Railway technical hanbook - SKF

Handbuch SchienenfahrzeugeBand 2

Antriebssysteme: Fahrmotorlager, Getriebelager, Sensoren, Zustandsüberwachung und Dienstleistungen

Marktpreis der Druckschrift: 40 Euro

® SKF, AMPEP, @PTITUDE, AXLETRONIC, Baker, EASYRAIL, INSOCOAT, MRC, MULTILOG sind eingetragene Marken der SKF Gruppe.

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© SKF Gruppe 2014Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit unserer vorherigen schriftlichen Genehmigung gestattet. Die Angaben in dieser Druckschrift wurden mit größter Sorgfalt auf ihre Richtigkeit hin überprüft. Trotzdem kann keine Haftung für Verluste oder Schäden irgendwelcher Art übernommen werden, die sich mittelbar oder unmittelbar aus der Verwendung der hier enthaltenen Informationen ergeben.

PUB 42/P7 13085 DE · August 2014

Bestimmte Aufnahmen mit freundlicher Genehmigung von Shutterstock.com

1 Vergangenheit und Gegenwart

2 Antriebskonzepte

3 Lagerarten

4 INSOCOAT Lager und Hybridlager

5 Fahrmotor-Lagereinheiten

6 Lagerberechnung

7 Lagerkontrolle

8 Sensoren

9 Zustandsüberwachung

10 Dienstleistungen

11 Anwendungen

Index

Quellen

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Antriebssysteme: Fahrmotorlager, Getriebelager, Sensoren, Zustandsüberwachung und Dienstleistungen

Ein Handbuch für Konstrukteure und Anwender

SKF entwickelte sich aus einer einfachen, aber gut durchdach-ten Lösung für ein Fluchtungs-fehlerproblem in ei-ner schwedischen Textilfabrik und 15 Mit ar beitern im Jahre 1907, zu einer weltweit führenden Unternehmens-gruppe für Bewegungstechnik. Mit den Jah-ren haben wir unser umfassendes Wälz-lagerwissen auf die Kompetenzbereiche Dichtungen, Mechatronik-Bauteile, Schmier systeme und Dienstleistungen erweitert. Unser Netzwerk qualifizierter Experten umfasst 46 000 Mitarbeiter, 15 000 Vertriebspartner, Niederlassungen in mehr als 130 Ländern und eine wach-sende Zahl an SKF Solution Factory Stand-orten weltweit.

Forschung und Entwicklung Wir verfügen über fundiertes Praxiswissen aus mehr als vierzig Industriebranchen, das SKF Mitarbeiter vor Ort bei unseren Kunden sammeln konnten. Wir arbeiten Hand in Hand mit weltweit führenden Experten und Partner-Universitäten, die Grundlagenfor-schung und Entwicklungsarbeit in den Fach-

gebieten Tribologie, Zustandsüberwachung, Anlagenmanagement und theoretische La-gergebrauchsdauer leisten. Kontinuierliche Investitionen in Forschung und Entwicklung unterstützen unsere Kunden dabei, ihre marktführende Stellung in den jeweiligen Branchen zu halten.

Wir stellen uns auch den schwierigsten Herausforderungen Mit der richtigen Mischung aus fachlichem Know-how und wertvoller Erfahrung sowie einer eingehenden Kenntnis, wie sich unse-re Kerntechnologien erfolgreich kombinieren lassen, entwickeln wir innovative Lösungen, die auch anspruchsvollsten Herausforde-rungen gerecht werden. Wir arbeiten eng mit unseren Kunden über die gesamten Maschinen- und Anlagenzyklen zusammen und verhelfen ihnen so zu einem rentablen und nachhaltigen Wachstum.

In einer SKF Solution Factory stellt SKF ihren Kunden vor Ort Fachwissen und Fertigungskompetenz für maßgeschneiderte Lösungen und Dienstleistungen zur Verfügung.

In Zusammenarbeit mit den SKF IT- und Logistiksystemen sowie den Anwen-dungsexperten bieten SKF Vertragshändler ihren Kunden weltweit ein leis-tungsstarkes Mix aus Produkt- und Anwendungswissen an.

Wir arbeiten für eine nachhaltige Zukunft Seit 2005 arbeitet SKF mit Nachdruck daran, die Belastung der Umwelt durch die eigenen Fertigungs- und Vertriebsaktivi-täten zu reduzieren. Dies betrifft auch die Aktivitäten unserer Zulieferer. Mit dem neu-en SKF BeyondZero Portfolio an Produkten und Dienstleistungen lassen sich die Ener-gieeffizienz steigern, Energieverluste redu-zieren und neue Technologien für die Nut-zung von Wind-, Sonnen- und Gezeiten -energie entwickeln. Durch diese kombinierte Vorgehensweise reduzieren wir nicht nur die negativen Umweltauswirkungen unserer eigenen Aktivitäten, sondern auch die unserer Kunden.

SKF – Kompetenz für Bewegungstechnik

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Lager und LagereinheitenSKF ist ein weltweiter Marktführer bei der Kon-struktion, Entwicklung und Fertigung von Hoch-leistungslagern, Gelenklagern, Lagereinheiten und Gehäusen.

Instandhaltung von Maschinen und AnlagenSKF Zustandsüberwachungssysteme und der SKF Instandhaltungsservice unterstützen Sie dabei, ungeplante Stillstandszeiten auf ein Minimum zu reduzieren, Ihre Betriebseffizienz zu verbessern und die Wartungskosten zu senken.

DichtungslösungenSKF bietet Standarddichtungen sowie kundenspe-zifische Dichtungslösungen an. Das Ergebnis sind längere Betriebszeiten, eine höhere Maschinenzu-verlässigkeit, geringere Reibungs- und Leistungs-verluste und eine verlängerte Schmierstoff-Gebrauchsdauer.

Mechatronik-BauteileSKF Fly-by-Wire-Systeme für Verkehrsflugzeuge und SKF Drive-by-Wire-Systeme für Offroadfahr-zeuge, Landmaschinen und Gabelstapler ersetzen schwere mechanische oder hydraulische Systeme mit hohem Fett- oder Ölverbrauch.

SchmierungslösungenVon Spezialschmierstoffen bis hin zu modernsten Schmiersystemen und Schmierungsmanagement-Dienstleistungen helfen Ihnen SKF Lösungen, schmierungsbedingte Stillstandszeiten sowie den Verbrauch teurer Schmierstoffe zu reduzieren.

Antriebs- und BewegungssteuerungDank des umfangreichen Produktangebots von Aktuatoren und Kugelgewindetrieben bis hin zu Profilschienenführungen finden SKF Experten ge-meinsam mit Ihnen passende Lösungen selbst für anspruchsvollste Linearführungen.

Unser Wissen – Ihr ErfolgSKF Lifecycle-Management ist die Art und Weise, wie wir unsere Technologieplattformen und Dienstleistungen integrieren und sie auf jeder Stufe im Lebenszyklus einer Maschine anwenden, damit unsere Kunden erfolgreicher, nachhaltiger und profitabler arbeiten können.

Wir arbeiten intensiv mit unseren Kunden zusammen Mit SKF Produkten und Dienstleistungen können unsere Kunden ihre Produktivität steigern, Instandhaltungsarbeiten mini-mieren, eine höhere Energie- und Res-sourceneffizienz erzielen und die Ge-brauchsdauer und Zuverlässigkeit ihrer Maschinenkonstruktionen optimieren.

Innovative Lösungen Ganz gleich, ob Linear- oder Drehbewegung oder beides kombiniert, SKF Ingenieure un-terstützen Sie während jeder Lebenszyklus-phase der Maschine bei der Verbesserung der Leistung. Dieser Ansatz ist nicht auf Ein-zelkomponenten wie Lager oder Dichtungen beschränkt. Er bezieht sich auf die Gesamt-anwendung und das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten.

Optimierung und Überprüfung der AusführungSKF optimiert gemeinsam mit Ihnen beste-hende oder neue Konstruktionsentwürfe. Dabei verwenden wir eine eigene 3D-Simu-lationssoftware als virtuellen Prüfstand für die Funktionseignung des Designs.

SKF Lifecycle-Management

Design und EntwicklungFertigung und Prüfung

Spez

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Montage und Inb

etrie

bnah

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Betrieb und Überwachung

Instandhaltung und Reparatur

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Radsatzlagergehäuse, Radsatzlager, Sensoren, Zustandsüberwachung, Subsysteme und Dienstleistungen

Das Handbuch Schienenfahrzeuge, Band 1, ist als gedrucktes Exemplar oder als iPad App im App Store unter Produktivität / SKF erhältlich.

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Vorwort

Der vorliegende Band 2 des Handbuchs Schienenfahrzeuge behandelt Lösungen für Antriebssysteme wie Fahrmotor-, Getriebelager und -Lagereinheiten, Sensoren, Zustandsüber-wachung und Dienstleistungen. Dieses Handbuch wurde speziell für Spezialisten der Bahnindustrie zusammengestellt.

Den Konstrukteuren bietet dieses Handbuch Informationen zur Optimierung von Anwendungen.

Die Bahnbetreiber finden hier Empfehlungen, wie sie die Lagergebrauchsdauer durch richtige Montage, Instandhaltung und Zustandsüberwachung maximieren.

Alle Empfehlungen beziehen sich auf Erfahrungen, die SKF im Laufe ihrer jahrzehntelangen engen Zusammenarbeit mit der Bahnindustrie weltweit gesammelt hat. Diese Erfahrungen haben zusammen mit Anregungen von Kunden die Produktentwick-lung in der SKF Gruppe stark beeinflusst und zur Einführung neuer Produkte und verbesserter Produktvarianten geführt.

Allgemeine Informationen über die Auswahl und Berechnung von Wälzlagern finden Sie in den SKF Katalogen oder im Internet unter www.skf.com/bearings. Dieses Handbuch soll Fragen beantworten, die sich beim Einsatz spezieller Lösungen für Fahrmotor- und Getriebelager ergeben. Angaben aus den SKF Katalogen werden hier nur wiederholt, wenn dies dem besseren Verständnis dient.

Weitere Themen rund um Schienenfahrzeuge behandelt der 2012 veröffentlichte Band 1 dieses Handbuchs. Hier liegt der Schwer-punkt auf Radsatzlagergehäusen, Radsatzlagern, Sensoren, Zustandsüberwachung, Subsystemen und Dienstleistungen.

Weitere Informationen finden Sie im Internet unter www.railways.skf.com.

Gottfried Kuře und Team

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Inhalt


Entwicklung von Antriebssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Historische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Moderne Lagerkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Aktuelle und zukünftige Schwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

SKF Leistungspakete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Lebenszyklus- Partnerschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Qualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2 Antriebskonzepte

Konstruktionsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Elektrische und dieselelektrische Lokomotiven . . . . . . . . . . 43

Elektrische und dieselelektrische Personenfahrzeuge . . . . . 47

Niederflurfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Dieselhydraulische Fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

SKF Tatzlagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 Lagerarten

Einsatzmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Schrägkugellager und Vierpunktlager . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Zylinderrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Rillenkugellager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Kegelrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Zusatzzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Lagerprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97


Vermeidung elektrischer Ströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

INSOCOAT Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

Hybridlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Prüfung von Hybridlagern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5 Fahrmotor-Lagereinheiten

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Konstruktionsmerkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Längere Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Ausführungen für Festlagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Ausführungen für Loslagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Sensorbestückte Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

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6 Lagerberechnung

Berechnungsregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Nominelle Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Schmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Erweiterte Berechnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

Verifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

7 Lagerkontrolle

Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Betriebsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Lagerschäden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

Ursachenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Schadens- und Ausfallmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

8 Sensoren

Ausführungsprinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

Integrationsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

Drehzahlsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

Drehzahl- und Absolutpositions sensoren . . . . . . . . . . . . . . . 187

9 Zustandsüberwachung

Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

IMx-R Onlinesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

Überwachungs prinzipien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Microlog Analysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

10 Dienstleistungen

Serviceangebot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Ausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Aufarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Schulungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

11 Anwendungen

Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Elektro- und Diesellokomotiven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Elektro- und Dieseltriebwagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230

Niederflurfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232

IndexStichwörter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

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Entwicklung von Antriebssystemen . . . . . . . . . . . . 9

Historische Anwendungen . . . . . . 11

Moderne Lagerkonstruktionen . . 12

Aktuelle und zukünftige Schwerpunkte . . . . . . . . . . . . . . . 14

SKF Leistungspakete . . . . . . . . . . 16

Lebenszyklus-Partnerschaft . . . . 18

Qualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Der erste Tatzlagerantrieb, der von Frank J. Sprague (1857-1934) erfunden und in der 1887 eröffneten Straßenbahn von Richmond im US-Bundesstaat Virginia eingebaut wurde.

Hochgeschwindigkeitshohlwellenantrieb mit integrierter ScheibenbremsenwelleQuelle: Siemens

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Vergangenheit und Gegenwart

Antriebssysteme wie Getriebe und Fahrmotoren für Schienen-fahrzeuge müssen leistungsfähig, zuverlässig und kosten-effizient sein, Umweltvorschriften erfüllen und einen geringen Wartungsbedarf haben. Die Anforderungen an diese Anwen-dungen sind aufgrund des hohen Gewichts von Schienen-fahrzeugen und der Notwendigkeit langer Wartungsintervalle sehr viel strenger als in anderen Industriezweigen.

Als ein weltweit führender Lieferant bietet SKF eine große Vielfalt an Kundenlösungen, die Lager, Dichtungen, Schmierstoffe, Mechatronik-Bauteile und Dienstleistungen für die Bahnindustrie an. Hierzu gehört auch ein großes Sortiment an Wälzlagern und Dienstleistungen, das die hohen Anfor-derungen von Bahnanwendungen erfüllt.

SKF verfügt über ein umfassendes und fundiertes Wissen im Schienenfahrzeug-bereich und hat im Laufe der Jahre ein einzigartiges Angebot an Produkten und Lösungen für Antriebssysteme entwickelt.

In der Bahnindustrie gibt es keinen Still-stand, und es werden häufig neue Konstruk-tion entwickelt und Leistungsverbesse-rungen vorgenommen. Die Kunden von SKF sind stets über die neuesten Trends am Markt informiert, und die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten von SKF zielen darauf ab, die jeweils aktuellen Innovationen in neue Lösungen zu integrieren.

Entwicklung von AntriebssystemenDie frühesten Entwicklungen im Bahnbe-reich – ausgehend von der Erfindung des Rads, den energiesparenden Möglichkeiten eines Bahnsystems und den ersten Rad-satzlagern – wurden bereits im Handbuch Schienenfahrzeuge Band 1 beschrieben. Darin werden vor allem Radsatzlagerge-

häuse, Radsatzlager, Sensoren, Zustands-überwachung, Subsysteme und Dienst-leistungen behandelt [1].

Die wichtigsten historischen Fakten belegen Folgendes:

• Durch die Nutzung des Rads ergab sich eine Zugkrafteinsparung von bis zu 99%.

• Die Beförderung von Gütern mit der Bahn führt zu einer Zugkrafteinsparung von bis zu 90%.

• Die Einführung von Kugellagern brachte eine Zugkrafteinsparung von 86%; bei Rollenlagern waren es 52%.

• Die Entwicklung von Lagern konzentriert sich sehr stark auf Dichtungslösungen, Schmierung und Mikro-/Makrogeometrie, um die Reibung weiter zu senken und Energie einzusparen. Eine geringere Rei-bung senkt die Lagerbetriebstemperatur und wirkt sich positiv auf die Fettgebrauchs-dauer aus. Dies bestimmt in vielen Fällen die Lagerlebensdauer und die Wartungs-intervalle.

Die für ziehende Schienenfahrzeuge zur Verfügung stehende Energie war schon immer begrenzt. Die ersten Fahrzeuge auf Schienen wurden von Pferden oder gar von Menschen gezogen. Später führte man Dampflokomotiven ein mit dem Ziel, deren Konstruktion zu verbessern, um zunächst Kohle und anschließend Kohlenstaub und Öl einzusparen. In den 1950er-Jahren entwi-

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ckelte man Ideen für atomgetriebene Turbo-dampflokomotiven, die jedoch nie verwirklicht wurden. Die nachfolgende Tabelle zeigt die wichtigsten Energiequellen, Energieversor-gungsmöglichkeiten und Antriebsprinzipien.

Die ersten elektrisch betriebenen Schienenfahrzeuge waren Straßenbahnen aufgrund der begrenzten Größe ihres Fahr-motors. Der Wechsel von Straßenbahnen, die von Pferden gezogen wurden, hin zu Straßenbahnen mit einem Elektro antrieb begann in den 1880er-Jahren und wirkte sich beträchtlich auf die Senkung der Be-triebskosten aus. In der Literatur[2] werden Einsparungen von rund 30% genannt. Daher vollzog sich dieser Wandel recht schnell um das Jahr 1900. Damals wurden viele neue elektrische Straßenbahn- und U-Bahnsys-teme in Betrieb genommen. Die Einführung des Elektroantriebs bei der Eisenbahn begann um dieselbe Zeit, und bereits 1903 erzielte man mit elektrischen Versuchsfahr-zeugen auf der Teststrecke Marienfelde- Zossen in der Nähe von Berlin eine Höchst-geschwindigkeit von 210 Stundenkilometern.

Die Einführung des Elektroantriebs dau-erte bei der Eisenbahn sehr viel länger als bei den Straßenbahnen, da Lokomotiven eine höhere Fahrmotorleistung benötigen und die Entfernungen zwischen den Versorgungsstationen größer waren.

Nach 1900 wurden Verbrennungsmoto-ren zunächst erst ganz allmählich bei kleine-ren mit Benzin, Diesel oder Gas betriebenen Lokomotiven eingesetzt. In den 1930er-Jahren gelang dann der große Durchbruch der dieselbetriebenen Lokomotiven und Triebwagen. Es kommen beide Antriebsar-ten, die elektrische und hydraulische Kraft-übertragung, zur Anwendung. Die diesel-elektrische Kraftübertragung basiert auf einem von einem Dieselmotor angetriebe-nen Generator, der einen elektrischen Fahr-motor antreibt. Dabei handelt es sich um eine den Elektrolokomotiven sehr ähnliche Konstruktion, die allerdings in vielen Fällen eine sehr viel geringere Leistung erbringt. Bei Fahrzeugen mit begrenzter Leistung kommt der mechanische Antrieb zum Einsatz.

1) Ideen aus den 1950ern2) Diese Antriebsart findet in dieser Druckschrift keine Berücksichtigung.3) Nur für begrenzte Leistung

Historische Energiequellen

• Lebewesen – Pferd – Maulesel – Mensch

• Dampf – Holz – Kohle, Kohlenstaub – Schweröl – Kernenergie1)

Energiequellen für Kraftwerke

• Wärmekraft: Kohle, Gas, Kernenergie

• Wasserkraft• Solarenergie• Windenergie

Energiequellen für Verbrennungsmotoren

• Diesel• Benzin• Gas

Stromversorgung

• Fahrleitung• Stromschiene• Akkumulator• von einem Verbrennungsmotor

angetriebener Generator, „dieselelektrisch“

Elektrischer Antrieb

• Fahrmotor mit Getriebe• Direktantrieb, Nabenmotor• Maglev2)

Antrieb durch Verbrennungsmotoren

• elektrisch• turbohydraulisch• hydrostatisch• mechanisch: Getriebe mit

Kupplung3)

Dampfmaschinenantrieb

• Schubstangenantrieb• Kabel, „Kabelbahn“

Hauptenergiequellen in der Vergangenheit und Gegenwart sowie Energieversorgungsmöglichkeiten und Antriebsprinzipien

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Historische AnwendungenGeringere Wartungskosten, kleinere Ein-bauräume und höhere Zuverlässigkeit waren schon immer die treibenden Hauptfaktoren für die Umsetzung neuer Lagerlösungen bei Getrieben und Fahrmotoren. Die frühesten Konstruktionen besaßen ölgeschmierte Gleitlager, deren Ölstand tagtäglich über-prüft und ggf. nachgefüllt werden musste. Im Jahr 1918 vermeldete SKF, dass durch den Einbau winkelbeweglicher Kugellager anstelle der Gleitlager die Lagerwartungs-kosten bei Straßenbahnen um 25 bis 70% gesenkt werden könnten.

Die Elektrolokomotiven der Reihe GG1 der US-amerikanischen Pennsyl-vania Railroad besaßen eine Gesamtleistung von 3 442 kW und erreichten eine Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h. Sie gingen 1934 in Betrieb. Die Fahrmotoren waren mit zwei SKF Zylinderrollenlagern (Bauform NJ + Winkelring HJ und Bauform NU) ausgestattet.Quelle: Das Kugellager (SKF) 1939 – 2, Seite 19

Die Elektrolokomotiven der Reihe R1 der US-amerikanischen Pennsylva-nia Railroad waren mit einem Hohlwellenantrieb mit elastischer Kupp-lung ausgerüstet. Darin eingebaut waren zwei SKF Zylinderrollenlager der Bauform NJ mit den Spezialabmessungen 380 x 530 x 60 mm.Quelle: Das Kugellager (SKF) 1939 - 2, Seite 21

Die Stromlinienzüge der US-amerikanischen Union Pacific aus den 1930ern waren mit SKF Zylinderrollen-Fahrmotorlagern ausgerüstet. Die Leistung pro Fahrmotor betrug durchschnittlich 220 kW.Quelle: Das Kugellager (SKF) 1939 - 2, Seite 18

Straßenbahnmotor aus Göteborg aus den 1910ern mit zwei winkelbeweglichen SKF KugellagernQuelle: Hauptkatalog SKF Kugellagergesell-schaft 1918, Seite 190

Straßenbahnmotor aus den 1920ern mit zwei STEYR Rillen-kugellagernQuelle: STEYR Haupt-katalog 1926a

Straßenbahnmotor und Tatzlagerung aus den 1930ern mit SKF Pendel-rollenlagern. Auf der Antriebsseite des Fahrmotors ist ein Zylinder-rollenlager eingebaut.Quelle: SKF Bearings for tramway service 1939, Seite 31

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Moderne Lagerkonstruktionen

Kugellager Rollenlager Elektrisch isolierte Lager Lagereinheiten

Rillenkugellager Schrägkugellager Vierpunktlager Zylinderrollenlager Kegelrollenlager Pendelrollenlager INSOCOAT Lager Hybridlager Fahrmotor- Lagereinheiten

Fahrmotor-anwendungen

Für Festlagerungen Für Fest- und Loslagerungen

Erhältlich als Rillenkugellager sowie als Kegel- und Zylinderrollenlager

Erhältlich als Rillenkugellager und Zylinderrollenlager

Erhältlich als Ausfüh-rungen basierend auf Rillenkugellagern oder Zylinderrollen - lagern

Getriebe-anwendungen

Für Festlagerungen Für Festlagerungen, meistens kombiniert mit Zylinderrollen-lagern

Universell einsetzbar Universell einsetzbar. Heute werden meist Kegel- und Zylinder-rollenlager verwendet.

Elektrische Isolierung



Abgedichtet und vorgefettet

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Kugellager Rollenlager Elektrisch isolierte Lager Lagereinheiten

Rillenkugellager Schrägkugellager Vierpunktlager Zylinderrollenlager Kegelrollenlager Pendelrollenlager INSOCOAT Lager Hybridlager Fahrmotor- Lagereinheiten

Fahrmotor-anwendungen

Für Festlagerungen Für Fest- und Loslagerungen

Erhältlich als Rillenkugellager sowie als Kegel- und Zylinderrollenlager



Getriebe-anwendungen

Für Festlagerungen Für Festlagerungen, meistens kombiniert mit Zylinderrollen-lagern

Universell einsetzbar Universell einsetzbar. Heute werden meist Kegel- und Zylinder-rollenlager verwendet.

Elektrische Isolierung



Abgedichtet und vorgefettet

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Aktuelle und zukünftige Schwerpunkte

GeschwindigkeitDie Beförderung von Personen und Gütern steht in engem Bezug zur Geschwindigkeit. Im Laufe der Zeit hat die Geschwindigkeit im Schienenverkehr ständig zugenommen. Die Fahrzeuggeschwindigkeit und ein vorgege-bener Raddurchmesser bestimmen die Drehgeschwindigkeit der Getriebeabtriebs-welle und der zugehörigen Lager. Ein Viel-faches dieser, von der Getriebeübersetzung vorgegebenen Drehgeschwindigkeit beträgt die Getriebeeingangs- und Fahrmotordreh-zahl. Das Produkt der beiden Faktoren Fahr-motordrehzahl (n) und mittlerer Lagerdurch-messer (dm) ist ein wichtiger Parameter bei der Auswahl der Lagergröße, Käfigausfüh-rung und des Rollensatzes sowie des Schmierstoffs und seiner Viskosität.

Abgesehen von der Fahrzeuggeschwin-digkeit erhöht sich der Wert n ¥ dm dadurch, dass die Fahrmotordrehzahl aufgrund des Downsizings der Fahrmotorgeometrie zunimmt.

Andererseits sind hochleistungsfähige Fahrmotoren nur mit höheren Motordreh-zahlen realisierbar. Allerdings beschränkt insbesondere ein Konstruktionsfaktor, näm-lich der Abstand zwischen den zwei Rädern, der von der Spurweite abhängig ist, die

Entwicklung der Gesamtleistung und Höchstgeschwindig-keit ausgewählter Lokomotiven deut-scher Bauart mit der Radsatzfolge Bo' Bo'Bo' Bo': vierachsiges Schienenfahrzeug mit 2 Drehgestellen; alle Radsätze werden ein-zeln über Fahrmotoren angetrieben siehe Handbuch Schienen-fahrzeuge, Band 1, Seite 28.

horizontale Gesamtlänge der Getriebe- und Fahrmotoranordnung.

LeistungBetrachtet man sich die historische Entwick-lung von Fahrmotoren über eine längere Zeit, so stellt man fest, dass die Leistung schrittweise erhöht wurde. Am Beispiel ei-ner typischen vierachsigen Lokomotive, de-ren Radsätze einzeln von je einem Fahr-motor angetrieben werden (auch Bo' Bo' genannt) [1], lässt sich feststellen, dass die Leistung eines solchen Fahrmotors heute um das Zehnfache höher ist als zu der Zeit als dieses Konstruktionsprinzip eingeführt wurde. Die Motorleistung bezogen auf die Drehzahl hat einen direkten Einfluss auf die Belastungen, die auf die Getriebeeingangs-welle einwirken. Wie in Kapitel 2, beschrie-ben, geht es bei der Entwicklung moderner Antriebssysteme in erster Linie darum, die Lagerbelastung zu reduzieren und den Ein-satz der Ölschmierung weitmöglichst voran-zubringen.

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1) Geschwindigkeitsweltrekord der Elektrolok „Taurus“ von Siemens im Jahr 2006: 357 km/h

Leistung pro Fahrmotor [kW]

Höchstgeschwindigkeit [km/h]

Leistung pro Fahrmotor

Höchstgeschwindigkeit

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Integrierte Fahrmo-torkonstruktion für Niederflurfahrzeuge († Kapitel 2)

Radreifen

WartungsintervalleEin wichtiger Trend der heutigen Zeit, der sich wohl auch in absehbarer Zukunft fort-setzen wird, ist die Verlängerung der War-tungsintervalle. Ein Vorteil der Nutzung der Drehstromantriebstechnik bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist der niedrigere Wartungsbedarf, der somit verlängerte Wartungsintervalle zur Folge hat. Die fett-geschmierten Fahrmotorlager unterliegen heute gewissen Einschränkungen hinsicht-lich ihrer Lebensdauer, da eine wartungs-freie Zeit von rund 15 Jahren bis zur Lebens-dauermitte erwartet wird. Verschiedene neue Lagerkonstruktionen, Berechnungs-modelle und Prüfergebnisse können als Basis dienen, um dieses Ziel Schritt für Schritt zu erreichen († Kapitel 5).

