Metall) zerstören nur sehr hohe Stromstärken wie Schweißströme die Laufbahnoberfläche. Ein ohmscher Zustand liegt vor, wenn das Lager unter Mischreibung einen erhöhten ohmschen Widerstand aufweist. Hier reichen schon schwache elektrische Ströme von wenigen Ampere aus, potenziell gefährlich zu sein. Unter Vollschmierung befindet sich ein Lager im kapazitiven Zustand, es verhält sich wie ein Autor: Karl Preis ist Experte für Beschichtungstechnik bei SKF in Österreich elektrischer Kondensator mit einer bestimmten Durchschlagspannung. Wenn die im Schmierfilm der Kontaktzone anliegende elektrische Feldstärke hoch genug ist, also über dem Schwellenwert liegt, dann treten elektrische Entladungen auf, die als EDM-Ströme bezeichnet werden (EDM = Electric Discharge Machining). Allen Schadensfällen gemeinsam: Die Kontaktfläche der Laufbahn schmilzt lokal auf und verändert die Materialeigenschaften des Stahls in diesem Bereich. Auch die Schmierstoffeigenschaften können sich verändern. Dies wirkt sich negativ auf die Lagerleistung in Form von Laufbahn- und Schmierstoffschäden aus. Konsequenzen sind ein erhöhter Verschleiß und zunehmende Lagervibrationen. Als Option, um den potenziell zerstörerischen Auswirkungen schädlicher elektrischer Ströme entgegenzuwirken, bietet sich eine im Lager integrierte elektrische Isolierung an. Doch wie erfolgreich erweist sich diese Lösung? LAGER MIT INTEGRIERTER THERMISCHER SPRITZBESCHICHTUNG SKF versieht bei Insocoat-Lagern die Außenflächen des Außenoder Innenrings mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung; dies integriert also eine elektrische Isolation in das Lager. Die Beschichtung selbst besteht aus einem oxidkeramischen Material und wird durch ein thermisches Spritzverfahren dem Lager aufgebracht. Dabei handelt es sich zumeist um reines Aluminiumoxid (Al 2 O 3 ). Manchmal kommen auch Oxidgemische zum Einsatz, da unterschiedliche elektrische und mechanische Eigenschaften der daraus resultierenden Beschichtungen erwünscht sind [5, 6]. Thermisches Spritzen transportiert und schmilzt die Oxidpartikel in einem heißen Plasmastrom. Dieser Strom transportiert den Großteil der geschmolzenen Partikel zum vorbe- 46 DER KONSTRUKTEUR 10/2019

ANTRIEBSTECHNIK handelten Substrat, wo sie abkühlen und die gewünschte Beschichtung bilden. Nach dem Spritzvorgang weist die Beschichtung mehrere offene und miteinander verbundene Poren auf. Dies gilt als all gemeine Eigenschaft von thermischen Spritzbeschichtungen. Der „Versiegelung“ der Poren kommt beim thermischen Spritzverfahren nun eine zentrale Bedeutung zu: Sie verringert die Korrosionsgefahr, verbessert die mechanischen Eigenschaften und hält die Isolier eigenschaften konstant, was sich insbesondere in feuchten Umgebungen als hoch relevant erweist. In der Literatur wurden bereits verschiedene Versiegelungsstrategien diskutiert [5, 6, 7]. Es zeigt sich, dass bei elektrisch isolierenden, thermischen Spritzbeschichtungen meistens ein Versiegeln mit organischen Sieglern am zweckmäßigsten ist. Risse als Ursache ausgeschlossen. Folglich konnte nur das Beschichtungsmaterial, das Oxid und/oder der Versiegelungsstoff selbst die Ursache sein. Bei umfangreichen Forschungs- und Prüfaktivitäten wurden verschiedene Beschichtungs- und Versiegelungsstrategien evaluiert. Getestet wurden etwa verschiedene Spritzpulver, Versiegelungsstoffe und thermische Spritzstrategien. Eine erste Evaluation erfolgte, wie erwähnt, in direktem Kontakt mit Wasser. Obgleich dieser Test unrealistische Bedingungen umfasste – denn in realen Anwendungen wird weder das Lager noch der Motor in Wasser getaucht – weist er sehr schnell und präzise den möglichen Erfolg oder Misserfolg nach. BESCHICHTUNGS- UND VERSIEGELUNGS- STRATEGIEN AUF DEM PRÜFSTAND Bei der bisherigen Insocoat-Lagergeneration wurden in sehr heißen, feuchten Umgebungen niedrige Isolationswiderstandswerte festgestellt. Generell ist der Widerstand elektrischer Isolatoren stets eine DIE ISOLIERENDE FUNKTION IST INTEGRALER BESTAND- TEIL DES LAGERS Kombination aus Oberflächen- und Volumenwiderstand [8]. Neben den Materialeigenschaften hängen beide Faktoren von der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur ab: Während der Oberflächenwiderstand auf eine Klimaänderung sofort reagiert, verändert sich der Volumenwiderstand über einen längeren Zeitraum. Wenn also die Isoliereigenschaften außerhalb des gewünschten Bereichs liegen, muss das gesamte isolierende Beschichtungssystem verbessert werden [5, 6, 7]. Diverse Experimente mit Insocoat-Lagern der bisherigen Generation bestätigten die im Feld identifizierten niedrigen Werte und zwar durch Analyse des elektrischen Widerstands in direktem Kontakt mit Wasser (Wasser mit einer bestimmten Leitfähigkeit). Es zeigte sich, dass die Beschichtung über einen langen Zeitraum Wasser absorbierte und dieser Effekt nach dem Trocknen vollständig reversibel war. Aufgrund der langen Zeitdauer der Widerstandsabnahme wurden Oberflächenströme, offene Porosität oder 01 Dank integrierter elektrischer Isolierung eignen sich Insocoat- Lager etwa für Fahrmotoren in Schienenfahrzeugen DIE MARATHONSPRINTER AUS WETTENBERG DYNAMIK, DIE LÄUFT. www.highdynamic.de www.ja2-gmbh.de Wir stellen aus auf der Motek in Halle 8, Stand 8411 R JA 2

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