Produktplattformen für Antriebssysteme

Getriebeausführungen werden zunehmend standardisiert, und manchmal werden ähnliche Konstruktionen in ganz unter-schiedlichen Anwendungen wie Hochge-schwindigkeitsfahrzeugen, Triebfahrzeugen oder sogar U-Bahnen eingesetzt. Es scheint, als würden sich die Lieferanten für Schienen-fahrzeuge künftig auf ausgewählte Konstruk-tionen konzentrieren, die die Basis für Produktplattformen bilden, mit denen höhere Fertigungsmengen und Kosteneinsparungen erzielt werden können.

NiederflurfahrzeugeBei Stadt- und Straßenbahnen in Nieder-flurbauweise werden aufgrund des begrenz-ten Einbauraums Sonderausführungen be-nötigt. Heute sind verschiedene, sehr unterschiedliche Ausführungen erhältlich, um diesen individuellen Anforderungen ge-recht zu werden († Kapitel 2).

Angewandte SKF Richtlinien zur Optimierung der Fettgebrauchsdauer. Weitere Informationen finden Sie auf Seite 132

1

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tFett [Relativwerte]

Standard-lager

TMBU Hybrid TMBU

Hybrid TMBU mit optimiertem

Käfig

tf = Nachschmierfrist bei 70 °C

toptimiert = tfett Lagerleistungsfaktoren

1

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SKF LeistungspaketeIn über 100 Jahren ist SKF zum Synonym für moderne Lagertechnik und zum weltweit führenden Lieferanten der Bahnindustrie geworden. Daneben ist SKF mit ihrer soliden Wissensbasis auch ein führender Anbieter von Produkten und Lösungen in den Berei-chen Mechatronik-, Dichtungs- und Schmier-systeme sowie von Dienstleistungen für verschiedene Anwendungen

Anwendungslösungen für Drehgestelle beinhalten:

• Radsatzlagergehäuse,• Radsatzlager,• Sensoren,• Zustandsüberwachung,• Subsysteme und• damit zusammenhängende

Dienstleistungen

Diese wurden bereits im Handbuch Schie-nenfahrzeuge, Band 1 vorgestellt [1].

AntriebslösungenDer Lieferumfang für die Gegenwart und Zukunft umfasst:

• Lager für Fahrmotoren und Getriebe• elektrisch isolierte INSOCOAT Lager und

Hybridlager• Fahrmotor-Lagereinheiten• Sensoren• Zustandsüberwachung und • Dienstleistungen

SKF unterhält ein einzigartiges weltweites Netzwerk von Vertriebsspezialisten, Anwen-dungsingenieuren und Servicetechnikern, die eng mit den Herstellern und Betreibern von Schienenfahrzeugen bei internationalen Projekten zusammenarbeiten.

Radsatzlagergehäuse, Radsatzlager und SKF Axletronic SensorenWeitere Informationen finden Sie im Hand-buch Schienenfahrzeuge, Band 1.

Drehverbindung

16

AMPEP HochleistungsgleitlagerWeitere Informationen finden Sie im Handbuch Schienenfahrzeuge, Band 1 Kapitel 9.

Zustandsüberwachung († Kapitel 9)

SpurkranzschmierungWeitere Informationen finden Sie im Hand-buch Schienenfahrzeuge, Band 1, Kapitel 9.

Übertragung, Überwachung und Management von Daten († Kapitel 9)

Getriebe- und Fahrmotorlager – Rillenkugellager– Schrägkugellager– Vierpunktlager– Zylinderrollenlager– Kegelrollenlager– Pendelrollenlager(† Kapitel 3)

– INSOCOAT Lager– Hybridlager(† Kapitel 4)

– Fahrmotor-Lagereinheiten(† Kapitel 5)

SKF bietet der Bahn-industrie vielfältige Dienstleistungen, um die speziellen Anfor-derungen ihrer Kunden zu erfüllen.(† Kapitel 10)

1

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Lebenszyklus PartnerschaftMit dem Konzept der Lebenszyklus-Part-nerschaft bündelt SKF ihr gesamtes Wissen und sämtliche Technologien, um ihre Kun-den in der Bahnindustrie bei wirtschaft-lichen und umweltbezogenen Heraus-forderungen zu unterstützen. Dies betrifft insbesondere

• Innovationen für profitables und nach-haltiges Wachstum

• Entwicklung und Umsetzung• Anlagenmanagement und Wieder-

instandsetzung• Präsenz vor Ort.

SpezifikationAls Marktführer und technologischer Trend-setter fühlt sich SKF der speziellen Nachfrage der Bahnindustrie verpflichtet und bietet kundenspezifische Lösungen und Produkte an.

Konstruktion und Entwicklung

Die SKF Wissensplattformen und langjährige Praxiserfahrung können zur Durchführung einer genauen Analyse des Kundenbedarfs und zur Entwicklung einer zukunftsorien-tierten Lösung basierend auf den wirtschaft-lichen und umweltbezogenen Anforderun-gen von Schienenfahrzeugen genutzt werden.

Es ist mehr als eine Partnerschaft, was SKF mit ihren Kunden verbindet. Es ist von Anfang an eine enge und intensive Bezie-hung, die von gemeinsamen Werten wie Sicherheit, Qualität, Profitabilität und Energieeinsparung geprägt ist.

Fertigung und PrüfungSKF verfügt über ein erfahrenes Mitarbeiter-team, hervorragende Fertigungsstandards, bewährte Qualitätslenkungs- und Qualitäts-sicherungsverfahren sowie spezielle Bahn-prüfzentren in China, Russland und Europa.

Von entscheidender Bedeutung für eine langfristige Zuverlässigkeit sind rigorose Leistungs- und Dauerprüfungen mittels moderner Prüfstände und Feldversuche, die von den wichtigsten zuständigen Behörden bescheinigt werden.

Montage und ÜbergabeDer SKF Montageservice bietet den umfas-sendsten Service von der Freigabe bis hin zum Einbau vor Ort einschließlich Hand-bücher, Dokumentationen und individuelle Schulungen.

Die gut ausgebildeten SKF Vertriebs- und Serviceteams beraten unsere Kunden mit ihrem anwendungstechnischen Fachwissen und unterstützen sie in der jeweiligen Landes-sprache bei individuellen Anforderungen.

Mit 140 Fertigungsbetrieben in 32 Ländern verfügt SKF über eine starke Präsenz vor Ort und bietet der Bahnindustrie weltweit den besten Kundenservice.

Betrieb und ÜberwachungDas umfassende Wissen, das sich SKF im Bereich Schienenfahrzeuge erworben hat, ist einzigartig auf der Welt. Aufgrund der engen partnerschaftlichen Zusammenarbeit mit ihren Kunden konnte SKF ein besonders weitreichendes Verständnis für die Prozesse und Herausforderungen dieser Industrie entwickeln. SKF liefert von Gesamtlösungen zur Maximierung von Zuverlässigkeit, Be-triebssicherheit und Produktivität aufseiten der Betreiber.

Durch den Einsatz von Zustandserfas-sungssystemen und die Anwendung beson-derer Algorithmen bei der Datenverarbeitung können Schäden bereits im Frühstadium entdeckt werden. Dadurch steht ausreichend Zeit für Reparaturen zur Verfügung, bevor größere mechanische Ausfälle auftreten, was die Lebenszykluskosten optimiert.

Instandhaltung und Reparaturen

Die von SKF durchgeführten Instandhal-tungs- und Reparaturarbeiten sorgen für eine längere Produktlebensdauer, reduzie-ren ungeplante Instandhaltung und ver-längern die Betriebszeit von Anlagen und Einrichtungen. Hierfür bietet SKF eine individuelle Instandhaltungs strategie.

SKF Mitarbeiter kümmern sich um die Aufarbeitung von Lagern. Unter Beachtung strenger Vorschriften und Durchführung konsequenter Qualitätskontrollen werden die Lager wieder instand gesetzt und in einem Zustand, der neuen Lagern vergleich-bar ist, zurück an den Kunden geschickt.

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Spezifikation Konstruktion und Entwicklung Fertigung und Prüfung

Montage und ÜbergabeBetrieb und ÜberwachungInstandhaltung und Reparaturen

SKF Lifecycle- Management

Design und Entwicklung

Spez

ifika

tion Fertigung und Prüfung

Instandhaltung und ReparaturBetrieb und Überwachung

Montage und Inb

etrie

bnah

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QualitätSKF verfolgt einen systematischen und disziplinierten Ansatz zur Erzielung radikaler Verbesserungen in sämtlichen Geschäfts-prozessen, wobei eine verbesserte Kunden-zufriedenheit eines der Hauptziele darstellt. Kontinuierliche Verbesserungen werden durch die Six-Sigma-Methoden und Tool-boxen sowie das Business-Excellence-Pro-gramm von SKF erreicht.

Six SigmaBeim Six-Sigma-Prozess von SKF handelt es sich um ein kontinuierliches Verbesse-rungsprogramm innerhalb des Unterneh-mens, das auf die Reduzierung von Abfall und Mängeln in sämtlichen Geschäftspro-zessen ausgerichtet ist. Es gibt eine Vielzahl von Tools und Methoden im Rahmen des Six-Sigma-Programms von SKF, angefan-gen beim traditionellen DMAIC und Design for Six Sigma bis hin zu Lean und anderen Abfall reduzierenden Methoden. Die Grund-lagen für Six-Sigma-Verbesserungen bei SKF sind faktenbasiert, nachhaltig und leisten einen Beitrag zu den Geschäftszielen.

Business ExcellenceDas Business-Excellence-Programm von SKF stellt für unsere Kunden eine Wert-schöpfung in möglichst effektiver und effizi-enter Weise dar, wobei das Wissen unserer Mitarbeiter, Geschäftspartner und die Tech-nologie des Unternehmens genutzt werden. Über das Business-Excellence-Programm gibt SKF ihre Erfahrung im Fertigungsbereich in andere Prozesse und Abläufe innerhalb der SKF Gruppe weiter. Bei Business Excel-lence geht es um mehr als nur um Ergeb-nisse. Es ist eine aktive Herausforderung an das Unternehmen darüber nachzudenken, ob es die richtigen Ergebnisse auch auf die bestmögliche Art und Weise erzielt.

ZertifikateDie SKF Qualität ist durch entsprechende Qualitätszertifikate dokumentiert, die auf internationalen Normen und Freigaben von Kunden basieren. Nebenstehend und auf der Folgeseite sehen Sie eine Auswahl an Zertifikaten, die die SKF Gruppe und die SKF Railway Business Unit erhalten haben. Wei-tere Zertifikate der SKF Vertriebs- und Fer-tigungsbereiche für die Bahnindustrie stel-len wir unseren Kunden auf Anfrage gerne zur Verfügung.

Qualitätsmanagement-Zertifikat nach ISO 9001 für die SKF Rail-way Business Unit

Zertifikat nach ISO/IEC17025 über die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien für das SKF Forschungs- und Entwicklungszen-trum in Nieuwegein, Niederlande

IRIS (International Railway Industry Standard)-Zertifikat für die SKF Railway Business Unit

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Management-System-Standards-Zertifikat nach ISO 14001, OHSAS 18001 für die SKF Gruppe

Q1-Zertifikat der Deutschen Bahn für Qualitätsfähigkeit

Uneingeschränkte Qualitätsbe-scheinigung AQF2 der französi-schen SNCF

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AuszeichnungenKundenauszeichnungen können als Aner-kennung für die herausragenden Anstren-gungen von SKF gesehen werden, die Anforderungen ihrer Kunden nicht nur zu erfüllen, sondern zu übertreffen.

Dies ist das Ergebnis zuverlässiger und effizienter Prozesse und eines Programms zur kontinuierlichen Verbesserung mit der Zielsetzung einer „Null-Fehler-Qualität“. Die nachfolgenden Kundenauszeichnungen bestätigen SKF in ihrem Bemühen um kontinuierliche Qualitätsverbesserungen.

„Supplier Sustainability Award 2012“ von Bombardier „2010 Supplier of the Year“-Award von GE Transportation

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Qualitätsauszeichnung von Siemens für große Antriebe „Excellent Supplier 2009“-Award der CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co., Ltd.

1

23

2 AntriebskonzepteKonstruktionsprinzipien . . . . . . . 26

Hochgeschwindigkeits - fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Elektrische und diesel - elektrische Lokomotiven . . . . . . 43

Elektrische und dieselelektrische Personenfahrzeuge . 47

Niederflurfahrzeuge . . . . . . . . . . 51

Dieselhydraulische Fahrzeuge . . 58

SKF Tatzlagerungen . . . . . . . . . . 60

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Antriebskonzepte

Antriebssysteme von Schienenfahrzeugen, wie Getriebe und Fahrmotoren, müssen leistungsfähig, äußerst zuverlässig und kosteneffizient sein. Darüber hinaus müssen sie Umweltvor-schriften erfüllen und einen geringen Wartungsbedarf haben. Die Anforderungen an solche Anwendungen sind aufgrund des hohen Gewichts von Schienenfahrzeugen und der Notwendig-keit langer Wartungsintervalle viel strenger als in anderen Industriezweigen.

Antriebssysteme von Schienenfahrzeugen übertragen das Drehmoment des Fahr- oder Verbrennungsmotors, der normaler-weise bei höheren Drehzahlen läuft, mittels eines 1-, 2- oder mehrstufigen Getriebes auf den Radsatz.

Die Antriebssysteme müssen leistungsfähig, umweltfreundlich, äußerst zuverlässig und kosteneffizient sein und dürfen nur einen niedrigen Wartungsbedarf haben. Die Anforderungen an die Instandhaltung von Schienenfahrzeugen sind sehr viel strenger als beispielsweise in der Kfz-Industrie, da die Wartungsintervalle in dieser Branche sehr viel länger sein müssen. Neue Strecken-lokomotiven werden zwar häufig gewartet, aber größere Instandhaltungsarbeiten wer-den erst nach einer Laufleistung von 1 bis 1,5 Millionen Kilometern durchgeführt. Diese Lokomotiven legen durchschnittlich mehr als 1 000 Kilometer pro Tag zurück. Höchst-geschwindigkeitszüge verkehren mit Ge-schwindigkeiten von bis zu 350 Stunden-

kilometern und erreichen so eine viel höhere Tageslaufleistung.

Zwei bedeutende Entwicklungen, nämlich Drehstromantriebssysteme († Seite 37) und die Niederflurtechnik bei Nahverkehrs-fahrzeugen († Seite 51 bis 57), haben die Antriebskonzepte grundlegend verändert.

25

2

KonstruktionsprinzipienSeit Beginn der Entwicklung von Antrieben herrscht der allgemeine Trend vor, die immer höheren Motordrehzahlen mit Einsparungen bei Masse und Platz zu kombinieren. Dies führt zu einer höheren Getriebeübersetzung bei einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwin-digkeit. Ferner müssen die Antriebskon-struktionen die Relativbewegungen zwischen Drehgestell-/Fahrzeugrahmen und Radsatz ausgleichen können. Die Anzahl der Getrie-bestufen ist abhängig von der Höchstdrehzahl des Fahrmotors und der Höchstgeschwindig-keit des Fahrzeugs. Normalerweise haben Lokomotiven mit luftgekühlten Fahrmotoren und einer Leistung von 500 bis 1 700 kW ein einstufiges Getriebe mit einer Überset-zung von 3 bis 5.

Es gibt immer mehr Bestrebungen sämt-liche Konstruktionsanforderungen mithilfe unterschiedlichster Ausführungen zu erfüllen. In der Tabelle auf den Seiten 28 und 29 sind die Konstruktionsprinzipien von Antrieben mit ihren Varianten aufgeführt.

KonstruktionsvariantenHier gibt es drei Hauptüberlegungen:

• Es gibt viele unterschiedliche Antriebs-formen, die in drei Hauptkategorien unterteilt werden können: – unterschiedliche Anordnungen von Radsätzen und Einzelrädern, wie bei-spielsweise bei Niederflurfahrzeugen

– Kraftübertragungsrichtung – Aufhängungsprinzip

Die erste Elektrolokomotive von Siemens1) aus dem Jahr 1879 besaß ein sehr komplexes Antriebssystem: einen Fahrmotor mit einem zweistufigen Stirnradgetriebe, ein Schrägstirnrad mit Rückwärtsgang und ein weite-res Stirnrad zum Antrieb der beiden Radsätze.Foto: Siemens Firmenarchive

Anforderungen an Antriebskonstruktionen [3]

• masse- und platzsparend• Dämpfung dynamischer Erschütterungen• einwandfreie Rotationsübertragung bei den vertikalen

Relativbewegungen zwischen Radsatz und Fahrmotor. Bei einer fehlerhaften Rotationsübertragung würden bei den vertikalen Radsatzbewegungen zusätzliche Drehmomente auf den Fahrmotor einwirken.

• kontinuierliche Kraftübertragung ohne Überlagerung von Schwingungen

• Bewegungsfreiheit von Radsätzen und Fahrmotor• keine Entstehung von Blindenergie• beim Bremsen und Beschleunigen in beide Richtungen

betriebsfähig• modulare Ausführung für unterschiedliche Anwendungs-

anforderungen• niedriger Verschleiß• geringer Wartungsbedarf• speziell auf die Optimierung von Produktionskosten

ausgelegt

1) Frühe Meilensteine in der Entwicklung elektrisch betriebener Schienenfahrzeuge: 1835: Thomas Davenport baute das Modell eines elektrisch betriebenen Schienenfahrzeugs in den USA. 1837 oder 1838: Robert Davidson baute ein weiteres Modell und danach die Lokomotive Galvani in Originalgröße in Großbritannien. 1840: Johann Philipp Wagner stellte noch ein Modell her und versuchte eine Lokomotive in Originalgröße in Deutschland zu bauen, die allerdings nicht fertiggestellt wurde. 1850: Charles Grafton Page baute eine Elektro-lokomotive in den USA, die bei der Erprobung ausfiel. 1875: Fjodor Pirozki nahm eine elektrische Straßenbahn in Russland in Betrieb, die für Feldversuche benutzt wurde.

26

Relative Lebens-dauer [9] nach Erfah-rung der Kunden

Die Kraftübertragungsrichtung und das Aufhängungsprinzip haben einen direkten Einfluss auf die zusätzlichen dynamischen Belastungen, die es zu berücksichtigen gilt.

• Es gibt eine große Zahl von Getriebekon-struktionen, die sich nach Anordnung, Stufen, Verzahnung und Anzahl der Lager pro Getriebe unterscheiden. Daneben gibt es noch Sonderausführungen. Eine solche spezielle Konstruktion ist der bei Direkt-antriebssystemen eingesetzte Naben-motorantrieb, der normalerweise bei Nie-derflurfahrzeugen Verwendung findet [4].

• Die Ausführung des Fahrmotors ist vor allem von drei Konstruktionsmöglichkeiten abhängig: – Kupplung (eingebaut oder nicht) – vorstehendes Ritzel, das das Getriebe direkt antreibt

– auf der Fahrmotorwelle montiertes Zahnrad.

All dies hat einen direkten Einfluss auf eventuelle zusätzliche dynamische Belas-tungen, die es zu berücksichtigen gilt. Da-rüber hinaus gibt es auch Spezialausfüh-rungen († Seite 55 bis 57). Schließlich kann auch die Anzahl der Lager auf der Fahrmotorwelle variieren.

Das Antriebssystem kann so ausgelegt wer-den, dass es verschiedene Anbauten auf-nehmen kann, wie beispielsweise Sensoren, einen Kompressor, einen Generator zur Ver-sorgung der Batterie, Bremsen, Erdungs-bürsten und Zustandsüberwachungssysteme.

Fahrmotor mit elastischer Kupplung und einem von zwei Lagern gestützten Ritzel

Relative Lebensdauer: 400

Antriebsseitiges Lager, in das Getriebe integriert


Vorstehendes Fahrmotorritzel


Nichtantriebsseitiges Fahrmotorlager

Antriebsseitiges Fahrmotorlager


In das Getriebe integriertes Lager


Zwei in das Getriebe integrierte Lager

Kupplung

In der Tabelle auf den Seiten 28 und 29 sind die wichtigsten Antriebskonstruktionen und -varianten aufgeführt, soweit sie in die-sem Handbuch behandelt werden. Berück-sichtigt man alle theoretisch möglichen Kombinationen dieser Tabelle, so ergeben sich rund 1,1 Millionen Varianten (ohne An-bauvarianten). Diese Tabelle soll einen allge-meinen Überblick geben. In Wirklichkeit sind sogar noch viel mehr Varianten als die dort aufgeführten möglich. Weitere Informatio-nen über die unterschiedlichen Ausführun-gen von Getrieben und Fahrmotoren sind von den Herstellern erhältlich [5]. In den Fußnoten zur Tabelle werden einige Haupt-anwendungen genannt. Weitere Einzelheiten zu den ausgewählten modernen Konstruk-tionen werden anhand von Zeichnungen erklärt. Außergewöhnliche ältere Ausfüh-rungen werden beschrieben, um den Vergleich mit modernen Konstruktionen zu ermöglichen [6, 7, 8].

Gegenwart und ZukunftBei der Entwicklung von Antriebskonstrukti-onen geht es heute und in Zukunft vor allem darum, die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Wartungsintervalle zu verlängern und mehr modulbasierte Konstruktionsprinzipien anzu-wenden, die größere Stückzahlen und Kosten-einsparungen ermöglichen. Ein wichtiges Hilfsmittel zur Erreichung dieser Ziele ist die Zustandsüberwachung bei Getrieben, Kar-danwellen und Fahrmotoren († Kapitel 9).

27

2

Konstruktionsprinzipien von Antrieben und ihre Varianten – Auswahlkriterien1)

Radsätze und Räder• Einzelradsatz-Antrieb2)

• Doppelradsatz-Antrieb• Mehrfachradsatz-Antrieb3)

• Einzelrad-Antrieb4)

• zwei einzeln aufeinanderfolgende Räder4)

Anordnung

Kraftübertragungsrichtung• längs• quer2)

• vertikal4)

• geneigt4)

Aufhängung• starr, tatzengelagert• halbabgefedert• vollabgefedert

Anzahl• kein Getriebe, Direktantrieb4)

• ein Getriebe2)

• zwei über Kardanwellen miteinander verbundene Getriebe5)

Getriebe

Anordnung• Stirnrad2)

• rechtwinklig• nicht rechtwinklig4)

Stufen• einstufig• zweistufig• mehrstufig5)

Verzahnung• gerade• schräg• doppelschräg6)

Lager pro Welle• eins7)

• zwei• drei und mehr8)

Ausführung• keine spezielle Ausführung2)

• Planetengetriebe4)

• Achsgetriebe9)

Anordnung• Ritzelantrieb• direkte Kupplung• elastische Kupplung• andere Ausführung

Fahrmotor

Lager• eins7)

• zwei• drei und mehr8)

Ausführungen• keine spezielle Ausführung• Hohlwelle• Ritzel wird in die konische Bohrung

der Welle gepresst

28

Fahrmotor• keine Anbauten11)• Sensoren z. B. Geschwindigkeits-

messer12)

• Kompressor13)

• Generator13)

Anbauten

Bremse• keine eingebaute Bremse11)

• Bremse auf der Motorwelle• Bremse auf der Getriebewelle• Bremse auf einer speziellen10)

Bremswelle des Getriebes10)

Erdungsbürste• keine an Getriebe/Tatzlagerung

befestigte Erdungsbürste11)

• auf der Fahrmotorwelle• am Tastlagergehäuse14)

Zustandsüberwachung15)

• keine Zustandsüberwachung• Sensoren z. B. für Schwingungen,

Temperatur, Überwachungseinheit

1) Nur bei elektrischer Kraftübertragung. Hydraulische und mechanische Kraftübertragung († Seite 58)

2) Häufigste Ausführung3) Bei älteren Ausführungen, z. B. mit Stangenantrieben4) Bei Niederflurfahrzeugen und Einschienenbahnen5) Bei Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen6) Zur Vermeidung von Axiallast; auch Pfeilverzahnung genannt.7) Ein Lager ist im Getriebe und das andere im Fahrmotor eingebaut. Die beiden Wellen können

über eine starre Kupplung miteinander verbunden werden.8) Bei einer sehr hohen Schrägverzahnung nehmen zwei Lager die Radiallast und ein oder zwei

Lager die Axiallast auf.9) Z. B. U-Bahn-Pneus, siehe SKF Handbuch Schienenfahrzeuge, Band 1, Seite 13, linke Spalte10) So kann die höhere Geschwindigkeit genutzt und die Bremskräfte können reduziert werden.11) Bei den meisten Anwendungen12) Bei Drehstromantrieb († Kapitel 8)13) Hauptsächlich bei Oberleitungsbussen († Seite 54)14) Z. B. am Tatzlagergehäuse befestigt († Seite 47)15) Kapitel 9

29

2

Querantriebe

TatzlagerantriebeBeim Tatzlagerantriebskonzept handelt es sich um eines der ältesten Konstruktions-prinzipien. Ursprünglich wurde diese Antriebsart bei Straßenbahnen und später auch bei Lokomotiven und Elektro- und Dieseltriebwagen eingesetzt († Kapitel 1).

Der quer angeordnete Fahrmotor wird zum Teil über den Drehgestellrahmen abge-stützt, während der andere Teil direkt über das Getriebe mit dem Radsatz verbunden ist. Dieses kostengünstige Konstruktions-prinzip ist sehr vielseitig. Allerdings ist es aufgrund des eingeschränkten dynamischen Verhaltens nur für einen begrenzten Drehzahlbereich einsetzbar. Eine Hauptan-wendung sind heute Güterlokomotiven, bei denen der Tatzlagerantrieb immer noch sehr verbreitet ist.

Der Fahrmotor wird zum Teil über Federn vom Drehgestellrahmen abgestützt, während der andere Teil über die Tatzlager direkt mit dem Radsatz verbunden ist.

Konstruktionsprinzip des Tatzlagerantriebs

Tatzlagerantrieb mit verkürztem Lagerabstand auf der Radsatzwelle zur Gewichtseinsparung bei moderneren Konstruktionen

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Konstruktionsprinzip einer Tatzlagerung

TatzlagerungenTatzlagerungen dienen dem Fahrmotor als Radsatzstütze. SKF bietet maßgeschneider-te Ausführungen von Tatzlagerungen, die auf verschiedenen Konfigurationen von Lagertypen basieren, die sich nach Betriebs-anforderungen und Kundenspezifikationen richten († Seite 60 bis 61).

KegelrollenlagerMit Kegelrollenlagern ist eine starre und genaue Lagerung mit hochpräzisem Inein-andergreifen der Zahnräder möglich. Beim Einbau des Lagers wird das jeweils spezifi-zierte Axialspiel eingestellt, das die Voraus-setzung für eine hohe Zuverlässigkeit ist. Kegelrollenlager sind auch mit einem Flansch am Außenring erhältlich († Seite 91). Dadurch können angrenzende Bauteile einfacher konstruiert werden.

INSOCOAT KegelrollenlagerINSOCOAT Kegelrollenlager für Tatzlage-rungen sind mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf den Außenflächen des Außenrings versehen. Die INSOCOAT Lager-ausführung verhindert praktisch frühzeitige Lagerausfälle aufgrund von Streuströmen († Kapitel 4).

Tatzlagerung mit beidseitig eingebautem Kegelrollenlager

Tatzlagerung mit INSOCOAT Kegelrollenlagern mit elektrisch isolierender Beschichtung

Stromisoliertes INSOCOAT Kegelrollenlager mit Flansch († Kapitel 9)

Tatzlagerung

Fahrmotor

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2

ZylinderrollenlagerIm Vergleich zu Kegelrollenlagern können Zylinderrollenlager mit höheren Drehzahlen laufen und müssen nicht so oft nachge-schmiert werden. Einbau und Montage sind einfacher, da das Radialspiel nach dem Ein-bau durch die Auswahl von Lagern mit einer bestimmten Radialluftklasse († Seite 80), und Wellen- und Gehäusepassungen fest-gelegt wird. Es können unterschiedliche Bauformen verwendet werden. Häufig wer-den zwei Zylinderrollenlager der Bauform NU mit einem Winkelring HJ eingesetzt. Bei der Montage muss das entsprechende Axi-alspiel sorgfältig eingestellt werden.

Kombination aus Zylinderrollenlager und Rillenkugellager Eine ähnliche Konstruktion stellt die Kombi-nation eines Zylinderrollenlagers der Bau-form NU auf der Antriebsseite und eines Rillenkugellagers auf der Nichtantriebsseite dar. Diese Konstruktion dient zur Aufnahme höherer, aufgrund des Schrägstirnrads ein-wirkender Axiallasten. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Anpassung des Axialspiels erforderlich ist.

PendelrollenlagerPendelrollenlager werden hauptsächlich bei schweren Lasten und einer höheren Wellen-durchbiegung eingesetzt. Diese Lager haben eine niedrigere Drehzahlgrenze und müssen in kürzeren Abständen nachgeschmiert werden.

Der Vorteil dieser Lager ist, dass die Tatzlagersitze separat gefertigt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass Pendel-rollenlager winkel beweglich sind und eine Schiefstellung (Wellendurchbiegung) ausgleichen können.

Tatzlagerung mit einem beidseitig eingebauten Zylinderrollenlager der Bauform NU mit Winkelring HJ

Tatzlagerung mit zwei Pendelrollenlagern

Tatzlagerung mit einem Zylinderrollenlager der Bauform NU auf der Antriebsseite und einem Rillenkugellager auf der Nichtantriebsseite

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Halbabgefederte AntriebeUm die auf den Fahrmotor einwirkenden Kräfte zu verringern, wird eine modernere Konstruktion verwendet, bei der eine Kupplung zwischen dem Fahrmotor und der Welle, die das Getriebe antreibt, eingebaut ist. Diese Konstruktion trägt dazu bei, die Zuverlässigkeit des Fahrmotors zu erhöhen, das ungefederte Gewicht des Antriebssys-tems zu senken und die auf die Fahrmotor-lager einwirkenden dynamischen Kräfte zu verringern, die vor allem radial und axial durch das Rotorgewicht ausgeübt werden.

Halbabgefederte Antriebe mit zwei GetriebenIn Hochgeschwindigkeitsanwendungen kann der Fahrmotor am Wagenkasten aufgehängt werden. In diesem Fall werden zwei Getriebe verwendet. Ein Getriebe ist einerseits mit dem Fahrmotor und andererseits über eine Kardanwelle mit dem zweiten Getriebe ver-bunden. Der Tatzlagerantrieb ist achsreitend eingebaut.

Achsreitender Tatzlagerantrieb. Zwischen Getriebe und Fahrmotor ist eine elastische Kupplung eingebaut.

Halbabgefederte Antriebe mit zwei Getrieben

Elastische Kupplung

Am Drehgestellrahmen oder Wagenkasten aufgehängtes Antriebssubsystem

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2

Vollabgefedertes Hohlwellenantriebsprinzip in Aktion während des Betriebs

Vollabgefederter Hohlwellenantrieb mit Getrieben und Federaufhängung auf beiden SeitenZylinderrollenlager der Bauform NJ mit verbreitertem Innenring, der einen Innenringversatz bewirkt, welcher eine größere axiale Verschiebbarkeit ermöglicht.

Vollabgefedertes Hohlwellenantriebsprinzip

Vollabgefederte AntriebeDer Hohlwellenantrieb ist die gebräuchlichste vollabgefederte Antriebsform. Bei diesem Antrieb ist der Fahrmotor am Getriebe be-festigt, das vom Drehgestellrahmen getragen wird. Das Drehmoment wird vom Groß-zahnrad über einen Verbindungsstern und verschiedene gummigefederte Verbindungs-stangen übertragen, die den Verbindungs-stern der Hohlwelle antreiben. Von der Hohlwelle wird das Drehmoment über einen weiteren Verbindungsstern und verschiedene gummigefederte Verbindungsstangen über-tragen, die das Rad auf einer Seite antreiben. Die Relativbewegungen werden über die elastische Verformung der Gummifederung der Verbindungsstangen ausgeglichen [10] († Seite 40, 42, 46, 49 und 51).

Hohlwellenantriebe werden bei sämtlichen Arten von elektrisch betriebenen Schienen-fahrzeugen eingesetzt, insbesondere bei höheren Drehzahlen oder höheren Anforde-rungen an einen geringeren Verschleiß von Rad und Schiene. Zu Beginn der Marktein-führung des Hohlwellenantriebs wurden bei Anwendungen mit höherer Leistung Feder-aufhängungen auf beiden Seiten eingebaut.

Zylinderrollenlager, Bauform NJ

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Längsantriebe

Halbabgefederte AntriebeDieses sehr einfache Antriebsprinzip wird bei herkömmlichen Triebfahrzeugen, U-Bahnen, Stadt- und Straßenbahnen eingesetzt. Der Fahrmotor wird durch den Drehgestellrah-men voll abgefedert und treibt ein Kegelrad-getriebe über eine elastische Kupplung an. Dieses Konstruktionsprinzip († Seite 50) wird bei höheren Anforderungen an einen gegenüber einmotorigen Antriebskonstruk-tionen († Seite 36) geringeren Verschleiß von Rad und Schiene genutzt..

In manchen Fällen werden zusätzliche Axialkräfte festgestellt, weil die Kardanwelle während des Betriebs keine Axialbewegun-gen ausgleichen kann.

Fully-suspended drivesIn Hochgeschwindigkeitsanwendungen kommen vollabgefederte Längsantriebsar-ten zum Einsatz. Dabei wird der Fahrmotor vom Wagenkasten getragen und treibt eine Kardanwelle an. Die Kardanwelle ist über eine Hohlwelle mit dem Getriebe verbunden. Diese Hohlwelle treibt den Radsatz über Kupplungen an.

Halbabgefedertes Längsantriebsprinzip für Nahverkehrsfahrzeuge

Vollabgefedertes Längsantriebsprinzip

Bremsscheibe

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Einmotorige DrehgestellkonstruktionenIn den 1950er-Jahren waren Drehgestelle mit einem Fahrmotor im Einsatz, der beide Radsatzwellen antrieb. Diese Konstruktion ist als „einmotorige“ Antriebsart bekannt. Die mechanische Kupplung zweier Radsatz-wellen hat den Vorteil, dass sie eine bessere Haftung bietet, die selbst bei nassen und rutschigen Rad-Schiene-Bedingungen eine höhere Beschleunigung und Bremsleistung ermöglicht. Der Nachteil hierbei ist die Blindenergie, die entsteht, wenn sich die Raddurchmesser der einzelnen Radsatzwel-len während des Betriebs unterschiedlich verändern. Die Antriebsleistung wird von den beiden Kegelradgetrieben auf die Räder übertragen, die durch leichtes Gleiten die unterschiedlichen Radsatzdrehzahlen ausgleichen müssen.

Diese Konstruktion wird seit einigen Jahr-zehnten schon nicht mehr eingesetzt, weil neuere Längsantriebsformen eine Masse-einsparung ermöglichten. Allerdings wird das Grundprinzip dieser Antriebsart heute bei niederflurigen Stadt- und Straßenbah-nen verwendet. Dabei werden Einzelräder eingesetzt, und eine Antriebseinheit treibt zwei aufeinanderfolgende Räder an († Seite 52).

Einmotorige Drehgestellkonstruktionen mit zwei RotorenDer Fahrmotor ist mit zwei Rotoren ausge-stattet, um bei unterschiedlichen Raddurch-messern Blindenergie zu beseitigen.

Vollabgefederter Längsantrieb mit einem Fahrmotor, der zwei Kegelrad-getriebe antreibt.

Vollabgefederter Längsantrieb mit einem Fahrmotor und zwei Rotoren, die zwei Kegelradgetriebe antreiben.

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Fahrmotoren

Stufe 1Zu Beginn der Entwicklung von Fahrmotoren basierte die Konstruktion dieser Motoren auf einem Kollektor, der so angeordnet war, dass er in Kontakt mit einer Kohlenbürste stand. Dabei waren der Kollektor und die Bürste sehr wartungsintensiv († Seite 11 und 47).

Stufe 2In den frühen 1980er-Jahren wurden ge-wöhnlich Drehstromantriebe bei sämtlichen Arten von elektrischen und dieselelektrischen Schienenfahrzeugen eingesetzt. Die Dreh-stromtechnik ermöglichte die Entwicklung von Fahrmotoren mit höheren Rotordreh-zahlen, die sich durch größere Kompaktheit oder höhere Leistung bei vorgegebener Größe auszeichnen. Höhere Radiallasten, vor allem solche, die auf die antriebsseitig eingebauten Lager einwirken, resultieren aus dem größeren Motordrehmoment infolge höherer Antriebsleistung. Aufgrund der Schrägverzahnung und der größeren Stei-gungswinkel wirken größere Axialkräfte auf das Festlager ein. Dies erlaubt eine Optimie-rung der Konstruktion und Effizienz des Getriebes, wobei die Größe reduziert und die Geräuschpegel gesenkt werden.

Stufe 3Durch die Drehstromfahrmotoren kam es zur Einführung von ölgeschmierten Lagern, insbesondere auf der Antriebsseite. Dabei wird der Überhangeffekt durch Verringerung des Abstands zwischen Ritzel und antriebs-seitigem Lager reduziert. Dies führt zu einer Verringerung der hieraus resultierenden Radiallast und erlaubt ein Downsizing sowie die Verwendung von Lagern mit höheren zulässigen Drehzahlen. Die Ölschmierung ermöglicht gegenüber fettgeschmierten Lagern auch höhere Lagerdrehzahlen († Seite 40).

Bürste

Kollektor

Stufe 1Traditionelle Ausführung eines Gleich- bzw. frühen Einphasen-wechselstrommotors mit Kollektor und Bürste

Stufe 2Bürstenloser Drehstromfahrmotor mit externem Geschwindigkeitsmes-ser für das Antriebssystem. Es wurden schon sehr früh elektrisch isolier-te INSOCOAT Lager eingesetzt, um den schädlichen Stromdurchgang durch die Lager zu vermeiden († Kapitel 4).

Auf der Rotorwelle eingebautes Impulsrad

Auf der Motorabschirmung eingebauter Geschwindigkeitsmesser

Stufe 3Drehstromfahrmotor, dessen antriebsseitiges Lager auf dem Ritzel nun mit Getriebeöl geschmiert wird. Dadurch kann der Überhangeffekt des Ritzels verringert werden. Aufgrund der geringeren Lagerlast ist ein Downsizing möglich, wodurch Lager mit höheren zulässigen Drehzahlen Drehzahlen eingebaut werden können, die sich für die jeweiligen Rotor-drehzahlen besser eignen. Dies ermöglicht auch den Einsatz leistungs-stärkerer Fahrmotoren. Elektrisch isolierte INSOCOAT Lager werden im-mer häufiger standardmäßig in Fahrmotorkonstruktionen eingebaut.

37

2

Stufe 4 Drehstromfahrmotor mit antriebsseitigem Loslager, das vom Getriebe-gehäuse abgestützt wird. Es gibt keinen Überhang mehr, und die gesamte Lagerlast ist verringert. Somit kann die Lagergröße weiter reduziert werden, wodurch sich diese Fahrmotorkonstruktion auch für höhere Motordrehzahlen eignet († Seite 45 und 46). Elektrisch isolierte Lager werden standardmäßig eingebaut. Je nach Frequenz und Kapazität gegenüber dem ohmschen Widerstand, wie bei hochfrequenten Anwen-dungen, werden Hybridlager mit keramischen Wälzkörpern anstelle von INSOCOAT Lagern eingebaut.

Stufe 5Abgedichtete und vorgefettete Fahrmotor-Lagereinheit (TMBU), die auf der Nichtantriebsseite eines Fahrmotors eingebaut wird. Je nach Frequenz und Kapazität gegenüber dem ohmschen Widerstand, wie bei hochfrequenten Anwendungen, werden Hybridlager mit keramischen Wälzkörpern anstelle von INSOCOAT Lagern eingebaut.

Stufe 4Antriebsseitige Fahrmotorlagerungen, die Teil der Getriebeanordnung sind, beseitigen den Überhangeffekt vollständig und senken die abzustützenden Belastungen. Als Teil der Getriebeanordnung sind diese Lager ölge-schmiert und für relativ hohe Rotordrehzah-len geeignet. Diese Konstruktion wird bei Hochgeschwindigkeitszügen, Lokomotiven und Nahverkehrsfahrzeugen eingesetzt.

Mit der Einführung von frequenzumrich-tergesteuerten Motoren in den Antriebs-systemen von Lokomotiven und Triebwagen haben sich die Anforderungen an Fahrmotor-lager beträchtlich erhöht. Hochfrequente Streuströme lassen sich in den meisten Anwendungen nicht vermeiden. Allerdings kann bereits ein kurzzeitiger Stromdurch-gang durch die Wälzlager Schäden verur-sachen.

SKF bietet drei konstruktive Grundlösun-gen für die elektrische Isolierung von Fahr-motorlagern an, die von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung abhängig sind. Die Impedanz ist eine Vektorfunktion, die auf dem ohmschen Widerstand, der Frequenz und der Kapazität basiert. Die Kapazität ist ein Maß für die elektrische Ladungsmenge, die für eine vorgegebene Spannung gespeichert wird († Kapitel 4).

Stufe 5Ein weltweiter Trend geht hin zur Verwen-dung einbaufertiger, vorgefetteter Lagerein-heiten mit einem integrierten Dichtungssys-tem auf beiden Seiten. Diese Lagereinheiten vereinfachen die Montage erheblich und tragen zu einer höheren Zuverlässigkeit und Sicherheit bei.

Das Konzept der Fahrmotor-Lagerein-heiten (TMBU) bietet neue Möglichkeiten zur Platzeinsparung, Erleichterung des Einbaus, Verlängerung der Wartungsintervalle und Steigerung der Leistung. Fahrmotor-Lager-einheiten werden an das Motorgehäuse angeflanscht. Die nicht antriebsseitigen TMBU Ausführungen werden normalerweise mit einem Spezialfett geschmiert, um eine län-gere Fettgebrauchsdauer auch bei hohen Betriebstemperaturen zu erzielen. Die Lagereinheit ist mit berührungslosen Laby-rinthdichtungen ausgerüstet, die reibungs- und verschleißfrei arbeiten.

Um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, wird die elektrische Isolierung entweder durch eine INSOCOAT Beschichtung oder eine Hybridausführung mit keramischen Siliziumnitrid-Wälzkörpern gewährleistet.

Sensorbestückte Fahrmotor-Lagereinheit

38

Das TMBU Konzept bietet Möglichkeiten zur Platzeinsparung, vor allem in axialer Richtung. Durch die Verwendung von Fahr-motor-Lagereinheiten kann eine höhere Fahrmotorleistung bei vorgegebener Motorgröße erzielt werden.

In vielen Fällen erreichen diese Lager-einheiten eine sehr viel längere erweiterte SKF Lebensdauer. Die Berechnung der erweiterten SKF Lebensdauer basiert auf den Lastbedingungen, der Zuverlässigkeit und dem SKF Lebensdauerbeiwert. Letzte-rer berücksichtigt die Schmier- und Ver-schmutzungsbedingungen während des Betriebs. Aufgrund der Fettgebrauchsdauer ist mit einer begrenzten Lebensdauer im Einsatz zu rechnen († Kapitel 5).

GeneratorenUm Platz in axialer Richtung einzusparen, wird der Generator über eine elastische Kupplung direkt an den Verbrennungsmotor angeflanscht. Das nicht antriebsseitige Generatorlager nimmt nur Radiallasten auf.

Mittelgroße Verbrennungsmotoren in Verbindung mit Generatoren werden auch „Power Packs“ genannt.

Generator in EinlagerausführungBei Axialbewegungen muss das Axialspiel des Zylinderrollenlagers um mehrere Millimeter in beide Richtungen vergrößert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Zylinderrollenlager mit einem speziell konstruierten breiteren Innenring eingebaut wird.

HochgeschwindigkeitsfahrzeugeÜber mittlere Entfernungen von einigen Hundert Kilometern oder mehr bieten Hochgeschwindigkeitszüge eine attraktive, umweltschonende Alternative zum Flugzeug oder Auto. Züge bringen Reisende meist di-rekt in die Stadtzentren, ohne zeitraubende Shuttletransfers, Staus auf der Autobahn oder langwierige Parkplatzsuche.

Heute werden Hochgeschwindigkeitszüge weltweit mit nur wenigen Ausnahmen elek-trisch betrieben. Definitionen der Hochge-schwindigkeit und zusätzliche Informationen finden Sie auf Seite 226.

Zylinderrollenlager mit breiterem Innenring zur Erhöhung der axialen Lagerluft

39

2

Hochgeschwindig-keitsantriebssystem mit Triebköpfen, horizontale Ansicht

1) Das pfeilverzahnte Stirnrad-getriebe ist mit der Fahrmo-torwelle und dem Radsatz mit Rillenkugellagern axial angeordnet. Die Zwischen-welle muss nicht gehalten werden. Prinzipiell können Zylinderrollenlager der Bau-form NU verwendet werden. In manchen Fällen werden Lager der Bauform NJ zwecks besserer Handha-bung eingesetzt. In dieser Anwendung müssen die Innen- und Außenringe mit Versatz eingebaut werden. Mögliche Spezifikationen sind VA301 († Seite 80) oder eine breitere Innen-ringlaufbahn.

TriebköpfeVor einigen Jahren wurden Triebköpfe an der Zugspitze und/oder am Zugende eingesetzt.

Die Konstruktion dieser Triebköpfe, die außerhalb des Fahrgastsitzbereichs an-geordnet waren, ähnelte stark der von Lo-komotiven. Bei dieser Anordnung trat auf-grund der begrenzten Anzahl von angetriebenen Radsatzwellen eine höhere Axiallast auf, die negative dynamische Aus-wirkungen auf die Schienen hatte.

Rillenkugellager Zylinderrollenlager, Bauform NU, ölgeschmiert

Zylinderrollenlager, Bau-form NU oder NJ1)

Rillenkugellager Zylinderrollenlager, Bauform NU

Bremsscheiben

Hohlwelle

40

TriebwagenHeute geht der Trend dahin, mehr Wagen mit angetriebenen Radsätzen einzusetzen, um die Radsatzlast zu reduzieren. Diese Mehrfachantriebssysteme haben eine viel niedrigere Leistung pro Radsatz, sind relativ klein und besitzen viel Ähnlichkeit mit ande-ren elektrischen Triebfahrzeugen, die bei niedrigeren Drehzahlen eingesetzt werden. Ähnliche Antriebssysteme finden auch bei Nahverkehrsfahrzeugen Verwendung.

Halbabgefedertes Querantriebssystem

Kegelrollenlager, X-Anordnung


Kegelrollenlager, O-Anordnung


41

2

Vollabgefedertes Hohlwellen-Quer-antriebssystem Sensorbestückte Fahrmotor-Lagereinheit

(TMBU) mit HaltefunktionZylinderrollenlager, Bauform NJ


42

TatzlagerungTatzengelagerte Antriebe werden bereits in Kapitel 1, Seite 11 und auf den Seiten 30 bis 32 behandelt. Dieses Antriebsprinzip wurde weiterentwickelt und beinhaltet heute integrierte Lösungskonzepte zur Reduzierung der ungefederten Masse, die dem Rad-Schiene-System zusätzliche dynamische Kräfte auferlegt.

Integrierte TatzlagerantriebeDas Integrationsprinzip ermöglicht die Unterbringung von Fahrmotor und Getriebe in einer Einheit, um Masse und Platz zu sparen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass es keine fettgeschmierten und schwer belasteten vorstehenden Ritzellager mehr gibt. Bei dieser Konstruktion sind die Lager geringeren Belastungen ausgesetzt, wo-durch sie auch in viel kleinerer und teilweise ölgeschmierter Ausführung eingebaut werden können.

Elektrische und dieselelektrische LokomotivenElektrisch betriebene Güterzüge werden von Elektrolokomotiven gezogen. Diese können für einen für Güterzüge typischen Geschwindigkeitsbereich ausgelegt, oder aber Mehrzwecklokomotiven sein, die auch für Personenzüge verwendbar sind. Insbe-sondere in Europa werden manche Loko-motiven für Güter- und Personenzüge mit Geschwindigkeiten im Bereich von 230 km/h und einer hohen Leistung eingesetzt. Diese Verwendung stellt recht unterschiedliche Anforderungen an das Antriebssystem.

Dieselbetriebene Güterzüge können von Lokomotiven mit elektrischer Kraftübertra-gung gezogen werden. In diesem Fall ist ein Generator an den Verbrennungsmotor angeflanscht, während das Getriebe († Seite 39) und der Fahrmotor sehr stark dem Getriebe und Fahrmotor einer Elektro-lokomotive ähneln. Sehr typisch für Schwer-güterzüge sind die aus mehreren Einheiten bestehenden Lokomotiven mit vier und sechs Achsen und einer hohen Radsatzlast. Eine andere Lösung besteht darin, eine hydraulische Kraftübertragung, ein Wende-getriebe († Seiten 58 und 59) zum Betrieb in beide Richtungen und Kardan-Radantriebe vorzusehen. Bei geringerer Leistung und Geschwindigkeit bieten sich mechanische und hydrostatische Antriebssysteme an.

43

2

Integrierter Tatzlagerantrieb

Eingangswelle mit drei oder mehr LagernDiese Ausführung zeichnet sich wie folgt aus:

• Fahrmotor: direkt angeflanscht, nur ein Lager auf der Nichtantriebsseite, Zylin-derrollenlager, Bauform NU oder NUP/NH († Seite 75) mit speziellem Axialspiel zur Aufnahme der Axialbewegungen der elastischen Kupplung.

• Über eine elastische Kupplung mit dem Fahrmotor verbundenene Getriebewelle: meistens zwei Zylinderrollenlager der Bauform NU für Radiallasten, ein Rillen-kugellager für Axiallasten.

• Getriebeaufhängung: ein Zylinderrollen-lager der Bauform NU auf der Antriebs-seite, ein Rillenkugellager für Radial- und Axiallasten auf der Nichtantriebsseite.

Zylinderrollenlager, Bauform NU

Rillenkugellager


Rillenkugellager

44

Eingangswelle mit zwei LagernDiese Ausführung basiert auf dem Aus-tausch der elastischen Kupplung und eines Getriebelagers bzw. einer Getriebelagerung, wobei die Funktionen der Fahrmotorwelle und der Getriebeeingangswelle zusammen-gelegt sind. Die gemeinsame Welle besitzt ein ölgeschmiertes Zylinderrollenlager der Bauform NU auf der Antriebsseite und ein fettgeschmiertes Rillenkugellager zur Auf-nahme von Axial- und Radiallasten auf der gegenüberliegenden Seite.

Die Getriebeaufhängung ist mit einem Zylinderrollenlager der Bauform NU auf der Antriebsseite und einem Rillenkugellager zur Aufnahme von Radial- und Axiallasten auf der Nichtantriebsseite ausgestattet.

Tatzlagerantrieb

Zylinderrollenlager, Bauform NURillenkugellager

Geschwindig-keitsmesser

Rillenkugellager

45

2

Hohlwellen-Queran-triebsprinzip zur An-wendung bei Hochge-schwindigkeitsloko-motiven. Das Getriebe besitzt eine zusätzliche Bremswelle.

Vollabgefederte AntriebeDas vollabgefederte Hohlwellen-Queran-triebsprinzip kann bei Hochgeschwindigkeits-lokomotiven zur Verminderung dynamischer Schwingungen eingesetzt werden. Eine Ausführungsvariante ist ein Getriebe mit einer speziellen Bremswelle. Die im Vergleich zur Radsatzdrehzahl viel höhere Drehzahl dieser Welle trägt insbesondere im Hochge-schwindigkeitsbetrieb zu einer besseren Bremsleistung bei.


Rillenkugellager

Sensorbestückte Fahrmotor- Lagereinheit

Zylinderrollen-lager, Bauform NJ


Bremswelle

Bremswelle

46

Elektrische und dieselelektrische PersonenfahrzeugeDie prinzipielle Konstruktionsweise für Antriebe von elektrischen und dieselelektrischen Fahrzeugen kann für die ver-schiedensten Fahrzeugtypen verwendet werden. Das können Triebzüge für den Langstrecken- oder Regionaleinsatz sein sowie ebenso Nahverkehrszüge. Nahverkehr beinhaltet auch S- und U-Bahnen sowie Strassenbahnen. Alle diese hochflurigen Fahrzeuge haben ähnliche Antriebe.

Die Antriebskonzepte für niederflurige Stadt- und Straßenbahnen werden auf den Seiten 51 bis 57 behandelt.

QuerantriebTrotz des Tatzlagerantriebsprinzips sind ver-schiedene Antriebsformen im Einsatz, die in Quer- oder Längsanordnung anzutreffen sind.

Tatzlagerantrieb für U-BahnenDie auf der Rad-satzwelle gleitende Er-dungsbürste ist mittig in der Tatzlagerung untergebracht.

Zylinderrollenlager, Bauform NH (Bauform NJ mit Winkelring HJ)

Zylinderrollenlager, Bauform NU, fettgeschmiert


Erdungsbürste

47

2

Bei diesem Hohl-wellen-Querantrieb sitzt der Fahrmotor auf einer Hohlwelle, die auf beiden Seiten elastische Kupp-lungen besitzt.

Halbabgefederter AntriebDas halbabgefederte Antriebssystem mit einem auf der Radsatzwelle sitzenden Ge-triebe kann mit einem auf einer Hohlwelle montierten Fahrmotor ausgestattet werden, um dynamische Schwingungen zu reduzie-ren. Die relativ großen Lager werden nur durch das Gewicht der Welle und des Rotors belastet. Diese Kräfte sind im Vergleich zu den Tragzahlen der Lager sehr gering. Auf den Laufbahnen und Rollen können Anschmierungen auftreten, falls keine Gegenmaßnahmen getroffen werden.

Zylinderrollenlager, Bauform NUP



48

Vollabgefedertes Antriebssystem für Hochgeschwindig-keitsanwendungen

Vollabgefederter AntriebDas Hohlwellen-Querantriebsprinzip wird nicht nur bei Hochgeschwindigkeitsfahr-zeugen, sondern auch bei vielen anderen Fahrzeugtypen eingesetzt. Im Vergleich zu Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen kann das Hohlwellenantriebsprinzip bei diesen Fahr-zeugen aufgrund der geringen Federdurch-biegung mit einer viel kürzeren Hohlwelle realisiert werden. Auf der Getriebehohlwelle kann eine Scheibenbremse eingebaut werden [10].

Diese Antriebssysteme werden bei U-Bahnen, Hochbahnen und teilweise auch bei Stadt- und Straßenbahnen in Nieder-flurbauweise eingesetzt. Diese Fahrzeuge besitzen an der Zugspitze und am Zugende konventionelle Drehgestelle und einen oder mehrere Niederflurbereiche mit nicht ange-triebenen Radsätzen oder freilaufenden Rädern mit kleinerem Durchmesser.

Zylinderrollenlager, Bauform NU Zusammengepasster

Schrägkugellagersatz

Pendelrollenlager


49

2

LängsantriebeEin Längsantriebssystem besitzt ein Kegel-radgetriebe, das entweder auf der Radsatz-welle montiert oder mit einem Hohlwellen-antrieb ausgerüstet werden kann, und eine längs eingebaute Kardanwelle mit Fahrmo-tor. Diese Konstruktion vermindert die un-gefederte Masse und die auf den Fahrmotor einwirkenden dyna mischen Schwingungen.

Längsantrieb bestehend aus einem Kegelradgetriebe, das entweder auf der Radsatzwelle montiert oder mit einem Hohlwellen-antrieb ausgerüstet werden kann, und einer längs einge-bauten Kardanwelle sowie einem Fahr-motor.

Der Fahrmotor kann entweder vom Dreh-gestell oder Wagenkasten abgestützt wer-den[11]. Die relativ lange Kardanwelle kann sich aufgrund von Temperaturunterschieden ausdehnen. Dies kann dazu führen, dass Axiallasten auf die Lager einwirken, die bei Überschreitung bestimmter Werte vorzeitige Lagerschäden hervorrufen können.


Zusammengepasste Kegelrollen-lagersätze, X-Anordnung


50

Vollabgefedertes Querantriebssystem für 70%-Niederflur-stadtbahnen. Dieses integrierte Antriebs-system wird im restli-chen höheren Bereich von Niederflurfahr-zeugen eingesetzt, der mehr Platz bietet. Die axiale Ausrichtung der Fahrmotorwelle wird durch die Kupp-lung und die Getrie-beeingangswelle erzielt. Beim Fahr-motorlager auf der Nichtantriebsseite handelt es sich um eine Loslagerung, die nur Radiallasten aufnimmt.

NiederflurfahrzeugeNiederflurige Stadt- und Straßenbahnen sind heute mit den unterschiedlichsten Antriebsarten ausgestattet, die sich nach speziellen betrieblichen Erfordernissen, den Konstruktionsprinzipien der Hersteller und strengen Platzvorgaben richten.



Rillenkugellager


51

2

Zweiradantriebe

LängsantriebeBei einem Zweiradantriebssystem handelt es sich um einen Längsantrieb, bei dem ein Fahrmotor zwei aufeinanderfolgende Räder eines Drehgestells antreibt. Das Drehmo-ment des Fahrmotors mit zwei Antriebsen-den wird über elastische Kupplungen zu den Winkelgetrieben übertragen. Das Groß-zahnrad ist über eine kurze Hohlwelle mit dem Rad verbunden [10].

Antriebssystem für niederflurige Stadtbahnen: Antrieb zweier aufeinanderfolgender Räder




52

Bei den gelenkten Rädern im Nieder-flurbereich eines Schienenfahrzeugs kommt eine Anordnung aus Längsfahrmotor und Verteilergetriebe zum Einsatz. Der Fahr-motor treibt zwei Kardanwellen über ein Stirnradgetriebe an. Jede Kardanwelle ist mit einem Getriebe verbunden, das freilau-fende Räder antreibt. Die Bremse (hier nicht abgebildet) ist am mittleren Stirnradgetriebe eingebaut.

Bei Niederflur- Stadtbahnfahrzeugen werden zwei aufein-anderfolgende und gelenkte Räder von einem zentralen Längsfahrmotor und einem System aus Kardanwellen, Getrie-ben und freilaufenden Rädern angetrieben.

Fahrmotor Am Wagenkasten aufgehängtes Getriebe

Am Rad befestigte Getriebe

Kardanwellen

53

2

Längsantriebe für OberleitungsbusseNiederflur-Oberleitungsbusse besitzen einen Längsfahrmotor, der normalerweise auf einer Seite die Fahrzeugachse über eine Kardanwelle antreibt. In vielen Fällen sind Gelenkoberleitungsbusse mit einem An-triebssystem ausgerüstet, das auf die Hin-terachse wirkt. Auf der anderen Seite des Fahrmotors sind der Kompressor für das Druckluftbremssystem und der elektrische Generator angeflanscht.

Längsantriebsprinzip für Niederflur-Oberleitungsbusse. Das Antriebssystem wirkt auf die Hinterachse. Der Fahrmotor ist beidseitig mit einer Fahrmotor-Lagereinheit ausgerüstet.

Kompressor für die Druckluftbremse

Fahrmotor-Lagereinheit (TMBU) mit Zylinderrollen

Generator für die Bordbeleuchtung

KardanwelleFahrmotor-Lagereinheit (TMBU) mit Kugeln

Niederflurbereich

54

Längs-/SeitenantriebeDer Längsfahrmotor treibt über eine Kardanwelle ein Verteilergetriebe an. Dieses wiederum treibt ein Rad über ein Stirnrad und eine Querwelle über ein Winkelgetriebe an. Diese Welle ist sehr niedrig angebracht, um Platz für einen sehr tief liegenden Boden zu schaffen, der im Fahrzeuginneren für einen ungehinderten Fahrgastfluss sorgt. Die Welle treibt das gegenüberliegende Rad über ein Stirnrad an. Bei diesem Antriebs-system sind beide Räder mechanisch miteinander verbunden1).

Längsantriebssystem für Niederflur- Stadtbahnen



StirnradgetriebeDifferentialgetriebe

Bremsscheibe

1) Dieses Antriebssystem wurde zuerst bei den Niederflurwagen eingesetzt, die ursprünglich von MAN für die Straßenbahn Bremen entwor-fen und später von Adtranz und Bombardier gebaut wurden. Diese erste Serienkonstruktion für Stadtbahnen mit einem hundertprozentigen Niederfluranteil kam auch in verschiedenen anderen Städten Deutschlands und Japans zum Einsatz.

55

2

EinzelradantriebeAufgrund der eingeschränkten Platzverhält-nisse werden bei Niederflurfahrzeugkon-struktionen Einzelradantriebssysteme ver-wendet. Dabei kommen sehr unterschiedliche Ausführungen zum Einsatz, um die Anforde-rungen von Betreibern und Erstausrüstern zu erfüllen. Hierbei ist vor allem der durch den Einzelradantrieb entstehende freie Raum sehr vorteilhaft, der eine Tieferlegung des Fahrzeugbodens ermöglicht, sodass die Fahrgäste im Fahrzeuginneren ungehindert passieren können.

Planetenantriebs-system für den bei Niederflur-Stadt-bahnen eingesetzten Einzelradantrieb

PlanetengetriebeDer Fahrmotor treibt das Sonnenrad des Planetengetriebes über seinen Rotor an. Der Planetenradträger ist mit der Radan-ordnung verbunden, die mit gummige-federten Radreifen versehen ist. Die Radan-ordnung ist wie der Rotor des Fahrmotors über zwei Kegelrollenlager auf dem Stator-gehäuse des Fahrmotors gelagert.


Kegelrollenlager, O-Anordnung, Außenring wird vom Rad abgestützt

RillenkugellagerZylinderrollenlager, Bauform NU

Bremsscheibe

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NabenfahrmotorDas Konzept des Nabenfahrmotors basiert auf einem Direktantriebssystem mit inte-grierter Radfunktion. Heute kommen viele unterschiedliche Konstruktionsprinzipien zur Anwendung, wie beispielsweise die Ausfüh-rung eines Fahrmotors ohne Getriebe und Kupplungskomponenten, der das Rad direkt antreibt, stützt und führt [4]. Der Außenrotor treibt den gummigefederten Radreifen direkt an. Diese platzsparende Anordnung eignet sich insbesondere für 100%-Nieder-flur-Straßenbahnen mit ebenem Boden ohne Stufen oder Rampen.

VertikalantriebeDer freie Raum zwischen den Fahrzeug-sektionen eines Niederflurfahrzeugs kann zur Unterbringung des Laufwerks und der Antriebssysteme genutzt werden. Die Verbindungsportale der Fahrzeugsektionen werden über eine Rad-Getriebe-Einheit abgestützt.

Der vertikale Fahrmotor wird über das Portal abgestützt und treibt die Rad-Getriebe-Einheit an.

Nabenmotor-Antriebssystem,mit Zylinderrollenlager abgestützt, umlaufender Außenring

Vertikalantriebssystem für die Einzelräder von Niederflurstadtbahnen



57

2

Dieselhydraulische FahrzeugeHydraulische Getriebe, auch Turbogetriebe genannt, wandeln Leistung und Drehzahlen mithilfe einer Hydraulikflüssigkeit um und treiben so hydraulische Maschinen an. Dabei wird die Hydraulikflüssigkeit bei hohen Strö-mungsgeschwindigkeiten und niedrigem Druck durch Schaufelkanäle gedrückt. Tur-bogetriebe arbeiten hydrodynamisch und können mehrstufige Antriebsaggregate sein. Vom Strömungsgetriebe wird die Leistung auf das Wendegetriebe und das Achsgetriebe übertragen. Die beiden Radsatzwellen eines Drehgestells sind normalerweise über zusätzliche Kardanwellen miteinander verbunden.

Antriebssystem für dieselhydraulische Fahrzeuge mit Turbogetriebe

Turbogetriebe und Wendegetriebe Kardanwelle

Generator

Motor

58

Prinzip desTurbo-wendegetriebesZeichnung: Voith TurboWandler

Lagerungsprinzip für die unterschiedlichen Wellen († Seite 72):

• Festlagerung: Kombination aus einem Zylinderrollenlager zur Aufnahme der Radiallast und einem Vierpunktkugellager zur Aufnahme der Axiallasten in beide Richtungen

• Loslager: Zylinderrollenlager zur Aufnahme der Radiallast

Eingangswelle

Wandler

Befüll- und Steuerpumpe

Steuereinrichtung

Zwischenwellen

Hochgangsräder

Ausgangswelle

Steuereinrichtung

59

2

SKF TatzlagerungenDie Entwicklung und Fertigung von Tatz-lagerungen haben bei SKF eine lange Tradi-tion. Die entsprechenden Konstruktions-prinzipien wurden bereits auf den Seiten 31 und 32. vorgestellt. In diesem Unterkapitel werden die Eigenschaften von Tatzlagern ausführlich beschrieben

Tatzlagerungen werden heute vornehm-lich in Hochleistungsanwendungen einge-setzt. Dabei muss die Lagerausführung eine optimale Steifigkeit aufweisen, um eine genaue Verzahnung zu gewährleisten und Schiefstellungen, Geräusche und Verschleiß während des Betriebs zu mindern. Die Tatz-lagerkonstruktion muss auf das gesamte Antriebssystem abgestimmt sein.

Bei Tatzlagerungen mit vollem Durchgang können glasfaserverstärkte Hülsen mit einer entsprechenden Lagerpassung in die Boh-rung eingesetzt werden. Falls erforderlich, erleichtern diese speziellen Hülsen den Austausch des Lagers bei der Wieder-instandsetzung.

Auf der Grundlage von Kundenspezifika-tionen erstellt SKF mit ihrem anwendungs-technischen Wissen detaillierte Konstruk-tionsentwürfe für eine maßgeschneiderte Lösung. SKF kümmert sich um die Fertigung und Qualitätskontrolle und liefert dem Kunden ein einbaufertiges Produkt. Die Servicetechniker von SKF können die Montagefachleute des Kunden entsprechend schulen, damit ein ordnungsgemäßer Einbau sichergestellt ist. Allerdings kann der Einbau auch vollständig von den Servicetechnikern und Monteuren von SKF übernommen werden.

Als Teil des Instandhaltungsprogramms für Schienenfahrzeuge bietet SKF die quali-fizierte Begutachtung und Wiederinstand-setzung von Tatzlagerungen einschließlich Drehen, Spiralschweißen und Nachbear-beiten der Lagerpassungen an.

Qualitätskontrolle einer SKF Tatzlagerung

Vorteile von SKF Tatzlagerungen

• Lieferung einer in das Antriebssubsystem integrierten Gesamtlösung

• Alles aus einer Hand• kompetente Handhabung der Schnittstelle zwischen

Lager und Gehäuse• individuelle Lösungen für Engineering und Logistik• einbaufertige Produktpakete• hohe technische Kompetenzen• weltweite Kunden- und Projektbetreuung• After-Sales-Dienstleistungen

60

Versandbereite SKF TatzlagerungIn die Bohrung ist eine glasfaserverstärkte Hülse eingesetzt. Falls erforder-lich, erleichtert sie den Austausch des Lagers bei der Wiederinstandsetzung.Wichtige Kompetenzanforderungen für Tatzlagerkonstruktionen

Zusammenbau Montage

Lackierung Schutz

Bearbeitung Fertigung

Gießerei Werkstoff

Konstruktion FEM

Verpackung Auslieferung

Schmierung Abdichtung

SKF TatzlagerkonstruktionDie roten Bereiche kennzeichnen die bearbeiteten Oberflächen.

SKF Tatzlagerung, DraufsichtDie roten Bereiche kennzeichnen die bearbeiteten Oberflächen.

61

2

3 LagerartenEinsatzmöglichkeiten . . . . . . . . . 63

Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Schrägkugellager und Vierpunktlager . . . . . . . . . . . . . . 69

Zylinderrollenlager . . . . . . . . . . . 75

Rillenkugellager . . . . . . . . . . . . . 85

Kegelrollenlager . . . . . . . . . . . . . 89

Zusatzzeichen . . . . . . . . . . . . . . . 94

Lagerprüfungen . . . . . . . . . . . . . 97

62

Lagerarten

SKF bietet eine Vielzahl von Lagerarten für Fahrmotor- und Getriebeanwendungen. In den folgenden Kapiteln werden INSOCOAT und Hybridlager beschrieben. Angaben über andere, hier nicht behandelte Lager, wie Pendelrollenlager, sind in den SKF Katalogen zu finden.

EinsatzmöglichkeitenDie Betriebsbedingungen von Lagern in Antriebssystemen wie Fahrmotoren und Getrieben von Schienenfahrzeugen unter-scheiden sich normalerweise sehr von den bei Elektromotoren in anderen Branchen vorherrschenden Bedingungen. Die Sub-systeme von Schienenfahrzeugen müssen robust, zuverlässig, leicht und kompakt sein. Darüber hinaus müssen die Lager auch unter schwierigen Bedingungen, d. h. bei starker Verschmutzung und hoher Feuchtig-keit sowie wechselnden Drehzahlen, schwankenden Temperaturen, Belastungen, Schwingungen und Stoßbelastungen funktionieren.

Eine hohe Zuverlässigkeit ist eine wichtige Anforderung an moderne Lagerkonstruktio-nen mit langen Wartungsintervallen. Daher hat SKF Lösungen entwickelt, die nicht nur die Zuverlässigkeit erhöhen, sondern auch die Wartungsintervalle verlängern. Diese Lösungen basieren auf weiteren Verbesse-rungen spezieller Konstruktionsmerkmale von Lagern oder auf moderneren Lager-konstruktionen, wie beispielsweise elektrisch isolierten Lagern oder Lagereinheiten. Weitere Verbesserungsmöglichkeiten

ergeben sich durch den Einsatz von Sensor-lagern und Überwachungssystemen, die in den nachfolgenden Kapiteln beschrieben werden.

Der Entwurf einer Wälzlagerung be-schränkt sich im Allgemeinen nicht auf

• die Wahl der geeigneten Lagerart und• die Bestimmung der jeweiligen Lager-

größe und -konstruktion,

sondern erfordert eine Reihe von zusätz-lichen Arbeitsschritten, d. h. es müssen unter anderem

• alle Einzelteile der Lagerung zweckmäßig gestaltet

• Einbaupassungen und Lagerluft festgelegt• eventuell Sicherungselemente vorgesehen• Dichtungen ausgewählt• Art und Menge des Schmierstoffs

bestimmt sowie• konstruktive Vorkehrungen für den Ein-

und Ausbau der Lager getroffen werden.

63

3

Dabei wirkt sich jede einzelne Entscheidung auf die spätere Funktion, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit der Lagerung aus.

Der erforderliche Aufwand hängt davon ab, ob auf vorhandene Erfahrungen mit vergleichbaren Lagerungen zurückgegriffen werden kann. Wenn entsprechende Erfah-rungen fehlen, außergewöhnliche Anforde-rungen an die Lagerung gestellt werden oder die Kosten für die Lagerung selbst oder eventuelle Folgekosten besonders zu beachten sind, dann erhöht sich naturgemäß der Auf-wand für den Lagerungsentwurf, weil z. B. genauere Berechnungen und/oder Versuche durchgeführt werden müssen.

In den folgenden Kapiteln finden Sie spezielle Informationen über Lagerungen im Antriebssystem von Schienenfahrzeugen. Weitere Angaben finden Sie in den SKF Katalogen und im Internet unter skf.com/bearings. Ausführliche Informa-tionen erhalten Sie beim Technischen SKF Beratungsservice.

Die SKF Anwendungstechniker können Sie bei der Auswahl von Lagern unterstüt-zen, aber auch Berechnungen hinsichtlich der kompletten Lagerung erstellen. Je höher die technischen Anforderungen an eine La-gerung sind und je weniger eigene Erfah-rungen mit Lagerungen für ein bestimmtes Anwendungsgebiet vorliegen, desto eher sollte auch von diesem Angebot Gebrauch gemacht werden.

Wahl der LagerartAufgrund ihrer Konstruktion hat jede Wälz-lagerart charakteristische Eigenschaften, die sie für einen bestimmten Anwendungsfall mehr oder weniger geeignet macht. Rillen-kugellager beispielsweise nehmen mittlere Radialbelastungen und auch Axialbelastungen auf, haben eine geringe Reibung und können mit sehr hoher Genauigkeit und in geräusch-armer Ausführung gefertigt werden. Sie werden daher unter anderem bevorzugt in kleine und mittlere Elektromotoren eingebaut.

Pendelrollenlager und CARB Toroidalrollen-lager wiederum sind sehr hoch belastbar und außerdem winkelbeweglich. Diese Lager-arten werden daher häufig dann vorgesehen, wenn hohe Belastungen aufzunehmen sind und mit Wellendurchbiegungen zu rechnen ist oder wenn Fluchtungsfehler nicht zu vermeiden sind.

Da bei der Wahl der Lagerart meist mehrere Einflussgrößen berücksichtigt und gegeneinander abgewogen werden müssen,

lassen sich keine allgemeingültigen Regeln aufstellen.

Die folgenden Hinweise zeigen die Gesichtspunkte auf, die hauptsächlich bei der Wahl der Lagerart eine Rolle spielen:

• Platzverhältnisse• Belastung• Schiefstellung• Genauigkeit• Drehzahl• geräuscharmer Lauf• Steifigkeit• axiale Verschiebbarkeit• Ein- und Ausbau• Abdichtung

Die folgende Matrix gibt einen umfassenden Überblick über die konstruktiven Merkmale der verschiedenen Lagerarten und über ihre Eignung im Hinblick auf die Anforderungen, die an eine Lagerung gestellt werden. Hier-bei werden die am häufigsten eingesetzten Lager für Fahrmotoren und Getriebe auf-geführt. Ausführliche Angaben über die ein-zelnen Lagerarten, ihre Eigenschaften und die verfügbaren Ausführungen sind den SKF Katalogen zu entnehmen.

Mit der Matrix ist nur eine grobe Einstu-fung der einzelnen Lagerarten möglich. Die begrenzte Anzahl von Bewertungssymbolen reicht nicht aus, um genauer zwischen den Lagerarten zu differenzieren, und einige Eigenschaften hängen nicht allein von der Lagerart ab. Zum Beispiel hängt die Steifig-keit einer Lagerung mit Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern auch von der ge-wählten Vorspannung und der Betriebs-drehzahl ab. Die mögliche Drehzahl wiederum hängt von der Genauigkeit des Lagers und der angrenzenden Bauteile ab und wird von der Käfigkonstruktion mitbestimmt.

In speziellen Anwendungen mit höheren Betriebstemperaturen kann es erforderlich sein, einen Werkstoff mit einer speziellen Maßhaltigkeit zu verwenden.

Beim Entwurf einer Lagerung sind noch weitere wichtige Kriterien zu berücksichtigen, wie z. B. Tragfähigkeit und Lebensdauer, Reibung, erreichbare Drehzahlen, Lagerluft oder Vorspannung, Schmierung und Abdichtung. Angaben hierzu finden Sie in den SKF Katalogen und im Internet unter skf.com/bearings. Ausführliche Informa-tionen erhalten Sie beim Technischen SKF Beratungsservice.

64

Verwendete Symbole: +++ sehr gut geeignet, ++ gut geeignet, + geeignet, - weniger geeignet, -- nicht geeignet, a einseitig wirkend, s zweiseitig wirkend

Lagerarten – Konstruktion und Eigenschaften1)

Schrägkugellager

Rillen-kugellager

Zylinderrollenlager

Kegelrollenlager

Vierpunkt-lager

Rein radiale Belastungen + ++ - + ++ ++ ++ ++ +++ +++

Rein axiale Belastungen +a

+s

++s

+s

-- - - ++a

++s

++s

Kombinierte Belastungen ++a

++s

+s

+s

-- +a

+s

+++a

+++s

+++s

Momentenbelastungen - + + - -- -- -- - + +

Hohe Drehzahlen ++ + ++ +++ ++ ++ ++ + + +

Hohe Laufgenauigkeit +++ ++ + +++ ++ ++ ++ + + +

Hohe Steifigkeit + ++ + + ++ ++ ++ ++ +++ +++

Geräuscharmer Lauf ++ + + +++ ++ + + + + +

Geringe Reibung ++ + + +++ ++ ++ ++ + + +

Ausgleich von Schief-stellungen im Betrieb

- -- -- - - - - - - -

Ausgleich von Fluchtungsfehlern

- -- -- - - - - - -- --

Festlagerungen ++a

++s

++s

++s

-- ++a

++s

+++a

+++s

+++s

Loslagerungen -- + - + +++ +a

+ -- - -

Axialverschiebungen innerhalb des Lagers

-- -- -- -- +++ +a

+ -- -- --

1) Diese Matrix kann nur eine grobe Übersicht geben und ersetzt daher im Einzelfall keine eingehende Prüfung anhand der ausführlichen Angaben in den SKF Katalogen.

3

65

EinbauAllgemeine Hinweise zum Einbau von Lagern finden Sie in den SKF Katalogen und im SKF Service-Handbuch sowie im Internet unter skf.com/bearings.

Im nachfolgenden Unterkapitel werden einige allgemeine Hinweise zu den üblichen Lagerungssystemen gegeben.

LagerungssystemFür eine Lagerung, die normalerweise zur Abstützung einer umlaufenden Welle dient, sind im Allgemeinen zwei Lager erforderlich, um die Welle gegenüber dem stillstehenden Teil, z. B. dem Gehäuse, in radialer und axia-ler Richtung abzustützen und zu führen. In Abhängigkeit vom Einbaufall, der Belastung, der erforderlichen Laufgenauigkeit und dem vertretbaren Aufwand kann dies erfolgen in einer

• Lagerung mit Fest- und Loslagern• Lagerung mit gegenseitig angestellten

Lagern• schwimmenden Lagerung.

In einem Lagerungssystem muss die Lage-rung an dem einen Wellenende die Welle axial führen. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Lager axial auf der Welle und im Gehäuse befestigt wird. Bei der Lagerung am entgegengesetzten Wellenende handelt es sich um eine Loslagerung, die die thermi-schen Verschiebungen der Welle gegenüber dem Gehäuse aufnehmen und auftretende innere Verspannungen verhindern soll.

Für die Festlagerung werden Radiallager verwendet, die kombinierte (radiale und axi-ale) Belastungen aufnehmen können. Hierzu zählen Rillenkugellager, zweireihige oder zusammengepasste einreihige Schrägkugel-lager, winkelbewegliche Kugellager, Pendel-rollenlager, zusammengepasste Rollenlager, Zylinderrollenlager der Bauform NUP oder Zylinderrollenlager der Bauform NJ, die mit einem Winkelring HJ eingebaut werden.

Alternativ dazu kann eine Festlagerung auch aus zwei Lagern bestehen: einem Radial-lager für rein radiale Belastungen, z. B. einem Zylinderrollenlager mit einem bordfreien Ring, und einem Lager zur axialen Führung der Welle, z. B. einem Rillenkugellager, einem Vierpunktlager oder einem doppelseitig wir-kenden Axiallager. Das Lager, das die Welle axial führt, muss nicht radial fixiert werden und wird normalerweise mit einem kleinen radialen Spiel im Gehäuse eingebaut.

Fest-/Loslagerung mit einem Rillen-kugellager und einem Zylinderrollenlager der Bauform NU (oder N)

Fest-/Loslagerung mit einem zweireihigen Schrägkugellager und einem Zylinderrollen-lager der Bauform NU (oder N)

Fest-/Loslagerung mit zwei gepaarten Kegelrollenlagern in X-Anordnung und einem Zyliderrollen-lager der Bauform NU (oder N)

Es gibt zwei Möglichkeiten, um wärme-bedingte Verschiebungen der Welle bei einer Loslagerung auszugleichen. Die erste be-steht darin, ein Lager einzubauen, das nur radiale Belastungen aufnimmt und Axial-verschiebungen innerhalb des Lagers zulässt. Hierunter zählen CARB Toroidalrollenlager, Nadellager und Zylinderrollenlager mit einem bordfreien Ring. Bei der zweiten Möglichkeit wird ein Radiallager mit einem kleinen radi-alen Spiel im Gehäuse eingebaut, so dass der Außenring sich axial bewegen kann.

Festlager Loslager

Festlager Loslager

Festlager Loslager

66

LagerpassungenDie Toleranzen für die Bohrungs- und Außen-durchmesser von Standardwälzlagern sind international genormt. Die entsprechenden Angaben finden Sie in den SKF Katalogen und im SKF Service-Handbuch sowie im Internet unter skf.com/bearings.

Um bei zylindrischen Passflächen eine feste oder lose Passung zu erreichen, werden für die Gegenstücke der Lager, d. h. für Welle und Gehäuse, aus dem System für Grenzmaße und Passungen nach DIN ISO 286:1990 geeignete Toleranzklassen ausgewählt. Von diesen ISO-Toleranzklassen kommt für Wälz-lagerpassungen nur eine eingeschränkte Auswahl in Betracht.

Tabellen mit Passungsempfehlungen finden Sie in den SKF Katalogen und dem SKF Service-Handbuch , sowie im Internet unter skf.com/bearings.

Fest-/Loslagerungs-system mit einem Zylinderrollenlager der Bauform NU mit Vierpunktlager und einem Zylinderrollen-lager der Bauform NU

Fest-/Loslagerungs-system mit einem Zylinderrollenlager der Bauform NUP und einem Zylinderrollen-lager der Bauform NU (oder N)

Toleranzfeldlage der am häufigsten vorkommenden Toleranzklassen im Vergleich zur Bohrungs- und Außendurchmessertoleranz der Wälzlager

Festlager Loslager

Festlagerung links: zur Aufnahme axialer Belastungenrechts: zur Aufnahme radialer Belastungen

Loslager

F7 G7 G6 H9 H8 H7 H6 J7 J6 K6 K7 M6 M7 N6 N7 P6P7

JS6JS7H10

f6 g6 g5 h8 h6 h5 j5 js5 j6 k5k6 m5 m6 n5 n6

p6p7 r6

r7

js6

+–0

+–0

SpielpassungÜbergangspassungPresspassung

SpielpassungÜbergangspassungPresspassung

3

67

Schrägkugellager und Vierpunktlager Schrägkugellager haben in Richtung der Lagerachse gegeneinander versetzt ange-ordnete Laufbahnen im Innen- und Außen-ring. Sie sind für Lagerungen konzipiert, die kombinierte Belastungen, d. h. gleichzeitig wirkende Radial- und Axialbelastungen, aufnehmen müssen.

KonstruktionsmerkmaleDie axiale Tragfähigkeit von Schrägkugel-lagern nimmt mit der Größe des Berührungs-winkels zu. Als Berührungswinkel wird der Winkel bezeichnet, den die Verbindungslinie der beiden Berührungspunkte zwischen Kugel und Laufbahnen mit der Radialebene einschließt und unter dem die Belastung von einer Laufbahn auf die andere über-tragen wird.

SKF Schrägkugellager stehen in einer Vielzahl von Bauformen, Ausführungen und Größen zur Verfügung. Hierzu gehören die besonders gebräuchlichen

• einreihigen Schrägkugellager• zweireihigen Schrägkugellager• Vierpunktlager.

Berührungswinkel und Verbindungslinie der Berührungspunkte zwischen Kugel und Laufbahnen

Berührings-winkel

Einreihige SchrägkugellagerEinreihige SKF Schrägkugellager können axiale Belastungen nur in einer Richtung aufnehmen. Die Lager werden deshalb ge-gen ein zweites Lager angestellt.

Sie sind selbsthaltend und ihre Lager-ringe sind jeweils mit einer hohen und einer niederen Schulter versehen. Aufgrund der niedrigen Schultern können viele Kugeln im Lager untergebracht werden, die dem Lager eine relativ hohe Tragfähigkeit geben.

Die Lager haben einen Berührungswinkel von 40° und sind damit zur Aufnahme hoher Axialbelastungen geeignet.

Ausführliche Angaben über diese Lager, insbesondere über die Mindest-Axial-/Radial-belastung sowie das Belastungsverhältnis, finden Sie in den SKF Katalogen.

Lager der GrundausführungDiese Lager kommen für Lagerungen infrage, bei denen pro Lagerstelle jeweils nur ein Lager verwendet wird. Sie weisen bei Breite und Über- bzw. Rückstand der Lagerringe die üblichen Toleranzen auf und sind damit nicht für den Einbau unmittelbar neben-einander geeignet.

Universallager für den satzweisen EinbauUniversallager sind für den satzweisen Einbau vorgesehen. Breite und Über- bzw. Rückstand der Lagerringe werden mit engen Toleranzen gefertigt. Bei einer Anordnung unmittelbar nebeneinander wird eine be-stimmte Lagerluft bzw. Vorspannung oder eine gleichteilige Lastaufnahme sicherge-stellt, ohne dass Passscheiben oder Ähnliches benötigt werden.

Der Einsatz von Universallagern in Einzel-lagerungen kann in vielen anspruchsvollen Einbaufällen von Vorteil sein. Die meisten dieser Lager gehören der SKF Explorer Leistungsklasse an und weisen damit eine höhere Genauigkeit und Tragfähigkeit und ein besseres Drehzahlvermögen auf.

Universallager für den satzweisen Einbau der Reihen 72 B(E) und 73 B(E) sind an Nach -setzzeichen zu erkennen, die die Lagerluft (CA, CB, CC) oder die Vorspannung (GA, GB, GC) kennzeichnen. Universallager für den satzweisen Einbau der Reihe 70 B sind durch das Nachsetzzeichen G für die Lager-luft gekennzeichnet. Bei der Bestellung dieser Lager ist darauf zu achten, dass die Stückzahl der Einzellager angegeben wird und nicht die Anzahl der benötigten Lager-sätze.

3

69

O-Anordnung

Satzweiser EinbauFür den satzweisen Einbau gibt es drei verschiedene Möglichkeiten:

• Tandem-AnordnungDie Tandem-Anordnung wird gewählt, wenn die Tragfähigkeit eines Schräg-kugellagers nicht ausreicht. Bei dieser Anordnung verlaufen die Berührungs-linien parallel zueinander. Die Axial- und Radialbelastung wird auf beide Lager gleichmäßig verteilt. Der Lagersatz kann Axialbelastungen nur in einer Richtung aufnehmen. Damit auch Axialbelastungen in beiden Richtungen aufgenommen werden können, wird das Lagerpaar in Tandem-Anordnung gegen ein drittes Lager angestellt.

• O-AnordnungLagersätze in O-Anordnung stellen eine relativ starre Lagerung dar, die auch Kippmomente aufnehmen kann. Bei die-ser Anordnung verlaufen die Berührungs-linien zur Lagerachse hin auseinander. Axialbelastungen werden in beiden Rich-tungen, aber jeweils nur von einem Lager aufgenommen.

• X-AnordnungLagersätze in X-Anordnung stellen keine ganz so starre Lagerung wie die -O-Anordnung dar, sind aber unempfind-licher gegenüber Schiefstellungen. Bei der X-Anordnung laufen die Berührungs-linien zur Lagerachse hin zusammen. Axialbelastungen werden in beiden Richtungen, aber jeweils nur von einem Lager aufgenommen.

Tandem-Anordnung

X-Anordnung

70

VierpunktlagerVierpunktlagerVierpunktlager sind einreihige Radial-Schrägkugellager, deren Laufbahnen so ausgebildet sind, dass sie Axialbelastungen in beide Richtungen aufnehmen können. Diese Lager beanspruchen in axialer Richtung viel weniger Platz als zweireihige Lager.

Die Lager haben einen geteilten Innen-ring. Dadurch können viele Kugeln im Lager untergebracht werden, die dem Lager eine hohe Tragfähigkeit geben. Außerdem kann der Einbau des Außenrings mit Kugelsatz getrennt von dem des geteilten Innenrings erfolgen.

SKF Explorer Vierpunktlager sind mit Ein-drehungen am Innenring versehen. Diese Eindrehungen verbessern den Öldurchfluss, wenn die Lager zusammen mit einem SKF Zylinderrollenlager eingebaut werden. Au-ßerdem können diese Eindrehungen zum Abziehen beim Ausbau verwendet werden.

HaltenutenUm SKF Vierpunktlager auf einfache und sichere Weise im Gehäuse festzulegen, werden sie mit zwei um 180° versetzten Haltenuten im Außenring (Nachsetzzeichen N2) geliefert.

Vierpunktlager mit Haltenuten

Haltenuten

3

71

SKF Explorer Vier-punktlager bieten einen verbesserten Öldurchfluss zur Schmierung der Be-rührungsstellen und zur Wärmeableitung.

BreitentoleranzFür Anwendungen im Schienenfahrzeug-bereich sind die SKF Vierpunktlager mit ein-geengter Breitentoleranz (Nachsetzzeichen B20) erhältlich.

KäfigeBei Schienenfahrzeugen werden vorzugs-weise Messing-Massivkäfige aufgrund ihrer erhöhten mechanischen Eigenschaften eingesetzt.

Axiale LagerluftIn vielen Fällen werden bei Schienenfahr-zeugen aufgrund der erhöhten geometri-schen Kontaktleistung Vierpunktlager mit der axialen Lagerluft C4 eingesetzt.

Weitere technische MerkmaleZusätzliche Angaben über technische Merk-male, insbesondere hinsichtlich Käfige und Lagerluft, sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

Vierpunktlager werden in vielen Getriebeanwendungen mit einem anderen Radiallager kombiniert und als Axiallager mit radialem Spiel im Gehäuse eingesetzt.

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Bevorzugte Auswahl

Schrägkugellager für Getriebe Das Standardsortiment an Schrägkugel-lagern ist in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings. zu finden. Informationen über spezielle Ausführungen von Getriebelagern und ihre Auswahl erhal-ten Sie beim Technischen SKF Beratungs-service.

VierpunktlagerDie besonders gebräuchlichen Lagergrößen sind in der nachfolgenden Tabelle zu finden.

Die bevorzugte Auswahl basiert auf dem Sortiment vom September 2012. Diese Produktauswahl wird ständig aktualisiert und ggf. neu veröffentlicht.

Das Standard-Lagersortiment an Vier-punktlagern und weitere Angaben über diese Lagerart sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

Eine ausführliche Liste der Vorsetz- und Nachsetzzeichen befindet sich auf den Seiten 94 bis 96.

60 110 22 QJ 212 N2MA/C4B20

70 125 24 QJ 214 N2MA/C4B20

75 130 25 QJ 215 N2MA/C4B20

80 140 26 QJ 216 N2MA/C4B20

85 150 28 QJ 217 N2MA/C3

90 160 30 QJ 218 N2MA/C4B20

100 180 34 QJ 220 N2MA/C4B20

Vierpunktlager für Getriebe

D

B

d

Hauptabmessungen Kurzzeichen Hauptabmessungen Kurzzeichen

d D B d D B

mm –

mm –

110 200 38 QJ 222 N2MA/C4B20

120 215 40 QJ 224 N2MA/C4B20

130 230 40 QJ 226 N2MA/C4B20

140 250 42 QJ 228 N2MA/C4B20

150 270 45 QJ 230 N2MA/C3

160 290 48 QJ 232 N2MA/C4B20

3

73

ZylinderrollenlagerZylinderrollenlager werden in allen Arten von Fahrmotoren und Getrieben von Schienen-fahrzeugen eingesetzt. Der Lagerring mit den beiden festen Borden und dem Rollen-kranz kann vom anderen Ring abgezogen werden. Dadurch wird der Ein- und Ausbau erleichtert.

Die Rollen werden zwischen den festen „geöffneten“ Borden der Außenringe geführt. Diese „geöffneten“ Borde und die besonders gestalteten und speziell oberflä-chenbehandelten Rollenstirnflächen sorgen für eine verbesserte Schmierung, weniger Reibung und folglich niedrigere Betriebs-temperaturen († Seite 76). Je nach Anord-nung der Führungsborde können Zylinder-rollenlager auch begrenzte Axialbelastungen aufnehmen.

KonstruktionsprinzipienDie gebräuchlichsten Zylinderrollenlager-bauarten werden nachfolgend beschrieben. Bei besonderen Anwendungsanforderungen sowie Informationen über spezielle Kon-struktionen und Anwendungen wenden Sie sich bitte an den Technischen SKF Beratungs-service.

Einreihige Zylinderrollenlager von SKF sind in verschiedenen Varianten erhältlich, die sich hauptsächlich durch die Anordnung der festen Borde unterscheiden. Am ge-bräuchlichsten sind die Bauformen NU, N, NJ und NUP.

Bauform NU Lager der Bauform NU haben zwei feste Borde am Außenring und einen bordlosen Innenring. Sie lassen zwischen Welle und Gehäuse in beiden Richtungen Axialver-schiebungen, d. h. den zwanglosen Längen-dehnungsausgleich, innerhalb des Lagers in bestimmten Grenzen zu. Daher werden die Lager als Loslager eingesetzt.

Bauform NLager der Bauform N haben zwei feste Borde am Innenring und einen bordlosen Außenring. Sie lassen zwischen Welle und Gehäuse in beiden Richtungen Axialver-schiebungen, d. h. den zwanglosen Längen-dehnungsausgleich, innerhalb des Lagers in bestimmten Grenzen zu. Daher werden die Lager als Loslager eingesetzt.

Bauform NJLager der Bauform NJ haben zwei feste Borde am Außenring und einen festen Bord am Innenring. Sie werden zur axialen Füh-rung der Welle in einer Richtung eingesetzt und lassen zwischen Welle und Gehäuse in nur einer Richtung Axialverschiebungen, d. h. den zwanglosen Längendehnungsaus-gleich, innerhalb des Lagers in bestimmten Grenzen zu.

Bauform NH (Bauform NJ + Winkelring HJ)Lager der Bauform NJ mit Winkelring HJ werden zur axialen Führung der Welle in beiden Richtungen eingesetzt. Diese Kombi-nation ist auch als Bauform NH bekannt.

Bauform NUPLager der Bauform NUP haben zwei feste Borde am Außenring sowie einen festen Bord und eine lose Bordscheibe am Innen-ring. Diese Lager werden zur axialen Führung der Welle in beiden Richtungen eingesetzt.

Bauform N

Bauform NU

Bauform NJ

Bauform NH (Bauform NJ + Winkelring HJ)

Bauform NUP

1909 hat Dr.-Ing. Josef Kirner, ein leitender Ingenieur bei der Norma- Compagnie GmbH in Cannstatt, ein Zylinderrollenlager mit modifizierter Laufbahn erfunden. Norma-Compagnie GmbH wurde später eine Tochterfirma von SKF [12].

3

75

d1 Fdas

Axiale VerschiebbarkeitZylinderrollenlager mit bordlosem Innen- oder Außenring (Bauformen NU und N) oder mit nur einem festen Bord am Innenring (Bauform NJ) können Axialverschiebungen zwischen Welle und Gehäuse innerhalb bestimmter Grenzen ausgleichen.

Da die axiale Verschiebung im Lager und nicht zwischen Lager und Welle bzw. Gehäusebohrung stattfindet, erfolgt sie bei umlaufendem Lager praktisch reibungslos. Die Werte für die zulässige Axialverschie-bung „s“ aus der Mittellage sind in der Produkttabelle in den SKF Katalogen angegeben.

Innere Geometrie und Werkstoffeigenschaften

SKF Zylinderrollenlager haben zwei feste Borde am Innen- oder Außenring, welche die Rollen führen. Die Lager haben „geöff-nete“ Borde, d. h. die nach innen gerichtete Bordseite ist um einen bestimmten Winkel geneigt. Die Ausführung der Borde und Rollenstirnseiten sowie die Oberflächenbe-schaffenheit begünstigen die Bildung eines Schmierfilms, der die Reibung und die dadurch entstehende Wärme verringern.

Das Rollenprofil bestimmt die Span-nungsverteilung an den Berührungsstellen zwischen den Rollen und den Laufbahnen. Daher haben die Rollen der SKF Zylinderrol-lenlager ein logarithmisches Kontaktprofil, das dafür sorgt, dass die Belastungen gleichmäßig auf die Rollen verteilt werden. Dadurch entstehen keine Spannungsspitzen an den Rollenstirnseiten und die Lager-lebensdauer ist länger. Das logarithmische Kontaktprofil bewirkt auch eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Schiefstellungen und Wellendurchbiegungen.

Zudem begünstigt eine optimierte Ober-flächenbeschaffenheit der Berührungsflächen von Rollen und Laufbahnen die Bildung eines hydrodynamischen Schmierfilms und verbessert das richtige, reibungsarme Ab-wälzen der Rollen. Zu den sich gegenüber herkömmlichen Ausführungen ergebenden Vorteilen zählt u. a. auch die erhöhe Betriebssicherheit.

Konstruktionsprinzip der geöffneten Borde

Logarithmisches Kontaktprofil der Rollen

s

Der Innenring sollte axial auf halber Höhe der Borde abgestützt werden.

Zulässige Axial-verschiebung

76

• Das logarithmische Kontaktprofil der Rollen wurde weiter verbessert. Dadurch sind die Lager noch unempfindlicher ge-genüber geringen Schiefstellungen und auch belastbarer geworden.

• Der hervorragend ausgeführte Übergang vom zylindrischen Bereich zur abfallenden Rollenstirnseite des logarithmischen Kon-taktprofils verhindert das Entstehen schädlicher Spannungen.

• Die Oberflächengüte der Ringlaufbahnen und Rollen wurde weiter verbessert und bietet optimierte Schmierbedingungen, so dass die Lager selbst unter schlechten Schmierbedingungen länger laufen können.

Die Verbesserungen der inneren Geometrie und der Werkstoffeigenschaften von Zylinder-rollenlagern wurden bei der Bestimmung des Reibungsmoments und der Berechnung der nominellen Lagerlebensdauer berück-sichtigt.

Zylinderrollenlager mit Borden am Innen- und Außenring können neben radialen auch axiale Belastungen aufnehmen. Die axiale Belastbarkeit wird jedoch primär nicht von der Ermüdungsfestigkeit des Werkstoffs, sondern von der Tragfähigkeit der Gleitflä-chen an Rollenstirnseite und Bord bestimmt und hängt somit hauptsächlich von der Schmierung, der Betriebstemperatur und der Wärmeableitung aus dem Lager ab.

SKF Explorer und E2 LagerSKF hat die Zylinderrollenlager der SKF Explorer Leistungsklasse im Jahr 2002 eingeführt. Bei gleichen Außen- und Innen-abmessungen erzielen sie eine wesentlich bessere Leistung als die bisherigen SKF Standard-Zylinderrollenlager.

Die SKF energieeffizienten (E2) Lager wurden 2007 eingeführt, um der ständig wachsenden Forderung nach geringerer Reibung und folglich vermindertem Energiebedarf gerecht zu werden.

Wichtigste Verbesserungen und Vorteile

• Der Lagerwerkstoff ist ein extrem reiner und homogener Stahl mit einem Minimum an Einschlüssen. Der Sauerstoffgehalt, der ein Maß für die Reinheit darstellt, wurde auf extrem niedrige Werte redu-ziert. Dadurch erhöht sich die Ermüdungs-festigkeit im Wälzkontakt und die Lager-lebensdauer wird verlängert.

• Neue Wärmebehandlungsverfahren sorgen für eine erhöhte Widerstandsfähigkeit der Lager gegenüber Betriebsschäden und Betriebstemperaturen, ohne dass die Maßhaltigkeit darunter leidet.

• Die Härte der Ringe und Rollen wurde im Hinblick auf eine optimale Leistung aus-gewählt. Dies macht sie unempfindlicher gegenüber Verunreinigungen und trägt zu einer extrem langen Lebensdauer bei.

• Verbesserte Fertigungsverfahren haben zu einer erheblichen Verbesserung der Produktqualität geführt. Dies bedeutet, dass die Ringe nun mit einer verbesserten Rundheit hergestellt werden können, und die Abweichung von der optimalen Rollen-form ebenfalls weiter reduziert wurde. Zwar sind die Ergebnisse der engeren Toleranzen nicht sichtbar, aber die Lager laufen erheblich leiser und schwingungs-ärmer.

3

77

Raumsparendere Konstruktionen durch kontinuierliche Weiterentwicklung [13]

Prüfung: Messung des Reibungsmoments bei Zylinderrollenlagern

200

160

120

80

40

0 100 200 300 400 500

CIm Vergleich zu den aktuellen SKF Standard-lagern zeigen die neuen SKF energieeffizienten (E2) Zylinderrollenlager eine um bis zu 85% niedrigere Reibung in axial belasteten Anwendungen [13].

Standardlager, z. B. NJ 2334 EC

Reibungsmoment [Nm]

Dynamische Tragzahl [kN] 52 53 44,6 51,2 46,5Masse [kg] 1,0 0,7 0,5 0,4 0,3Reibungsmoment M [Nmm] 450 300 200 166 129

1) SKF Explorer

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0 1950 1962 1981 1984 2002

NJ 309 NJ 308 E NJ 307 EC NJ 306 EC NJ 305 EC1)

Masse [kg] M [Nmm]

Innenringdrehzahl [min–1]

Energieeffizientes (E2) Lager, z. B. E2.NJ 2334 EC

Lagermasse

Reibungsmoment M

Dieses Anwendungsbeispiel bezieht sich auf: • Radiallast 5 kN• Axiallast 1 kN • Drehzahl 3 000 min–1

• Radialluft 30 μm• Viskosität 20 mm2/s

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KäfigeEinreihige SKF Zylinderrollenlager werden serienmäßig je nach Lagerreihe, Größe und Bauform mit einem der nachstehend beschriebenen Käfige ausgestattet.

Die Käfigleistung wird von unterschiedli-chen Faktoren, wie der Höhe der Belastung, den Lastzyklen, der Belastungsdauer, den Schmierstoffen und den Betriebstempera-turen, beeinflusst. Die Fähigkeit des Käfigs sich diesen Faktoren zu stellen, resultiert aus den Hauptmerkmalen sowie den Werk-stoffeigenschaften, der geometrischen Gestaltung und der Führung. Zu den Werk-stoffeigenschaften zählen die Dehnbarkeit, Dauerfestigkeit, Steifigkeit, Kriechfestigkeit, Verschleißfestigkeit und Alterungsbestän-digkeit. Die geometrische Gestaltung und die Führung resultieren aus der Span-nungsverteilung im Käfigsystem.

FahrmotoranwendungDie in Fahrmotoren eingebauten Zylinder-rollenlager sind normalerweise mit einem zweiteiligen, rollengeführten Messing- Massivkäfig mit dem Nachsetzzeichen M ausgerüstet.

Bei hohen Stoßbelastungen wird ein ein-teiliger, rollengeführter Messing-Massivkäfig mit dem Nachsetzzeichen MR verwendet.

Zur einfacheren Handhabung bei der Wartung wird ein einteiliger, rollen- und außenschultergeführter Messing-Massiv-käfig mit Rollendurchhang und dem Nach-setzzeichen MRD oder MR3D eingesetzt.

In einigen speziellen Anwendungsfällen werden Käfige aus glasfaserverstärktem Polyamid und Polyetheretherketon (PEEK) eingesetzt. Diese Käfige bieten aufgrund ihres Werkstoffs und ihrer Konstruktion Vorteile bei der Schmierung. Bei speziellen Anwendungen ist der Technische SKF Beratungsservice einzuschalten.

Getriebeanwendung Hier werden insbesondere einteilige, außen-ringgeführte Messing-Massivkäfige mit dem Nachsetzzeichen ML oder MP eingesetzt. Diese Hochleistungskäfige haben eine opti-mierte Masse und Geometrie. Die Käfig-taschenkonstruktion ermöglicht einen ver-besserten Rollenkontakt.

Wichtigste Käfigausführungen von Zylinderrollenlagern für Antriebssysteme

Anwendung Schmierstoff KäfigwerkstoffMessing, Polymerzweiteilig,

genietet einteilig

Fahrmotor Fett M MR und Varianten

PEEK

Öl ML PEEK

Getriebe Öl ML PEEK

Zweiteiliger Messing-Massivkäfig, Nach-setzzeichen MR

Einteiliger Messing-Massivkäfig, außen-ringgeführt, Nach-setzzeichen ML

Käfig aus glasfaser-verstärktem Polyamid

Einteiliger, rollengeführter Messing-Massivkäfig mit Rollendurchhang [14], Nachsetzzeichen MRD oder MR3D

Zylinderrollenlager mit ausgebautem Innenring

Aufgrund des Rollendurchhangs kann der Rollensatz aus dem Außenring entfernt und anschließend gereinigt, begutachtet und wiederinstandgesetzt werden.

3

79

ToleranzenEinreihige SKF Zylinderrollenlager werden serienmäßig mit Normal-Toleranzen für die Maßgenauigkeit und Toleranzklasse P6 für die Laufgenauigkeit gefertigt. Einige Lager, insbesondere die engen Reihen 18, 19 und 10, stehen auch mit höherer Genauigkeit entsprechend Toleranzklasse P6 oder P5 zur Verfügung. Nähere Angaben zum Sortiment und den Toleranzen sind in den SKF Katalo-gen zu finden.

Radiale LagerluftEinreihige SKF Zylinderrollenlager werden serienmäßig mit der Radialluft Normal gefertigt. Für Fahrmotor- und Getriebean-wendungen bei Schienenfahrzeugen sind die meisten Lager mit der größeren Radial-luft C3 lieferbar. Einige Anwendungen benö-tigen die größere Radialluft C4 oder sogar C5. Manchmal wird C5H geliefert.

Die Werte für die radiale Lagerluft sind in den SKF Katalogen. angegeben. Sie gelten für nicht eingebaute Lager bei Messlast null. Die Komponenten von Zylinderrollenlagern, die zur gleichen Lagerluftklasse gehören, sind untereinander austauschbar.

Axiale LagerluftFür Fahrmotoranwendungen sind die Zylinderrollenlager der Bauformen NUP und NJ + HJ mit erhöhter Axialluft mit dem Nachsetzzeichen VA301 lieferbar.

In der älteren Fachliteratur wird die Norm DIN 43 283 als Referenznorm für Zylinder-rollenlager in Fahrmotoranwendungen ge-nannt. Diese Norm wurde zunächst in den 1950er-Jahren entwickelt, als es eine große Zahl von Spezifikationen für Fahrmotoran-wendungen gab. Diese Norm wurde 2000 zurückgezogen, weil es zu viele Überschnei-dungen mit anderen bereits existierenden allgemeinen Lagernormen gab. Die im Nachsetzzeichen VA301 enthaltenen Spezifikationen erfüllen die Anforderungen dieser zurückgezogenen Norm.

BreitentoleranzSKF kann Zylinderrollenlager mit eingeengter Breitentoleranz liefern, um den Aufbau von Toleranzen unterschiedlicher Komponenten einzuschränken. Die Breitentoleranz 0 .. –40 μm ist im Nachsetzzeichen B20 enthalten.

Axialluft bei Zylinderrollenlagern nach den SKF Spezifikationen VA301

Durchmesserreihen, Bohrung d Gai1)

9, 0, 2 3 4 NUP, NJ + HJ> ≤ > ≤ > ≤ min. max.

mm mm mm μm

45 90 – 60 – – 150 25090 160 60 105 45 80 180 300160 280 105 200 80 130 230 380

280 450 200 320 130 300 300 500450 700 320 500 300 500 400 650

1) Die Werte der Axialluft Gai, wie sie in der Tabelle angegeben sind, beziehen sich auf die Axialluft zwischen dem Innenringbord und der losen Bordscheibe (Bauform NUP) oder dem Winkelring (Bauform NJ + HJ). Bei der gesamten axialen Lagerluft ist auch die Axialluft zwischen Rollenlänge und Außenringborden zu berücksichtigen.

Gai Gai

NUP NJ + HJ

80

Drehzahlen Die Drehzahlgrenzwerte sind hauptsächlich abhängig von Kriterien wie der Formstabi-lität und der Festigkeit des Käfigs, der Schmierung der Käfigführungsflächen, den auf die Wälzkörper einwirkenden Zentrifugal- und Massenkräften und weiteren drehzahl-begrenzenden Faktoren.

MindestbelastungZur Sicherstellung eines störungsfreien Betriebs muss auf einreihige Zylinderrollen-lager, ebenso wie auf die übrigen Wälzlager, stets eine bestimmte Mindestbelastung wirken. Dies gilt im Besonderen für schnell laufende Lager und Lager, die starken Be-schleunigungen und schnellen Lastwechseln ausgesetzt sind. Die Massenkräfte der Rollen und des Käfigs sowie die Reibung im Schmierstoff beeinflussen die Abrollbedin-gungen im Lager nachteilig und können schädliche Gleitbewegungen zwischen den Rollen und den Laufbahnen hervorrufen. Die Formel zur Berechnung der Mindestbe-lastung ist in den SKF Katalogen zu finden.

Bei Tatzlagerungen können brünierte Lager eingesetzt werden, um das Risiko gleitbedingter Schäden während des Betriebs zu verringern.

BrünierungBeim Brünieren handelt es sich um eine chemische Oberflächenbehandlung, welche die Lagerleistung in bestimmten Betriebs-bedingungen verbessern kann. Diese Behandlung wird in der Praxis erfolgreich angewendet, um den Einlaufprozess von Lagern zu erleichtern und die Widerstands-fähigkeit der Lager gegen schädliche An-schmierungen bei kritischen Schmierbedin-gungen mit dünnen Schmierfilmen und hohem Schlupf zu verbessern.

1,5

1

0,5

außenringgeführt ML, MP

rollengeführt M, MR, MD

Vorteile des Brünierens

• Verbessertes Einlaufverhalten• Erhöhte Öl- und Fetthaftung• Höhere Korrosionsbeständigkeit• Geringere Gefahr von Passungsrost• Höhere Widerstandsfähigkeit gegen-

über schädlichen Anschmierungen• Höhere Leistung bei niedrigem

Viskositätsverhältnis k• Geringere chemische Belastung des

Lagerstahls z. B. durch aggressive Ölzusätze (wie EP-Additive im Getriebeöl)

• Geringe Wasserstoffdurchdringung im Lagerstahl

Relative Drehzahlgrenzwerte in Abhängigkeit von der Käfigausführung

3

81

Bevorzugte AuswahlDie bevorzugte Auswahl basiert auf dem Sortiment vom September 2012. Diese Produktauswahl wird ständig aktualisiert und ggf. neu veröffentlicht.

Das Standardsortiment an Zylinderrollen-lagern ist zusammen mit weiteren Angaben über diese Lager in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

Zylinderrollenlager für Fahrmotoren


d D B d D B

mm –

mm –

70 150 35 NJ 314 ECM/C4VA3011) 120 215 40 NU 224 ECM/C4VA301150 35 NU 314 ECM/C4VA301 215 58 NU 2224 ECML/C4VA301

260 55 NJ 324 ECM/C4VA3011)

75 130 25 NU 215 ECM/C4 VA301 260 55 NU 324 ECM/C4VA301160 37 NJ 315 ECM/C4VA3011)

130 200 33 NJ 1026 M/C4VA3011)

80 170 39 NJ 316 ECM/C4VA3011) 280 58 N 326 ECMR/C4VA301280 58 NJ 326 ECM/C4VA3011)

85 150 28 NU 217 ECM/C4VA301 280 58 NU 326 ECMR3D/C4VA322

90 160 40 NJ 2218 ECM/C4VA3011) 140 300 62 NU 328 ECMRD/P54VA334190 43 NJ 318 ECM/C4VA3011)

190 43 NU 318 ECM/C4VA301 150 320 65 NU 330 ECM/C4VA301

95 170 32 NJ 219 ECM/C3VA3011) 160 340 68 NU 332 ECM/C4VA301

100 180 34 NJ 220 ECM/C4VA3011) 170 310 52 NU 234 ECM/C4VA301180 34 NU 220 ECM/C4VA301 360 72 NU 334 M/C4VA301215 47 NJ 320 ECM/C4VA3011)

215 47 NU 320 ECM/C4VA301 180 280 46 NU 1036 M/C4VA301

110 170 28 NU 1022 M/C4VA301 220 340 56 NU 1044 M/P63RVA305240 50 NJ 322 ECM/C4VA3011)

240 50 NU 322 ECM/C4VA301

1) Zusätzlich zu den Zylinderrollenlagern der Baureihe NJ sind auch geeignete Winkelringe der Baureihe HJ mit dem Nachsetzzeichen VA301 erhältlich.

D

B

d

NNU NJ

Die bevorzugte Auswahl von INSOCOAT und Hybrid-Zylinderrollenlagern für Fahrmotoren ist in Kapitel 4 zu finden.


82

Zylinderrollenlager für Getriebe


d D B d D B

mm –

mm –

55 100 25 NJ 2211 ECML/C31) 110 200 38 NJ 222 ECML/C41)

120 43 NJ 2311 ECML/C31) 200 38 NU 222 ECML/C3B20200 53 NU 2222 ECML/C3

60 110 22 NU 212 ECNML/C3B20130 31 NJ 312 ECML/C31) 120 180 28 NU 1024 N1ML/C3

260 55 NU 324 ECML/C5H65 140 48 NJ 2313ECML/C31)

130 200 33 NU 1026 ML/C370 125 24 NJ 214 ECML/C31) 230 40 NU 226 ECML/C3

125 24 NU 214 ECML/C4 230 64 NU 2226 ECML/C3

75 130 25 NJ 215 ECML/C31) 140 210 33 NU 1028 ML130 25 NU 215 ECML/C4 250 42 NU 228 ECML/C3160 55 NJ 2315 ECML/C31) 250 68 NU 2228 ECML/C3160 55 NU 2315 ECML/C3B20

150 225 35 NU 1030 ML80 140 26 NJ 216 ECML/C31)

140 26 NU 216 ECML/C3H 160 240 38 NU 1032 ML140 33 NJ 2216 ECML/C31)

140 33 NU 2216 ECML/P63 170 260 42 NU 1034 ML170 39 NU 316 ECML/C3

180 320 52 NU 236 ECMA/C385 150 28 NU 217 ECML/C3

150 36 NJ 2217 ECML/C31) 190 290 46 NU 1038 ML/C3340 55 NU 238 ECNML/C3VE656

90 160 30 NJ 218 ECML/C31)

160 40 NU 2218 ECML/C4 200 360 58 NU 240 ECN3ML/C3

95 170 43 NJ 2219 ECML/C41)

100 180 34 NJ 220 ECML/C31)

180 34 NU 220 ECML/C3180 46 NU 2220 ECML/C3

NU NJ

1) Zusätzlich zu den Zylinderrollenlagern der Baureihe NJ sind auch geeignete Winkelringe der Baureihe HJ mit dem Nachsetzzeichen VA301 erhältlich.

D

B

d

3

83

RillenkugellagerRillenkugellager sind besonders vielseitig verwendbar. Sie sind einfach im Aufbau, selbsthaltend, für hohe bis sehr hohe Dreh-zahlen geeignet und unempfindlich in Be-trieb und Wartung. Rillenkugellager sind die am meisten verwendeten Wälzlager. Sie werden deshalb von SKF in einer Vielzahl von Größen und Ausführungen gefertigt.

Bei Anwendungen im Schienenfahrzeug-bereich werden einreihige Rillenkugellager in Fahrmotoren hauptsächlich als Festlager zusammen mit einem Zylinderrollenlager als Loslager eingesetzt. Bei vielen Ausführungen moderner Fahrmotoren ist eine elektrische Isolierung erforderlich. Neben den in diesem Kapitel vorgestellten Lagern werden elektrisch isolierte Rillenkugellager wie INSOCOAT und Hybridlager in Kapitel 4 behandelt.

Bei Getriebeanwendungen werden Rillen-kugellager als Festlager insbesondere bei niedrigen Belastungen verwendet. Solche Lager werden bei Schienenfahrzeugen auch in Zusatzgeräten wie z. B.

• Ventilatoren für Kühlsysteme von Fahrmotoren

• Motoren von Luftkompressoren in Bremssystemen

• Rotationswandler

und in vielen anderen Anwendungen einge-setzt.

KonstruktionsmerkmaleEinreihige Rillenkugellager haben tiefe, durchgängige Laufrillen. Aufgrund der engen Schmiegung zwischen diesen Laufrillen und den Kugeln können diese Lager Radialbelas-tungen und Axialbelastungen in beiden Richtungen aufnehmen.

Einreihige Rillenkugellager sind offen oder abgedichtet (mit Deck- oder Dichtscheiben) erhältlich. Offene Lager, die auch abgedichtet lieferbar sind, können Eindrehungen am Außenring aufweisen.

DichtungslösungenDie gebräuchlichsten Größen von Rillenku-gellagern sind mit Deck- oder Dichtscheiben auf einer oder beiden Seiten erhältlich. Hinweise zur Auswahl unterschiedlich abge-dichteter Lager für verschiedene Betriebs-verhältnisse sind in den SKF Katalogen zu finden.

DeckscheibenLager mit Deckscheiben sind vornehmlich für Anwendungen mit umlaufendem Innen-ring vorgesehen. Die aus Stahlblech gefer-tigten Deckscheiben werden in den Außen-ring eingepasst und stehen in keinem Kontakt mit dem Innenring, sondern bilden einen Dichtspalt mit ihm.

SKF liefert unterschiedliche Ausführungen von Deckscheiben je nach Ausführung, Reihe und Größe des Lagers. Deckscheiben sind mit dem Nachsetzzeichen Z gekenn-zeichnet und mit einem Ansatz in der Deck-scheibenbohrung ausgeführt, der einen lan-gen, engen Dichtspalt mit der Mantelfläche der Innenringschulter bildet. Bei manchen Deckscheiben entfällt dieser Ansatz.

Berührungsfreie DichtscheibenLager mit berührungsfreien Dichtscheiben können mit den gleichen Drehzahlen wie Lager mit Deckscheiben betrieben werden, allerdings mit einer verbesserten Dichtwir-kung.

Die Dichtscheiben bilden einen äußerst engen Dichtspalt mit der Mantelfläche der Innenringschulter. Die berührungsfreien Dichtscheiben aus ölbeständigem, verschleiß-festem Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) haben eine Stahlblecharmierung.

SKF Rillenkugellager mit berührungsfreien Dichtscheiben auf einer oder beiden Seiten sind mit dem Nachsetzzeichen RZ oder 2RZ gekennzeichnet.

Rillenkugellager

Rillenkugellager:Links: ohne EindrehungMitte: mit Eindrehung am AußenringRechts: mit Eindrehung am Außen- und Innenring

Der Ansatz in der Deckscheibenbohrung bildet einen langen, engen Dichtspalt mit der Mantelfläche der Innenringschulter.

Manche Deckscheiben haben keinen Ansatz.

Berührungsfreie RZ-Dichtscheibe

3

85

Reibungsarme DichtscheibenLager mit reibungsarmen Dichtscheiben können mit den gleichen Drehzahlen betrie-ben werden als Lager mit Deckscheiben, allerdings bei verbesserter Dichtwirkung. Die Dichtscheiben kommen praktisch nicht mit der Eindrehung an der Innenring-schulter in Berührung.

Einreihige Rillenkugellager mit reibungs-armen Dichtscheiben auf einer oder beiden Seiten sind mit dem Nachsetzzeichen RSL oder 2RSL gekennzeichnet. Die Dichtschei-ben aus ölbeständigem, verschleißfestem NBR sind mit einer Stahlblecharmierung versehen.

BerührungsdichtungenDie Dichtscheiben aus NBR oder Fluor- Kautschuk (FKM) besitzen eine Stahlblechar-m ierung. Sie sitzen fest in einer Eindrehung am Außenring und dichten diesen einwand-frei ab, ohne ihn zu verformen. SKF Rillen-kugellager mit NBR-Berührungsdichtungen auf einer oder beiden Seiten werden je nach Lager in unterschiedlichen Ausführungen hergestellt:

• Lager der Reihen 60, 62 und 63 mit einem Außendurchmesser über 25 mm bis 52 mm sind mit RSH-Dichtscheiben ausgestattet.

• Andere Lager haben RS1-Dichtscheiben, die entweder gegen die Mantelfläche der Innenringschulter oder gegen eine Ein-drehung auf der Innenringstirnseite abdichten. Der Unterschied wird durch das Maß d1 oder d2 in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings angegeben.

Lager mit Ringnut im AußenringRillenkugellager mit Ringnut im Außenring vereinfachen in vielen Fällen die Konstruk-tion, da sie mit Sprengring zeit- und raum-sparend im Gehäuse axial festgelegt werden können. Der jeweils passende Sprengring ist mit seiner Bezeichnung und seinen Abmes-sungen in den Produkttabellen angegeben und kann getrennt bzw. bereits auf dem La-ger montiert geliefert werden. Weitere An-gaben sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

KäfigeSKF Rillenkugellager sind je nach Ausfüh-rung, Reihe und Größe mit unterschied-lichen Käfigen ausgestattet.

Wälzlager-Schmierstoffe beeinträchtigen im Allgemeinen die Käfigeigenschaften

nicht, abgesehen von einigen Syntheseölen oder Schmierfetten auf Syntheseölbasis so-wie Schmierstoffen mit einem hohen Anteil an EP-Zusätzen in Anwendungsfällen mit Polyamidkäfigen bei höheren Temperaturen. Weitere Angaben über die Eignung von Käfigen sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

Radiale LagerluftEinreihige SKF Rillenkugellager werden se-rienmäßig mit normaler Lagerluft und zum Großteil auch mit der größeren Lagerluft C3 gefertigt. Für Anwendungen in Fahrmotoren werden die Rillenkugellager wegen der enge-ren Passungen mit der wesentlich größeren Lagerluft C4 oder C5 geliefert. Lager mit von der Standard-Lagerluft abweichender Luft bzw. Sonderluft sind auf Anfrage lieferbar.

Leistungsklassen

SKF Explorer Lager SKF hat die Wälzlager der neuen SKF Explorer Leistungsklasse im Hinblick auf die ständig wachsenden Leistungsanforderungen moderner Maschinen entwickelt.

Bei den SKF Explorer Rillenkugellagern ist es gelungen, eine erhebliche Leistungsver-besserung zu erzielen, und zwar durch Optimierung der inneren Geometrie und der Oberflächenbeschaffenheit sämtlicher Be-rührungsflächen, Konstruktionsänderungen bei den Käfigen, Verwendung sehr reiner, extrem homogener und mit einer besonderen Wärmebehandlung versehener Wälzlager-stähle, die die Qualität und Konsistenz der Kugeln verbesserten.

Rillenkugellager der SKF Explorer Leis-tungsklasse bieten vor allem bei Elektro-motoren und in anderen Anwendungen eine gesteigerte Leistung, die im Wesentlichen auf folgenden Verbesserungen beruht:

• erhöhte dynamische Tragfähigkeit• ruhigerer und schwingungsärmerer Lauf• geringere Reibungswärme• erheblich längere Lagerlebensdauer.

Diese Lager sind umweltschonend, da sie raumsparende Konstruktionen ermöglichen und sich durch einen geringeren Schmierstoff- und Energiebedarf auszeichnen. Nicht zuletzt sorgen SKF Explorer Lager für einen niedri-geren Wartungsbedarf und tragen somit zu Produktivitätssteigerungen bei. Weitere Angaben sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

Reibungsarme RSL-Dichtscheibe25 mm < D ≤ 52 mm

RSH-Berührungs-dichtung25 mm < D ≤ 52 mm

RS1-Berührungs-dichtung(Beispiel)

Rillenkugellager mit Ringnut im Außenring und Sprengring

86

SKF energieeffiziente (E2) LagerUm die ständig wachsenden Forderungen nach geringerer Reibung und niedrigerem Energieverbrauch zu erfüllen, hat SKF die Leistungsklasse der energieeffizienten SKF (E2) Rillenkugellager entwickelt. Im Vergleich zu einem SKF Explorer Lager gleicher Größe zeichnen sich die Rillenkugellager dieser Leistungsklasse durch ein um mindestens 30% niedrigeres Reibungsmoment im Lager aus.

Durch Optimierung der inneren Lager-geometrie, Konstruktionsänderungen beim Käfig und Verwendung eines neuen rei-bungsarmen Schmierfetts gelang es, das Reibungsmoment dieser Lager erheblich zu reduzieren.

SKF (E2) Rillenkugellager laufen nachweis-lich länger und benötigen weniger Schmier-stoff als vergleichbare SKF Explorer Rillen-kugellager. Zu den typischen Anwendungen zählen Elektromotoren, Pumpen, Förderan-lagen und Gebläse. Weitere Angaben sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter or online at skf.com/bearings zu finden.

Käfige für Rillenkugellager

Messingkäfige Polymerkäfige Stahlkäfige

Käfigtyp genietet, kugelgeführt

genietet, außenring-geführt

Schnappkäfig, kugelgeführt Lappenkäfig, kugelgeführt

genietet, kugelgeführt

Werkstoff Messing PA66, glasfaser- verstärkt

PA46, glasfaser- verstärkt

PEEK, glasfaser- verstärkt

gestanzter Stahl

Nachsetzzeichen M MA TN9 VG15611) TNH – –

Anwendung Fahrmotor Getriebe Zusatzmaschinen Fahrmotor Zusatzmaschinen

Schmierung Fett Öl Fett Fett

1) Serienmäßig bei SKF E2 Lagern. Bei anderen Lagern ist die Liefermöglichkeit anzufragen.

SortimentDas Gesamtsortiment an Rillenkugellagern ist in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings. verzeichnet. Auf-grund der rauen Betriebsbedingungen von Fahrmotoren und Getrieben werden vor allem Rillenkugellager mit Messingkäfigen und engeren Passungen eingesetzt. Diese engeren Passungen bedingen, dass die Lager mit der größeren radialen Lagerluft C4 oder C5 gefertigt werden müssen. Weitere Informationen zur Auswahl der passenden Lagerausführung finden Sie in den SKF Katalogen oder erhalten Sie beim Technischen SKF Beratungsservice. Die bevorzugte Auswahl an INSOCOAT und Hybrid-Rillenkugellagern für Fahrmotoren finden Sie in Kapitel 4.

3

87

KegelrollenlagerKegelrollenlager werden von SKF entspre-chend ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in vielen Bauformen, Ausführungen und Größen gefertigt:

• einreihige Kegelrollenlager mit metrischen oder Zollabmessungen

• einreihige zusammengepasste Kegel-rollenlager

• zwei- und vierreihige Kegelrollenlager.

Außerdem fertigt SKF noch abgedichtete, gefettete und voreingestellte Lagereinheiten auf Basis von Kegelrollenlagern insbesondere als Radlagereinheiten für PKW und als Rad-satzlagereinheiten für Schienenfahrzeuge. Diese Kegelrollenlagereinheiten werden im SKF Handbuch Schienenfahrzeuge, Band 1, behandelt.

KonstruktionsmerkmaleKegelrollenlager haben kegelig ausgeführte Innen- und Außenringlaufbahnen, zwischen denen kegelige Rollen angeordnet sind. Sie sind für die Aufnahme kombinierter, d. h. gleichzeitig einwirkender radialer und axialer Belastungen konstruiert. Die Projektionslinien der Laufbahnen treffen sich in einem ge-meinsamen Punkt auf der Lagerachse und sorgen damit für exaktes Abrollen und ge-ringe Reibung. Die axiale Belastbarkeit von Kegelrollenlagern wird mit zunehmendem Berührungswinkel a größer.

Einen Hinweis darauf gibt der Berech-nungsfaktor „e“. Je größer „e“ ist, umso größer ist der Berührungswinkel und damit die axiale Belastbarkeit.

Kegelrollenlager sind im Allgemeinen nicht selbsthaltend. Das Innenteil, d. h. der Innen-ring mit Rollen und Käfig, kann getrennt vom Außenring eingebaut werden.

Die SKF Kegelrollenlager des TQ-Line-Sortiments weisen ein logarithmisches Kontaktprofil auf, das eine optimale Span-nungsverteilung an den Berührungsstellen zwischen den Rollen und den Laufbahnen bewirkt. Außerdem verbessert die besondere Gestaltung der Gleitflächen am Führungs-bord des Innenrings und an der großen Rol-lenstirnseite die Schmierfilmbildung in den Rolle/Bord-Berührungsstellen erheblich. Die hieraus resultierenden Vorteile sind eine er-höhte Betriebssicherheit und eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Schiefstellungen.

Je größer der Berüh-rungswinkel a ist, umso höher ist die axiale Belastbarkeit.

aaaaa

Der Berührungswin-kel a ist für die axiale Belastbarkeit von Kegelrollenlagern maßgebend.

a

a

3

89

Einreihige KegelrollenlagerDie SKF Kegelrollenlager für den allgemeinen Bedarf, wozu auch die Kegelrollenlager der Ausführung Q gehören, wurden nach den neuesten Erkenntnissen optimiert hinsicht-lich der Gestaltung der Gleitfläche am Füh-rungsbord des Innenrings, der Rollenstirn-seiten und des Laufbahnprofils auf der Rolle.

Außerdem macht die hohe Fertigungs-genauigkeit das funktionssichere Anstellen der Lager gegeneinander möglich, was sich in merklich verbesserten Betriebseigen-schaften bereits in den ersten Betriebs-stunden bemerkbar macht.

SKF TQ-Line-LagerTQ-Line-Kegelrollenlager mit dem Nach-setzzeichen Q unterscheiden sich aufgrund ihrer Betriebseigenschaften deutlich von Standardlagern. Das logarithmische Kontakt-profil sorgt für eine optimale Lastverteilung an den Berührungsstellen zwischen den Rollen und den Laufbahnen, so dass die Spannungsspitzen auch bei leichten Schief-stellungen innerhalb angemessener Grenzen gehalten werden. Die Rolle/Bord-Berührung ist bei den TQ-Line-Kegelrollenlagern wie bei den SKF Explorer Lagern so ausgelegt, dass sie Reibung und Verschleiß bereits beim Anlaufen vermindert. Die Lager müssen nach dem Einbau nicht spezielle Einlaufverfahren durchlaufen. Bei vorgespannten Lagern geht kontrolliert nur ganz wenig der ursprüng-lichen Vorspannung verloren.

Lager der Ausführung QCL7CLager mit dem Nachsetzzeichen QCL7C wurden ursprünglich als Differenziallager für Industriegetriebe konstruiert, um einen gleichbleibend genauen Zahneingriff zu gewährleisten. Diese Lager besitzen eine erhöhte Laufgenauigkeit und ermöglichen eine hohe Vorspannkraft. Sie weisen ein besonderes Reibungsverhalten auf und kön-nen mithilfe des Verfahrens zur Berechnung des Reibungs moments innerhalb enger Grenzen axial angestellt werden. Ihre innere Konstruktion fördert die Bildung eines hydro-dynamischen Ölfilms, der während der Einlaufphase die Reibung deutlich herab-setzt und somit auch für niedrigere Betriebs-temperaturen sorgt. Bei Lagern mit dem Nachsetzzeichen QCL7C tritt kein Vorspan-nungsverlust ein, sofern sie ordnungsge-mäß eingebaut, geschmiert und gewartet werden.

Einreihige Kegel-rollenlager

90

Lager mit Flansch am AußenringBestimmte Größen von einreihigen SKF Kegelrollenlagern sind auch mit einem Flansch am Außenring lieferbar. Die Lager dieser Ausführung können einfach und raumsparend im Gehäuse axial festgelegt werden und vereinfachen dadurch die Kon-struktion der Lagerung zum Teil erheblich. Auch die Bearbeitung der Aufnahmeboh-rung wird einfacher, da Gehäuseschultern entfallen können. Weitere Angaben sind auf Seite 31 zu finden.

EinlaufenKegelrollenlager durchlaufen normalerweise eine Einlaufzeit, im Laufe der bei herkömm-lichen Kegelrollenlagern eine hohe Reibung mit nachfolgendem Verschleiß auftreten kann, die sich durch eine Temperaturspitze bemerk-bar macht. Bei den aktuellen Ausführungen der SKF Kegelrollenlager sind Reibung, Verschleiß und Reibungswärme deutlich reduziert, vorausgesetzt, die Lager sind ord-nungsgemäß eingebaut und geschmiert.

Einreihiges Kegelrol-lenlager mit Flansch am Außenring († Seite 115)

Rolle/Bord-Berüh-rungsstelleDie Geometrie und Oberflächenbeschaffen-heit der Rollenstirn-seiten und die mit den Rollenstirnseiten in Kontakt stehende Bordfläche wurden op-timiert, um die Bildung eines Schmierstofffilms zu fördern und zu er-halten. Dadurch wird nicht nur die Reibung vermindert, sondern auch die Reibungs-wärme und der Ver-schleiß des Bords. Die Lager können ihre Vorspannung besser halten und geräusch-armer laufen.

Typische Temperaturschichtung bei Kegelrollenlagern während der Einlaufphase(Richtwerte)

00 5 10 15 20

50

100

150

Betriebsstunden [h]Standardlager

SKF Lager der Grundausführung

SKF Explorer Lager und TQ-Line-Lager (Nachsetzzeichen Q)

SKF energieeffiziente Lager

Temperatur [°C]

3

91

KäfigeEinreihige SKF Kegelrollenlager für Getrie-beanwendungen bei Schienenfahrzeugen werden hauptsächlich mit einem gepress-ten, rollengeführten Fensterkäfig aus Stahl-blech ohne Nachsetzzeichen oder mit dem Nachsetzzeichen J1, J2 oder J3 ausgerüstet.

Bei extrem harten Einsatzbedingungen kommen optimierte Käfigausführungen zum Einsatz:

• Käfige aus hochfestem Stahl• Käfige mit erhöhter Stahlblechstärke.

Lagerluft und VorspannungBei den einreihigen Kegelrollenlagern ergibt sich die Lagerluft oder Vorspannung erst nach dem Einbau und ist abhängig vom Anstellen gegen ein zweites Lager, das die Gegenführung übernimmt.

Je nach Anwendung kann es erforderlich sein, dass die Lagerung entweder ein positi-ves oder negatives Betriebsspiel aufweist. In den meisten Anwendungen sollte das Betriebsspiel positiv sein, d. h. im Betrieb sollte das Lager eine Restlagerluft aufwei-sen, wenn auch nur eine geringe.

Einreihige zusammengepasste KegelrollenlagerFür Lagerungsfälle, bei denen die Tragfähig-keit eines Lagers nicht ausreicht bzw. die Welle in beiden Richtungen mit einem be-stimmten Axialspiel bzw. spielfrei zu führen ist, können die Lager auch als einbaufertig zusammengepasste Lagersätze mit den entsprechenden Zwischenringen geliefert werden.

DBEinreihiger, in O-Anordnung zusammen-gepasster Kegelrollenlagersatz. Die auf das Zeichen DB unmittelbar folgende Zahl kenn-zeichnet die Ausführung der Zwischenringe.

DF Einreihiger, in X-Anordnung zusammen-gepasster Kegelrollenlagersatz. Die auf das Zeichen DF unmittelbar folgende Zahl kenn-zeichnet die Ausführung des Zwischenrings.

DTEinreihiger, in Tandem-Anordnung zusam-mengepasster Kegelrollenlagersatz. Die auf das Zeichen DT unmittelbar folgende Zahl kennzeichnet die Ausführung der Zwischen-ringe.

Weitere Informationen sind beim Techni-schen SKF Beratungsservice erhältlich.

Gepresster, rollenge-führter Fensterkäfig aus Stahlblech

Einreihiger zusam-mengepasster Kegel-rollenlagersatz

Zweireihiges Kegel-rollenlager

92


Das Standardsortiment an Kegelrollen-lagern ist zusammen mit weiteren Informa-tionen über diese Lager in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings.

Kegelrollenlager für Getriebe

95 170 45,5 32219 J2/VE141

120 215 61,5 32224 J1/VG237

140 250 71,75 32228 J2/VG237

177,800 227,012 30,162 36990/36920 N1/VA833227,012 33,274 BT1-0410/VA833

178,595 265,112 51,595 M 336948/912

180 250 45 BT1-0005/VE141

189,738 282,575 50,800 BT1-0729

190 260 46 JM 738249/210/VE141

198,298 300,000 49,212 BT1-2111

199,949 282,550 46,038 BT1-0704/HA4282,575 46,038 BT1-2110

200,025 276,225 42,862 LM 241147/110/VE673

210 285 41 T2DC 220/210/VE679

213 285 41 T2DC 220/213/VE679

216,408 285,75 46,038 LM 742747/710

216,5 285 41 BT1-0667/VE679

220 285 41 T2DC 220/VE679 340 76 32044 X/VA805

231,775 300,038 33,338 544091/544118/VE141317,5 47,625 LM 245848/810 317,5 47,625 LM 245848/810/VE141

240 320 42 T4EB 240/VE679

255,6 342,9 57,15 M 349547/510/VG237

257,175 342,90 57,15 M 349549/510/VE174358,775 71,440 M 249747/710/VG237385,775 71,438 M 249747/710/VG237


d D T d D T

mm –

mm –

D d

T


3

93

Zusatzzeichen

VorsetzzeichenVorsetzzeichen kennzeichnen entweder Lagerteile oder Standardlager mit besonde-ren Merkmalen, wobei dem Zeichen norma-l erweise die Bezeichnung des kompletten Lagers folgt. Weitere Angaben sind in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden.

Bei maßgeschneiderten Lagerkonstruk-tionen werden die nachfolgenden Vorsetz-zeichen verwendet. Die vollständige Lagerbezeichnung setzt sich aus dem Vor-setzzeichen und einer Zeichnungsnummer zusammen.

Examples: BB1 Einreihiges Kugellager, Sonder-

konstruktionBC1 Einreihiges Zylinderrollenlager,

SonderkonstruktionBT1 Einreihiges Kegelrollenlager,

Sonderkonstruktion

NachsetzzeichenDie gebräuchlichsten Nachsetzzeichen zur Kennzeichnung bestimmter Konstruktions-merkmale von SKF Lagern in Schienenfahr-zeuganwendungen sind nachfolgend auf-geführt. Weitere Informationen sind beim Technischen SKF Beratungsservice erhältlich.

B20 Eingeengte BreitentoleranzC3 Lagerluft größer als Normal (CN) C4 Lagerluft größer als C3C4H Lagerluft größer als C3 (obere Hälfte

von C4)C5 Lagerluft größer als C4C5H Lagerluft größer als C4 (obere Hälfte

von C5)CA 1. Pendelrollenlager nach Ausfüh-

rung C, aber mit Halteborden am Innenring und einem rollenge-führten Massivkäfig aus Messing

2. Einreihiges Universal-Schräg-kugel lager; zwei in O- oder X-An-ordnung eingebaute Lager haben eine geringere Axialluft als CB vor dem Einbau

CB 1. Einreihiges Universal-Schräg-kugel lager; zwei in O- oder X-An-ordnung eingebaute Lager haben normale Axialluft vor dem Einbau

2. Spezielle axiale Lagerluft bei zweireihigen Schrägkugellagern

CC 1. Pendelrollenlager der Ausführung C, jedoch mit verbesserter Rollen-führung

2. Einreihiges Universal-Schräg-kugellager; zwei in O- oder X-An-ordnung eingebaute Lager haben eine größere Axialluft als CB vor dem Einbau

CL7C Kegelrollenlager mit speziellem Reibungsverhalten und höherer Laufgenauigkeit für Ritzellagerungen

DB Einreihiger, in O-Anordnung zusam-mengepasster Kegelrollenlagersatz. Die auf das Zeichen DB unmittelbar folgende Zahl kennzeichnet die Aus-führung der Zwischenringe.

DF Einreihiger, in X-Anordnung zusam-mengepasster Kegelrollenlagersatz. Die auf das Zeichen DF unmittelbar folgende Zahl kennzeichnet die Aus-führung des Zwischenrings.

DT Einreihiger, in Tandem-Anordnung zusammengepasster Kegelrollen-lagersatz. Die auf das Zeichen DT unmittelbar folgende Zahl kenn-zeichnet die Ausführung der Zwischenringe.

94

N2 Zwei um 180° versetzte Halte-nuten in einer Außenring-Stirn-seite

N3 Ringnut im Mantel des Außen-rings, eine Haltenut in einer Außenring-Stirnseite

P4 Maß- und Laufgenauigkeit gemäß ISO-Toleranzklasse 4

P5 Maß- und Laufgenauigkeit gemäß ISO-Toleranzklasse 5

P54 P5 + C4P6 Maß- und Laufgenauigkeit gemäß

ISO-Toleranzklasse 6P63 P6 + C3P64 P6 + C4P65H P6+C5HQ Optimierte Kontaktgeometrie und

OberflächenbeschaffenheitRS1 Stahlblecharmierte Berührungs-

dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) auf einer Seite des Lagers

2RS1 Stahlblecharmierte Berührungs-dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten des Lagers

RSH Stahlblecharmierte Berührungs-dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) auf einer Seite des Lagers

2RSH Stahlblecharmierte Berührungs-dichtung aus Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten des Lagers

RSL Reibungsarme, stahlblecharmierte Dichtscheibe aus Acrylnitril-Buta-dien-Kautschuk (NBR) auf einer Seite des Lagers

2RSL Reibungsarme, stahlblecharmierte Dichtscheibe aus Acrylnitril-Buta-dien-Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten des Lagers

RZ Reibungsarme, stahlblecharmierte Dichtscheibe aus Acrylnitril-Buta-dien-Kautschuk (NBR) auf einer Seite des Lagers

2RZ Reibungsarme, stahlblecharmierte Dichtscheibe aus Acrylnitril-Buta-dien-Kautschuk (NBR) auf beiden Seiten des Lagers

S0 Ringe bzw. Scheiben maßstabili-siert für Betriebstemperaturen bis +150 °C

T T, gefolgt von einer Zahl, kenn-zeichnet die Gesamtbreite der einreihigen Kegelrollenlagersätze in O- oder Tandem-Anordnung

EC Optimierte innere Konstruktion, mehr und/oder größere Rollen sowie modifizierte Rolle/Bord- Berührung

G Einreihiges Universal-Schräg-kugellager für den satzweisen Einbau, normale Axialluft bei O- oder X-Anordnung

GA Einreihiges Universal-Schräg-kugellager für den satzweisen Einbau, leichte Vorspannung bei O- oder X-Anordnung

GB Einreihiges Universal-Schräg-kugellager für den satzweisen Einbau, mittlere Vorspannung bei O- oder X-Anordnung

GC Einreihiges Universal-Schräg-kugellager für den satzweisen Einbau, starke Vorspannung bei O- oder X-Anordnung

HA Lager oder Lagerteile aus Einsatz-stahl. Zur näheren Kennzeichnung wird eine der folgenden Ziffern angehängt:

0: Komplettes Lager 1: Außenring und Innenring 2: Außenring 3: Innenring 4: Außenring, Innenring und

Wälzkörper 5: Wälzkörper 6: Außenring und Wälzkörper 7: Innenring und WälzkörperHB Lager und Lagerteile bainitge-

härtet. Nähere Kennzeichnung der Lagerteile wie unter HA.

HC Lager oder Lagerteile aus Keramik. Nähere Kennzeichnung der Lager-teile wie unter HA.

Beispiel: HC5 Wälzkörper aus Silikonnitrid

J, J1, J2 Gepresster Fensterkäfig aus Stahlblech

M Massivkäfig aus Messing, wälz-körpergeführt

MA Massivkäfig aus Messing, außen-ringgeführt, für Ölschmierung

ML, MP Einteiliger Fensterkäfig aus Messing, außenringgeführt, für Ölschmierung

MR Einteiliger Fensterkäfig aus Messing, wälzkörpergeführt

MR3D Einteiliger Fensterkäfig aus Messing, Sonderausführung

N Ringnut im Mantel des AußenringsN1 Eine Haltenut in einer Außenring-

Stirnseite

3

95

Beispiele für die Kennzeichen VA und VL

• VA301 Fahrmotorlager• VA3091 Fahrmotorlager mit Aluminium-

oxidbeschichtung an der Außenfläche des Außenrings mit Stromdurchschlagfestig-keit bis 1 000 V DC

• VL0241 Aluminiumoxidbeschichtung an der Außenfläche des Außenrings mit Stromdurchschlagfestigkeit bis 1 000 V DC

• VL0271 Aluminiumoxidbeschichtung an der Außenfläche des Innenrings mit Stromdurchschlagfestigkeit bis 1 000 V DC

Weitere Nachsetzzeichen für INSOCOAT Lager sind auf Seite 117 angegeben.

TNH Käfig aus glasfaserverstärktem Poly-etheretherketon (PEEK), wälzkörper-geführt

TN9 Käfig aus glasfaserverstärktem Poly-amid 66, wälzkörpergeführt

V... V in Kombination mit einem weiteren Buchstaben und einer drei- oder vierstelligen Zahl kennzeichnet Lager mit Abweichungen gegenüber der Normalausführung, die nicht durch allgemein gültige Nachsetzzeichen erfasst werden. Beispiele: VA: Ausführungsvarianten für be-stimmte Verwendungszwecke VB: Geänderte äußere Abmessungen VE: Geänderte innere oder äußere Konstruktion VL: Beschichtungen VQ: Besondere Maß-, Form- oder Laufgenauigkeit VS: Besondere Lagerluft oder Vor-spannung VT: Besondere Schmierstoffe oder Füllmengen VU: Sonstiges

Z Deckscheibe aus Stahlblech auf einer Seite des Lagers

2Z Deckscheibe aus Stahlblech auf beiden Seiten des Lagers

96

LagerprüfungStrenge Prüfungen sind für die langfristige Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit von Schienenfahrzeugen von zentraler Be-deutung. Die Prüfungen der SKF Lager und Lagereinheiten werden im Eisenbahnprüf-zentrum des SKF Business and Technology Parks in Nieuwegein (Niederlande) durch-geführt. Diese Prüfeinrichtung erfüllt die Zulassungskriterien für Prüflabore gemäß der Norm ISO/IEC 17025. Weitere Prüfstände befinden sich in den Entwicklungszentren und Produktionsbetrieben.

Angaben zur Prüfung von Hybridlagern finden Sie auf Seite 125. Weitere Informa-tionen über Feldversuche sind in Kapitel 6 auf den Seiten 164 und 165 angegeben.

Dynamische Prüfung

Chemische Prüfung

SKF Schmierfettprüfstand zur Bestimmung der am besten geeigneten Fettqualität

3

97


Vermeidung elektrischer Ströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

INSOCOAT Lager . . . . . . . . . . . . . 115

Hybridlager . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

Prüfung von Hybridlagern . . . . . 125

98

INSOCOAT Lager und Hybridlager

Die Anforderungen an Fahrmotorlager haben sich mit der Einführung von frequenzumrichtergesteuerten Fahrmotoren als Antriebssysteme beträchtlich erhöht. Kurzzeitige Strom-durchgänge durch das Wälzlager können bereits Schäden ver-ursachen. INSOCOAT Lager oder Hybridlager reduzieren das Risiko eines schädlichen Stromdurchgangs durch das Lager in erheblichem Maße.

Vermeidung elektrischer Ströme

EinführungBetriebssicherheit gehört neben längeren Wartungsintervallen zu den wichtigsten An-forderungen an moderne Lager. Beispiels-weise müssen diese ausreichend robust sein, damit sie in den mit moderner Dreh-stromtechnik ausgestatteten Elektroanlagen betrieben werden können. Ein Stromdurch-gang durch Wälzlager kann innerhalb relativ kurzer Zeit bereits Schäden verursachen.

Zur Sicherstellung eines reibungs- und störungsfreien Betriebs ist es daher erfor-derlich, Stromdurchgänge durch Lager zu vermeiden. Die Berührungsstellen zwischen Gehäuse, Außenring, Wälzkörper, Innenring und Welle fungieren als elektrische Kontakte. Der dabei entstehende Schaden ist abhängig vom elektrischen Versorgungssystem, der Lagerimpedanz und dem tribologischen

Verhalten im Wälzkontakt. Elektrische Entladungen in Form von Lichtbögen und Funken können nicht nur die Wälzkörper, sondern auch die Laufbahnen der Lager-ringe beschädigen. Dieser Prozess geht ein-her mit hohen Temperaturen, die ähnlich denen beim Schmelzen und Schweißen sind. Ein typisches Schadensbild stellen Krater dar, und in einem späteren Stadium bilden sich als Begleiterscheinung Riffel oder ein Waschbrettmuster († Seiten 104 bis 106 und † Kapitel 7) [15, 16].

Prinzip des Strom-durchgangs im Wälz-kontaktbereich

Stromdurchgang

Innenringlaufbahn

Wälzkörper Schmierfilm

99

4

Fahrdraht

Frequenzumrichter

Schiene

Stromabnehmer

Transformator

Erdungskontakt

Fahrzeugrahmen

Radsatz

Motorschild

Fahrmotoren

Getriebe

Motorlager

Radsatz

hochfrequente Störstromschleife

Potenzielle RisikenSeit Beginn der 1940er-Jahre beschäftigt man sich intensiv mit der Erforschung des Phänomens des Stromdurchgangs und gibt hierüber Veröffentlichungen heraus [17]. In den 1960ern führte SKF verschiedene theoretische Forschungsaktivitäten durch, die von umfangreichen Labor- und Feldver-suchen begleitet waren [18]. Die Ergebnisse dieser Versuche wurden dann mit den prak-tischen Erfahrungen der Betreiber vergli-chen. Dabei hat man festgestellt, dass das Risiko elektrischer Entladungen mit nach-folgendem Lagerschaden entsteht, sobald die Spannung 0,5 V übersteigt. Eine Strom-dichte von mehr als 0,1 A/mm2 (bezogen auf die Berührungsfläche der Wälzkörper) wird als schädlich angesehen [19]. Diese Werte werden sehr häufig in der aktuellen Fach-literatur und in der Norm DIN VDE 0123 genannt.

Bei der Durchführung einer ausführlichen Risikoanalyse ist jedoch neben der Strom-energie auch die Frequenz und die Leistung zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für die frequenzumrichtergesteuerten An-triebssysteme aufgrund der dort vorherr-schenden hochfrequenten Spannungen und Stromsignale.

Lösungen zur Schadenverhütung

Es wurden bereits sehr frühzeitig Vorkeh-rungsmaßnahmen zur Vermeidung des Stromdurchgangs bei Elektromaschinen getroffen. Bei älteren Ausführungen von stationären Elektromaschinen mit Stehla-gergehäusen bestand die Isolierung aus einer isolierten Platte zwischen Gehäuse und Fundament. In den 1950er-Jahren waren elektrische Fahrmotoren mit einem Lager-schild ausgestattet, das eine elektrische Isolierung zwischen dem mit dem Stator verbundenen Teil und dem das Lager auf-nehmenden Teil darstellte. In dieser Zeit fertigte SKF die ersten Lager mit einer auf den Außenring aufgepressten strom-isolierenden Schicht [20].

Die späteren stromisolierten Ausführun-gen der Hersteller aus den 1970er-Jahren waren durch flammgespritzte Beschichtun-gen der Bohrung des Motorschilds oder des Wellenlagersitzes gekennzeichnet. Diese Isolierschichten waren normalerweise für eine Durchschlagspannung von rund 100 V DC ausgelegt. Die Bemühungen

Prinzip des Stromflusses

100

Potenzieller Stromfluss in Fahrmotoren und seine Vermeidung [15]

Störstromfluss durch den Fahrmotor – Erdungsstrom

Störstromfluss im Inneren des Fahrmotors – Kreisstrom

Keine Isolierung

INSOCOAT Lager Gleich- und Wechselstrom-Fahrmotoren

INSOCOAT Lager auf beiden Seiten

Gleich- und Wechselstrom-Fahrmotoren

INSOCOAT Lager auf einer Seite

Hybridlager Drehstrom-Fahrmotoren mit Frequenzumrichtern

Hybridlager auf beiden Seiten

Drehstrom-Fahrmotoren mit Frequenzumrichtern

Hybridlager auf einer Seite

der Fahrmotoren-Hersteller um elektrische Isolierung waren mit hohen Kosten verbun-den und manchmal konnte die erforderliche Leistung und Betriebssicherheit auf Dauer nicht gewährleistet werden [21].

4

101

In den 1970er-Jahren begann SKF bereits mit der Serienfertigung der ersten stromisolierten Lager unter der Bezeichnung INSOCOAT [15]. Einige Jahre später wurden Tests durchgeführt, bei denen Kugeln oder Rollen aus Keramik als elektrischer Isolator dienten. Erst als die keramischen Wälzkörper aus Serienproduktion in verlässlicher Qualität verfügbar waren, wurden diese sogenannten Hybridlager in den späten 1990ern in Fahr-motoren eingebaut [22]. Um das Jahr 2000 wurden die ersten Fahrmotor-Lagerein-heiten (TMBU) mit Keramikwälzkörpern ausgestattet († Kapitel 5).

Konstruktionsvarianten von stromisolierten Lagerungen [15]

Gehäuse mit um-laufend integrierter Isolierung Standardlager

Gehäusesitz Standardlager

Außenfläche des Außenrings

INSOCOAT Lager

Keramischer Wälzkörper

Hybridlager

Außenfläche des Innenrings

INSOCOAT Lager

Welle, Sitz und Gegenstücke Standardlager

INSOCOAT Lager, Grundausführung

Hybridlager, Grundausführung

Lagerisolierung

Isolierung des Anbauteils

Keramischer Werkstoff

Isolierung

102

INSOCOAT Fahr-motor-Lagereinheit, Grundausführung

Hybrid-Fahrmotor-lagereinheit, Grund-ausführung

4

103

Elektroerosion

ÜberspannungSchäden durch Überspannung können auftreten, wenn ein elektrischer Strom ein Lager passiert, d. h. sich von einem Ring zum anderen über die Wälzkörper fort-pflanzt. An den Berührungsflächen ist der Vorgang mit dem elektrischen Lichtbogen-schweißen vergleichbar (hohe Stromdichte bei kleiner Berührungsfläche).

Der Werkstoff wird auf ein Temperatur-niveau zwischen Anlasstemperatur und Schmelztemperatur erwärmt. Dabei ent-stehen unterschiedlich große Bereiche mit Verfärbungen, in denen der Werkstoff ange-lassen, wiedergehärtet oder geschmolzen ist. Dort, wo der Werkstoff geschmolzen ist, bilden sich Krater.

Erscheinungsbild: Einzelne Krater auf Laufbahnen und/oder Wälzkörpern. Lokale Brandstellen auf Laufbahnen und Wälz-körpern.

Lagerschaden durch Elektroerosion [15]

Elektrischer Zusammenbruch des Schmierfilms

Eine starke lokale Erwärmung führt zum Schmelzen der metallischen Wälzkörper- und Ringwerkstoffe an der Berührungsstelle.

Wenn der Wälzkörper den Berührungsbereich verlässt, bleiben geschmolzene Materialpartikel und kleine Krater zurück.

Überstehender Werkstoff wird beim Überrollen geglättet oder abgetragen; losgelöste Teilchen werden im Lager verteilt.

ÜberspannungKugellagerlaufbahn mit starken Ausbrüchen

Angelassener Werkstoff

Erneut geschmolzener Werkstoff

Schmierstoff

Wiedergehärteter Werkstoff

104

Eine mattgraue Wälzkörperoberfläche kann auf die Bildung von Mikrokratern hinweisen.Links: Kugel mit mattgrauer OberflächeRechts: Neue Kugel mit dem Spiegelbild der linken Kugel

Bildung von Riffeln bzw. eines Waschbrettmusters auf einer Laufbahn infolge eines schädlichen Stromdurchgangs.

Kriechstrom Fließt ein Strom selbst bei geringer Strom-stärke kontinuierlich in Form von Lichtbögen durch ein Wälzlager in Betrieb, stehen die Laufbahnoberflächen unter Wärmeeinfluss und erodieren; es bilden sich Tausende von Mikrokratern vornehmlich auf der Oberfläche. Sie liegen nah beieinander und verglichen mit den Schäden, die infolge von Überspan-nung entstehen, haben sie einen kleinen Durchmesser. Mit der Zeit werden aus den Kratern auf den Laufbahnen der Ringe oder Rollen Riffeln (Waschbrettmuster).

Das Ausmaß des Schadens ist von einer Reihe von Faktoren abhängig: Lagerart, Lagergröße, elektrisches Versorgungssystem, Lagerbelastung, Drehzahl und Schmierstoff. Abgesehen vom eingetretenen Schaden an der Lagerstahloberfläche kann das Schmier-fett im Schadensbereich verkoken, und dies führt letztendlich zu schlechten Schmier-bedingungen mit nachfolgender Ober-flächenzerrüttung und Ausbrüchen.

Ganz ähnliche Schadensbilder zeigen sich infolge von Elektroerosion bei Anwendungen in Radsatzlagern [1] und manchmal auch in Getrieben. Die Norm DIN VDE 0123 beschreibt ausführlich die Stromführung bei Schienenfahrzeugen.

Bildung von Riffeln bzw. eines Waschbrettmusters auf einer Laufbahn infolge eines schädlichen Stromdurchgangs.Außenringlaufbahn eines Rillenkugellagers

4

105

Neugehärteter LagerstahlFerner ist das Kratermaterial neugehärtet und dadurch sehr viel spröder als der ursprüngliche Lagerstahl. Aufgrund des kontinuierlichen Stromflusses wird die Oberflächenschicht des Lagers immer wieder gehärtet. Schließlich überzieht ein neugehärteter Stahl den Original-Lagerstahl. Beim Anätzen erscheint die neugehärtet Schicht als weißer Bereich im Querschnitt.

Achtung! Die Neuhärtung des Lagerstahls erfolgt aufgrund von hohen Temperaturen, die jedoch nicht nur durch Stromdurchgang verursacht sein können.

Einzelne KraterDas Schadensbild einzelner Krater zeigt sich insbesondere bei Gleichstromanwen-dungen. Da immer mehr Frequenzum-richter in Antriebssys-temen mit variablen Drehzahlen eingesetzt werden, ist die Bildung von Mikrokratern ein sehr verbreiteter strombedingter Scha-den bei Wälzlagern. Wenn ein elektrischer Strom kontinuierlich durch ein Lager in Betrieb fließt, werden die Laufbahnober-flächen geschädigt, da sich Tausende von Kratern an der Ober-fläche bilden und für ein mattes, dunkel-graues Erscheinungs-bild sorgen.

SchmierstoffabbauHohe lokale Temperaturen führen dazu, dass die Schmierstoffzusätze das Grundöl verkoken oder verbrennen. Dadurch werden die Zusätze viel schneller aufgebraucht. Bei Fettschmierung wird das Fett schwarz und hart. Dieser schnelle Abbau des Schmier-stoffs hat eine drastische Verkürzung der Lagerlebensdauer zur Folge.

SchmierstoffabbauSchwarz verfärbtes Fett an den Käfigstegen infolge von Stromdurchgang

200 μm

20 μm

10 μm

Original-Lagerwerkstoff

Beim Anätzen erscheint die wiedergehärtete Schicht weiß.

106

Elektrische EigenschaftenIn den letzten Jahrzehnten hat die Nach-frage nach AC-Motoren für Schienenfahr-zeuge und insbesondere auch für industrielle Anwendungen stark zugenommen. Der Dreiphasen-Asynchronmotor ist der am häufigsten verwendete Fahrmotor in der Schienenfahrzeugindustrie. Klassische Gleichstrom-Fahrmotoren werden zwar noch von einigen Betreibern nachgefragt, aber die Zahl der Anfragen geht stetig zurück.

FrequenzumrichterBei den in Frequenzumrichtern verwendeten Leistungsschaltern handelte es sich zunächst um Thyristoren, dann um GTO(Gate Turn-off)-Transistoren und nun werden soge-nannte Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) eingesetzt. Diese IGBTs erzeugen eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Ausgangs-spannung, wodurch der Wirkungsgrad und die dynamische Leistungsfähigkeit der An-triebe verbessert werden. Allerdings bringen sie nicht nur Vorteile mit sich, sondern es müssen auch neue Kompromisse eingegan-gen werden. So hat sich gezeigt, dass neben den klassischen Spannungen und Strömen, die der Motor selbst erzeugt, neue Effekte hinzukommen, wenn der Motor von einem PWM-Umrichter gespeist wird (Frequenzen von 3 bis 12 kHz je nach Leistungsbereich).

Anforderungen an die Stromisolierung von Fahrmotorlagerungen

AC-Fahrmotoren mit Frequenzumrichter DC-Fahrmotoren

Verwendung am häufigsten Anforderungen einiger Betreiber

Anforderungen an den elektrischen Widerstand

Impedanz1) Ohmscher Widerstand

Lösung HybridlagerINSOCOAT Lager in Abhängigkeit von den anwendungsspezifischen Anforderungen

INSOCOAT Lager

1) Die elektrische Impedanz erweitert das Konzept des Widerstands auf AC-Stromkreise, wobei nicht nur die relativen Amplituden von Spannung und Strom beschrieben werden, sondern auch die relativen Phasen. Bei einem Gleichstromkreis gibt es keinen Unterschied zwischen Impedanz und Widerstand. Letzterer kann als Impedanz mit Nullphasenwinkel gelten.

U

t

U

t500 V/µs 2 500 V/µs

Spannungsimpuls eines GTO-Thyristors im Vergleich zu einem IGBT-Transistor

GTO-Thyristor IGBT-Transistor

Spannungs-spitzen

Nun hat man festgestellt, dass Lager-schäden beim Durchfluss hochfrequenter (5 kHz bis 10 MHz) Ströme entstehen können, die durch diese schnell schaltenden (100 ns) IGBT-Halbleiterbauelemente induziert wer-den. Diese IGBTs können auch einen sehr schnellen Spannungsanstieg (du/dt) von bis zu 2,5 bis 8 kV/μs oder sogar 10 kV/μs am Ausgang des Umrichters bewirken.

4

107

Die grundsätzlichen Ursachen von Lager-strömen sind:

• magnetische Unsymmetrien im Motor • unsymmetrische, nicht abgeschirmte

Verkabelung • schnell schaltende Frequenzumrichter

und ihre Gleichtaktspannung.

Die ersten beiden Punkte stellen potenzielle Risiken für alle Elektromotoren dar, egal ob es sich nun um netzbetriebene oder umrichtergespeiste Motoren handelt.

Der letzte Punkt betrifft nur umrichter-gespeiste Motoren. Potenzielle Probleme entstehen aufgrund unterschiedlicher Störströme:

• hochfrequente Wellen-Erdungsströme• hochfrequente Kreisströme• kapazitive Ableitströme [23].

Die drei Grundantriebsarten von Fahrmotoren und mögliche Ursachen von Elektroerosion

Gleichstrom- Antriebssystem

Einphasen-Wechsel-strom-Antriebssystem

Drehstrom-Antriebssystem mit Frequenzumrichter

Magnetische Unsymmetrien im Motor

Ja Ja Ja

Unsymmetrische, nicht abgeschirmte Verkabelung

Nein Nein Ja

Gleichtaktspannung Nein Nein Ja

1

0

-10 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03

1

0

-1

1

0

-11

0

-1

Magnetische Unsym-metrien im Motor:Die Summe der drei Phasen ist nicht gleich null, wodurch eine Gleichtaktspannung erzeugt wird.

Gleichtakt-spannung

Zeit [s]

In normal umlaufenden Wälzlagern sind die Wälzkörper von den Laufbahnen durch einen dünnen Schmierfilm getrennt. Aus elektrischer Sicht wirkt dieser Film wie ein Dielektrikum, das von der Rotorspannung aufgeladen wird. Bei hohen Frequenzen bildet es einen Konden sator, dessen Kapa-zität von unterschiedlichen Parametern wie Schmierstoffsorte, Temperatur, Viskosität und auch der Dicke des Schmierfilms ab-hängig ist. Sobald die Spannung die Durch-schlagspannung des Schmierstoffs über-steigt, entlädt sich der Kondensator, und ein hochfrequenter kapazitiver Ableitstrom entsteht. In diesem Fall wird der Strom von den inneren Streukapazitäten des Motors begrenzt, tritt aber bei jedem Schaltvorgang des Umrichters auf.

Uu [V DC]

Uv [V DC]

Uw [V DC]

[V DC]

108

Lagerlaufbahn in sehr starker Vergrößerung

Lagerlaufbahn ohne Stromdurchgang Lagerlaufbahn geschädigt durch Stromdurchgang

Gleichstrom-Antriebssystem Drehstrom-Antriebssystem mit Frequenzumrichter

Prinzip eines Fahrmotors mit Streukapazitäten [24]

CSF

CRF

CB1

U1U2U3

CB2 U1

CSRCSF

CRFZB1 ZB2 UB1,2

CSRISF

IB1 IRF IB2

ISR

IPE1LPE1 UPE1

Frequenz-umrichter

Motor-kabel

Welle WelleRotor

Getriebe

Motorgehäuse

Statorwicklungen

Stator

Rotor/Welle

ErdeMotorgehäuse

Schutzleiter 1 Schutzleiter 2Schutzerde

Schutzerde

nichtantriebs-seitiges Lager

antriebs-seitiges Lager

0

30 μm30 μm

0

500 nm

–500 nm

0

30 μm30 μm

0

500 nm

–500 nm

0

30 μm30 μm

0

500 nm

–500 nm

Ein von einem Frequenzumrichter ge-speister Induktionsmotor ist zweifellos ein sehr komplexes Antriebssystem, das von vielen Parametern beeinflusst wird. Der komplette Antrieb einschließlich Strom-versorgung, DC-Zwischenkreis, Schaltele-mente, Kabel, Motor und Belastung, muss als ein Gesamtsystem betrachtet werden, das aus Induktivitäten und verteilten Kapazitäten besteht.

4

109

Einfluss der elektrischen ParameterEs gibt einen Unterschied zwischen DC- und AC-Versorgungssystemen und dem Verhalten von INSOCOAT Lagern in diesen Anwendungen.

In DC-Anwendungen wirkt ein INSOCOAT Lager wie ein normaler (rein ohmscher) Widerstand. Die Aluminiumoxidschicht ist ein Isolator; der ohmsche Widerstand R der Schicht ist die wichtige Größe. Die Durch-schlagspannung der Standardschicht wird mit 1 000 V DC angegeben; der Widerstand ist größer als 50 MW, was eine ausreichende Isolierung des Lagers sicherstellt.

In AC-Anwendungen, insbesondere bei hohen, von PWM-Umrichtern erzeugten Frequenzen, ist dies nicht mehr zutreffend. Es muss ein Ersatzschaltbild des gesamten Lagers erstellt werden, das sämtliche Elemente eines INSOCOAT Lagers, wie den Innen- und Außenring, die Wälzkörper, den Käfig, den Schmierstoff, die Berührungs-fläche zwischen den Wälzkörpern und Lauf-bahnen und die Keramikbeschichtung, berücksichtigt. Eine mögliche Annäherung an einen äquivalenten elektrischen Lager-aufbau zeigt die obige Abbildung.

Schmierstoff

Außenring

Gehäuse

Keramikbeschichtung

Innenring

Welle

Wälzkörper

Schematisches Schaltbild eines eingebauten INSOCOAT Lagers

Es ist schwierig, ein genaues Ersatz-schaltbild des Lagers als elektrisches System zu erstellen. Dafür gibt es zwei Hauptgründe:

• Die massiven Metallelemente in den hochfrequenten elektrischen Feldern haben eine sehr komplizierte dreidimen-sionale Struktur. Dabei sind eventuell vorhandene Wirbelströme zu berück-sichtigen.

• Aufgrund der Berührungen zwischen dem Außenring und den Wälzkörpern und zwischen den Wälzkörpern und dem Innenring entstehen Kapazitäten, deren Werte sich stochastisch je nach den dyna-mischen Verhältnissen in Lagern, bei-spielsweise aufgrund von Schwingungen, verändern.

110

Modellierung des elektrischen IsolierverhaltensEine stromisolierende Schicht wie die Alumini umoxid(Al2O3)-Beschichtung muss als parallele Verbindung zwischen einem Widerstand und einem Kondensator model-liert werden. Daher ist die Impedanz Z zu berücksichtigen, die wie folgt beschrieben wird:

Hierin sind:Z = Impedanzj = imaginäre Einheit

R = DC (ohmscher) Widerstand des Systems [Ohm]

C = Kapazität [F]ƒ = Frequenz [Hz]

Der Wert der Impedanz kann wie folgt berechnet werden:

Diese Gleichung verdeutlicht, dass der die Kapazität enthaltende Term bei ansteigender Frequenz zunimmt, wodurch die Impedanz abnimmt. Um die Impedanz des Lagers zu erhöhen, sollte die Kapazität der Beschich-tung so klein wie möglich gehalten werden. Die Kapazität eines INSOCOAT Lagers ist abhängig von der Größe (beschichtete Oberfläche) des Lagers, der Dicke der Isolierschicht und dem Beschichtungsmate-rial. Dies zeigt die folgende Gleichung [23]:

Hierin sind::0 = Dielektrizitätszahl im Vakuumr = Dielektrizitätszahl1) der isolierenden

BeschichtungA = beschichtete Kontaktoberfläches = Dicke der Keramikbeschichtung

1) Im Elektromagnetismus ist die Dielektrizitäts-zahl das Maß für den Widerstand, der beim elektrischen Feldaufbau in einem Medium vorhanden ist.

4

111

Auswahl der elektrischen IsolierungJe nach Art der anwendungsspezifischen Anforderungen bietet SKF drei Grundaus-führungsvarianten für die elektrische Isolierung von Fahrmotorlagern:

• Hybridlager• INSOCOAT Lager mit beschichtetem

Innenring, die hauptsächlich als Fahr-motor-Lagereinheiten und in industriellen Elektromaschinen verwendet werden

• INSOCOAT Lager mit beschichtetem Außenring, die in Fahrmotoren und Generatoren von Schienenfahrzeugen eingesetzt werden

1 000

100

10

1

0,1

0,01 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000

7,4

7,2

7,0

6,8

6,6

100 1 000 10 000 100 000 1 000 000

Impedanz [kΩ]

Kapazität [nF]

Frequenz [Hz]

Frequenz [Hz]

Gemessene Impedanz und Kapazität eines INSOCOAT 6316/VL0241 Rillenkugellagers (mit beschichtetem Außenring)

112

Hybridlager

Ohmscher Widerstand

Impedanz

In Abhängigkeit von Frequenz und Kapazität

INSOCOAT Lager mit beschichtetem Innenring

INSOCOAT Lager mit beschichtetem Außenring

Lagerausführungen für unterschiedliche Werte von ohmschem Widerstand, Frequenz und Kapazität.Die elektrische Impedanz ist eine Vektorfunktion, die auf dem ohmschen Widerstand, der Frequenz und der Kapazität basiert. Die Kapazität ist ein Maß für die elektrische Ladungsmenge, die bei einer bestimmten elektrischen Spannung gespeichert wird

4

113

INSOCOAT Lager INSOCOAT Lager sind dafür ausgelegt einen Stromdurchgang durchs Lager zu verhindern. Dabei handelt es sich bei diesen Lagern im Vergleich zu anderen Isolierverfahren um eine sehr kosteneffiziente Lösung. Durch Integration der Isoliereigenschaften in das Lager können INSOCOAT Lager die Betriebs-sicherheit und die Laufzeiten von Maschinen erhöhen und das Problem der Elektroerosion praktisch beseitigen.

Das Standardsortiment an INSOCOAT Lagern, das in diesem Handbuch aufgeführt ist, beinhaltet die am häufigsten verwendeten Größen und Ausführungen von:

• einreihigen Rillenkugellagern• einreihigen Zylinderrollenlagern.

Für Anwendungen im Schienenfahrzeug-bereich sind Fahrmotor-Lagereinheiten (TMBUs) mit INSOCOAT Beschichtung erhältlich († Kapitel 5).

Für Tatzlagerungen sind spezielle INSOCOAT Kegelrollenlager mit beschich-teten Außenringen lieferbar.

Gesamtkosten

Gehäuseisolierung einschließlich Lager

Wellenisolierung einschließlich Lager

SKF INSOCOAT Isolierlösung

Gesamtkosten von stromisolierten SKF Lagern im Vergleich zu anderen Isolierlösungen

INSOCOAT Kegel-rollenlager mit Flansch für Tatz-lagerungen († Kapitel 2)

4

115

KonstruktionsmerkmaleBei einem INSOCOAT Lager handelt es sich um ein Standardlager, auf dessen Innen- (VL2071) oder Außenringoberfläche (VL0241) eine Aluminiumoxidbeschichtung mittels Plasmaspritzverfahren aufgebracht ist. Um leitende Effekte durch Wasser oder Feuchtigkeit zu verhindern, ist die Beschich-tung mit einem Harz versiegelt.

In Schienenfahrzeuganwendungen werden normalerweise INSOCOAT Lager mit Aluminiumoxidbeschichtung auf dem Mantel und den Stirnseiten des Außenrings einge-baut [23]. Diese Lager sind mit dem Nachsetz-zeichen VL0241 gekennzeichnet.

Die Normalbeschichtung kann Span-nungen bis zu 1 000 V DC aushalten. Auf Anfrage sind auch Beschichtungsvarianten für höhere Spannungen lieferbar († Tabelle auf Seite 117).

KäfigeINSOCOAT Lager sind mit einem der folgen-den Käfige ausgestattet:

• Rillenkugellager in elektrischen Fahr-motoren und Generatoren haben über-wiegend einen genieteten Messing- Massivkäfig († Seiten 86 bis 87).

• Zylinderrollenlager in elektrischen Fahr-motoren und Generatoren können mit den gleichen Käfigen wie vergleichbare Standardzylinderrollenlager ausgestattet werden († Seite 79).

Anwendung

Ausführung der GegenstückeAufgrund der Isolierung wird bei Lagern mit beschichtetem Außenring (Nachsetzzeichen VL0241) empfohlen, dass der Durchmesser der Gehäuseschulter oder Abstandshülse nicht kleiner ist als das in den SKF Katalogen angegebene Anschlussmaß Da mi.

Einbau und Wartung Beim Einbau sind INSOCOAT Lager in der gleichen Weise wie Standardlager zu be-handeln. Eine einwandfreie Schmierung ist wichtig, um die Lebensdauer von INSOCOAT Lagern voll nutzen zu können.

A– +

V

Plasmadüse Raue Oberfläche

Beschichtung

KathodeIsolierungWasser

Pulver

Lager-werkstoff

Gas

Prinzip des Plasmaspritzverfahrens

116

INSOCOAT Lagerdaten

Rillenkugellager und Zylinderrollenlager

Maßnormen Außenabmessungen: ISO 15

Toleranzen Normal; höhere Genauigkeit auf AnfrageWerte: ISO 492. Weitere Angaben sind in den SKF Katalogen zu finden.Die Aluminiumoxidschicht auf der Außenfläche des Außen- oder Innenrings wirkt sich nicht auf die Genauigkeit aus.

Lagerluft Geeignete Lagerluftklasse prüfen.Werte gelten für nicht eingebaute Lager bei Messlast null: ISO 5753-1, siehe SKF Kataloge

Zulässige Schiefstellung

Identisch mit vergleichbaren Standardlagern

Elektrische Eigenschaften

Die INSOCOAT Standardbeschichtung bietet Schutz gegen AC und DC Ströme. Der ohmsche Widerstand beträgt min. 50 MΩ bei 1 000 V DC.In SKF Prüfungen wurde nachgewiesen, dass der elektrische Durchschlag der Isolierschicht bei mehr als 3 000 V DC eintritt..

Vorteile der INSOCOAT Lagerausführung• praktisch keine vorzeitigen Lageraus-

fälle aufgrund von Streuströmen mehr

• wirtschaftliche Lösung im Vergleich zu anderen Isoliermöglichkeiten

• höhere Betriebssicherheit• niedrigere Lebenszykluskosten

Weitere Konstruktionsmerkmale

Zusätzliche Angaben über die Mindest-belastung, axiale Tragfähigkeit, äquivalente dynamische und statische Lagerbelastung, Temperatur- und Drehzahlgrenzwerte sind entweder im Kapitel Fahrmotor-Lagerein-heiten († Kapitel 5) oder in den SKF Katalogen zu finden.

Da min

45°

Anschlussmaße für INSOCOAT Lager mit beschichtetem Außenring

INSOCOAT Spezifikationen

SKF Spezifikation, Nachsetzzeichen

Kein elektrischer Durchschlag bis zu einer Betriebsspannung von V DC

Elektrischer Widerstand min. MΩ

Beschichteter AußenringVL0241 1 000 50VA30911) 1 000 50VG22112) 1 000 50VL0244 2 000 150VL0246 3 000 150

Beschichteter InnenringVL0271 1 000 50

1) VA3091: VL0241 plus VA301 Spezialausführung für Fahrmotorlager2) VG2211: VL0241 plus spezielle Käfigausführung

4

117

Hauptabmessungen Kurzzeichen

d D B

mm –

NUPNNU NJ

1) Zusätzlich zu den Zylinderrollenlagern der Bauform NJ sind auch geeignete Winkelringe der Bauform HJ mit dem Nachsetzzeichen VA301 erhältlich.

Fahrmotor – INSOCOAT Zylinderrollenlager

50 90 20 NU 210 ECM/C3HVA3091

65 120 23 NU 213 ECM/C4VA3091

70 125 24 NU 214 ECM/C4VA3091125 24 NUP 214 ECM/C4VA3091

75 130 25 NU 215 ECM/C4HVA3091

90 140 24 NU 1018 M/C4VA3091

95 170 32 NU 219 ECM/C4VA3091

100 215 47 NJ 320 ECM/P64VA30911)

110 170 28 NU 1022 M/C3VA3091200 38 NU 222 ECMR/P64VA3091240 50 NUP 322 ECML/C4VL0241

120 260 55 NU 324 ECM/C3VL0241

130 280 58 NU 326 ECML/C5VA3091

160 290 48 NU 232 ECM/C4HVA3091340 68 N 332 EMR/HB3L3BVA841

D

B

d


Das Standardsortiment an INSOCOAT La-gern ist zusammen mit zusätzlichen Angaben über diese Lager in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu finden,

wo weitere anwendungsrelevante Daten verfügbar sind.


118


d D B

mm –

Fahrmotor – INSOCOAT Rillenkugellager

40 90 23 6308 M/C4VL0241

60 130 31 6312 M/C3VL0241

65 160 37 6413 MC/C5HS2VL0241

70 125 24 6214 M/C4VL0241150 35 6314 M/C4VL0241

75 130 25 6215 M/C4VL0241160 37 6315 M/C4HVL0241

80 125 22 6016 M/P65HS0VG2211

95 200 45 6319 M/C4VL0241

110 240 50 6322 M/C4VL0241

120 260 55 6324 M/C3VL0241

130 280 58 6326 M/C3VL0241

160 290 48 6232 N1M/C5HS0VG2241340 68 6332 M/C3VL2071

180 320 52 6236 M/C5HS0VG2211

240 360 56 6048 M/C4S0VG2211

260 400 65 6052 M/C4S0VG2211

D

B

d

4

119

HybridlagerHybridlager stellen eine weitere Verbesse-rung der elektrischen Isoliereigenschaften dar, insbesondere bei den modernen Hoch-frequenzumrichtersystemen, da sie mit Wälzkörpern aus für Wälzlager geeignetem Siliziumnitrid ausgestattet sind. Selbst bei sehr hohen Frequenzen zeichnen sich diese Lager durch hervorragende elektrische Iso-liereigenschaften aus. Längere Wartungs-intervalle können sich durch Anwendung der neuen Richtlinien für eine optimierte Fett-gebrauchsdauer ergeben († Seiten 132 bis 135).

Das in diesem Handbuch aufgeführte Sortiment an SKF Hybridlagern umfasst gängige Größen für elektrische Schienen-fahrzeugmotoren und Generatoren. Dazu gehören:

• einreihige Rillenkugellager• einreihige Zylinderrollenlager.

Außerdem sind auch Fahrmotor-Lagerein-heiten (TMBU) in der Hybridausführung lieferbar († Kapitel 5).

KonstruktionsmerkmaleDie Lagerringe von Hybridlagern sind aus Lagerstahl und die Wälzkörper aus für Wälz-lager geeignetem Siliziumnitrid (Si3N4) ge-fertigt. Da Siliziumnitrid ein hervorragender elektrischer Isolator ist, können Hybridlager zur wirksamen Isolierung von Gehäuse und Welle in AC- und DC-Motoren sowie in Generatoren eingesetzt werden.

Neben ihren hervorragenden Isoliereigen-schaften eignen sich Hybridlager für höhere Drehzahlen und haben bei gleichen Betriebs-bedingungen eine längere Lebensdauer als ein Ganzstahllager gleicher Größe. Auch bei Vibrationen und Schwingungen sind Hybrid-lager sehr leistungsstark. Oft ist eine Vor-spannung des Lagers oder die Verwendung von Spezialfett unter diesen Bedingungen nicht erforderlich.

Die Lagerleistung wird nicht nur durch Belastungen oder Drehzahlen bestimmt. Es gibt eine Reihe anderer Faktoren, die zur Lagerleistung beitragen, wobei insbesondere folgende die Leistung von SKF Hybridlagern im Vergleich zu Ganzstahllagern gleicher Größe verbessern:

• IsoliereigenschaftenAls nicht leitendes Material schützt Silizium-nitrid die Lagerringe vor strombedingtem Schaden und sorgt somit für eine längere Lagerlebensdauer in Anwendungen, in denen schädliche elektrische Ströme sonst die Lagerlebensdauer verkürzen, wie bei-spielsweise in AC- und DC-Motoren und Generatoren.

• Geringere DichteDie Dichte eines Wälzkörpers aus für Wälzlager geeignetem Siliziumnitrid ist um 60% niedriger als bei einem Wälz-körper gleicher Größe aus Lagerstahl. Geringeres Gewicht bedeutet geringere Massenträgheit, und dies bewirkt eine gesteigerte Leistung bei schnellen Starts und Stopps sowie ein höheres Drehver-mögen.

• Niedrigere ReibungDie geringere Dichte eines Wälzkörpers aus Siliziumnitrid und seine niedrige Reibungszahl reduzieren die Lagertem-peratur bei hohen Drehzahlen erheblich. Ein Betrieb bei niedrigeren Temperaturen verlängert die Lebensdauer des Lagers und des Schmierstoffs.

• Hohe Härte und hoher ElektrizitätsmodulDer hohe Härtegrad von Siliziumnitrid-Wälzköpern bedeutet eine hohe Ver-schleißfestigkeit, erhöhte Lagersteifigkeit und längere Lagerlebensdauer in verschmutzter Umgebung.

4

121

Beständigkeit gegenüber Schwingungs-korrosion (False Brinelling)Wenn stillstehende Wälzlager Schwingun-gen ausgesetzt sind, besteht die Gefahr, dass Schwingungskorrosion auftritt. Bei Schwingungskorrosion bilden sich flache Vertiefungen auf den Laufbahnen, die letzt-endlich zu Ausbrüchen und vorzeitigen Lagerausfällen führen. In Fällen, in denen Wälzkörper aus Stahl durch solche aus Keramik ersetzt wurden, wurde festgestellt, dass die Lager erheblich weniger empfind-lich gegenüber Schwingungskorrosion waren

Geringeres Risiko von Anschmierungen zwischen Siliziumnitrid- und StahloberflächenAuch unter unzureichenden Schmierbedin-gungen besteht ein geringeres Risiko von Anschmierungen zwischen Siliziumnitrid- und Stahloberflächen.

Dadurch können Hybridlager in Anwen-dungen mit hohen Drehzahlen oder schnellen Beschleunigungen oder aber in Anwendungen mit einem unzureichenden hydrodynamischen Schmierfilm den ungestörten Lagerbetrieb unterstützen (d. h. k < 1, († Kapitel 5). Bei Hybridlagern setzt man üblicherweise k = 1 bei Lagerlebensdauerberechnungen ein, und zwar auch bei Berechnungen, bei denen k < 1 ist.

Schnellerer Betrieb, längere LebensdauerDie Kombination aus der geringeren Dichte von Siliziumnitrid mit seiner niedrigeren Reibungszahl und seiner hohen Härte und der Tatsache, dass Siliziumnitrid selbst bei schlechten Schmierbedingungen keine Anschmierungen an den Laufbahnen hinter-lässt, ermöglicht die Fertigung von Lagern, die selbst unter den schwierigsten Betriebs-bedingungen schneller und länger laufen.

Niedriger WärmeausdehnungskoeffizientEin Wälzkörper aus Siliziumnitrid hat einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als ein gleichgroßer Wälzkörper aus Wälz-lagerstahl. Dies bedeutet eine geringere Emp-findlichkeit gegenüber Temperaturgefällen innerhalb des Lagers und eine genauere Steuerung der Vorspannung/Lagerluft.

DrehvermögenHybridlager haben normalerweise eine höhere zulässige Drehzahl als Ganzstahllager gleicher Größe. In manchen Fällen kann die Käfigausführung die erreichbare Drehzahl jedoch begrenzen.

Konstruktive Vorteile von Hybridlagern• ausgezeichnete elektrische Isolier-

eigenschaften auch bei sehr hohen Frequenzen

• längere Wartungsintervalle aufgrund einer im Vergleich zu Ganzstahllagern längeren Fettgebrauchsdauer

• Energiesparmöglichkeiten durch geringere Reibung und höhere Genauigkeit

• längere Wartungsintervalle aufgrund niedrigerer Betriebstemperaturen

Angewandte SKF Richtlinien für eine optimierte Fettgebrauchsdauer. Weitere Informationen sind auf den Seiten 132 bis 135 zu finden.

1

2

3

4

5

6

7

8


Standard-lager

Hybridlager Hybrid TMBU

Hybrid TMBU mit optimiertem

Käfig

tf = Nachschmierintervall bei 70 °C

toptimiert = tFett Lagerleistungsfaktoren

122

Werkstoffeigenschaften von Stahl, Siliziumnitrid und Porzellan im Vergleich

Werkstoff Für Wälzlager geeigneter Stahl

Für Wälzlager geeignetes Siliziumnitrid

Porzellan

Druckfestigkeit (MPa) 2 300 3 000 950

Zugfestigkeit (MPa) 1 900 800 150

Dichte (g/cm³) 7,9 3,2 2,9

Härte HV 10 (kg/mm²) 700 1 600 800

Elastizitätsmodul (GPa) 210 310 125

Wärmeausdehnung (10–6/K) 11,7 3 5

Elektrischer Widerstand (Ω cm) 0,4 × 10–6

(Leiter)1012

(Isolator)1012

(Isolator)

Durchschlagfestigkeit (kV/mm) – 15 –

Relative Dielektrizitätszahl – 8 –

Daten von Hybridlagern

Rillenkugellager Zylinderrollenlager

Maßnormen Außenabmessungen: ISO 15Normal, höhere Genauigkeit auf Anfrage

Normal, Laufgenauigkeit P6,höhere Genauigkeit auf Anfrage

Toleranzen Werte: ISO 492. Weitere Angaben sind in den SKF Katalogen zu finden.

Lagerluft Geeignete Lagerluftklasse prüfen († Kapitel 5)Werte gelten für nicht eingebaute Lager bei Messlast null: ISO 5753-1

Zulässige Schiefstellung

Identisch mit vergleichbaren Standardlagern

Elektrische Eigenschaften

Hybridlager bieten Schutz vor AC- und DC-Strömen. Die Impedanz eines Hybridlagers ist selbst bei sehr hohen Frequenzen hoch und bietet hervorragenden Schutz vor hochfrequenten Strömen und Spannungsspitzen.

Weitere Informationen erhalten Sie beim Technischen SKF Beratungsservice.

Hybrid-RillenkugellagerRillenkugellager sind die am weitesten verbreitete Lagerart, insbesondere bei Elektro motoren. Diese selbsthaltenden Lager eigenen sich für hohe Drehzahlen. Die tiefen, durchgängigen Laufrillen haben eine enge Schmiegung an die Kugeln, sodass die Lager radiale und axiale Belastungen in beiden Richtungen aufnehmen können. Weitere Angaben sind in den SKF Katalogen zu finden.

Hybrid-ZylinderrollenlagerHybrid-Zylinderrollenlager sind bei Elektro-motoren, insbesondere Fahrmotoren, sowie in Anwendungen unter schwierigen Betriebs-bedingungen weit verbreitet. Sie können schwere radiale Belastungen aufnehmen und mit hohen Drehzahlen laufen. Weitere Angaben sind im Lagerarten († Kapitel 3).

Weitere KonstruktionsmerkmaleZusätzliche Angaben über die Mindestbe-lastung, axiale Tragfähigkeit, äquivalente dynamische und statische Lagerbelastung, Temperatur- und Drehzahlgrenzwerte sind entweder im Kapitel Fahrmotor-Lagerein-heiten († Kapitel 5) oder in den SKF Katalogen zu finden.

4

123

Zylinderrollenlager (Bauform NU)


d D B d D B

mm –

mm –

Rillenkugellager

Fahrmotor – Hybridlager

60 110 22 6212 M/HC5C4SOVG319 40 68 15 NU 1008 ML/HC5C5

70 125 24 6214 M/HC5C4SOVG319 50 90 20 NU 210 ECM/C3HVC498

80 125 22 6016 MC/HC5P65HS0 60 95 18 NU 1012 MR/C4HVC498

85 150 28 6217 M/HC5C5S0VG319 70 110 20 NU 1014 MR/HC5C4

90 160 30 6218 M/HC5C4SOVG319 75 115 20 NU 1015 MR/HC5C4

110 170 28 6022 M/HC5C4SOVG319 80 125 22 NU 1016 MR/C4HVC498

D

B

d D

B

d


Das Standardsortiment an Hybridlagern ist zusammen mit zusätzlichen Angaben über diese Lager in den SKF Katalogen oder im Internet unter skf.com/bearings zu

finden, wo weitere anwendungsrelevante Daten verfügbar sind.


124

Prüfung von HybridlagernEine sorgfältige Beurteilung der für Wälz-körper verwendeten Werkstoffe ist erforder-lich, um sicherzustellen, dass Keramikwerk-stoffe in einer Lageranwendung optimale Leistung erbringen. Zu diesem Zweck wurden im Laufe der Zeit entsprechende Prüfverfahren entwickelt.

Im Allgemeinen erfolgt eine erste Werk-stoffbeurteilung durch Prüfung der Makro- und Mikrostruktur sowie der Homogenität anhand von Probenquerschnitten von Kugelrohlingen oder fertigen Kugeln durch Einbau und Polieren der Prüflinge. Auch lassen sich Härte und Druckbruchfestigkeit eines potenziellen Lagerwerkstoffs relativ schnell bestimmen.

Es wurden neue Verfahren zur Festigkeits-prüfung fertiger Keramikkugeln entwickelt. Es hat sich insbesondere bei hochfesten Werkstoffen gezeigt, dass die Oberflächen-beschaffenheit einen erheblichen Einfluss auf die Festigkeit hat. Ferner ist die Ober-flächenbeschaffenheit einer Lagerkugel sehr viel besser als die eines Biegestab-Referenz-musters. Der Kerbkugelversuch hat den Vorteil, dass die Festigkeit anhand richtiger Lagerkugeln bestimmt werden kann und nicht mittels Biegestäben wie derzeit in ISO 26602 spezifiziert. Die Kugeln werden gekerbt und vertikal belastet. Sie zeigen ein ähnliches Verhalten wie Biegestäbe [26].

Prüfung der Makro- und Mikrostruktur sowie der Homo-genität mittels Pro-benquerschnitten

Optische Prüfung der Kugeloberfläche

Kerbkugelversuch an Keramikkugeln

Prinzip des Kerb-kugelversuchs zur Beurteilung der Biegefestigkeit von Keramikkugelns = SpannungWN = Breite

Dauerprüfstand mit zwei Sätzen aus vier axial belasteten Hybrid-Schrägkugellagern

4

125

5 Fahrmotor- Lagereinheiten

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Konstruktionsmerkmale . . . . . . 130

Längere Lebensdauer . . . . . . . . 132

Ausführungen für Festlagerungen. . . . . . . . . . . . . . 136

Ausführungen für Loslagerungen . . . . . . . . . . . . . . 138

Sensorbestückte Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . 140

126

Fahrmotor- Lagereinheiten

Fahrmotor-Lagereinheiten (TMBUs) basieren auf einer sehr kompakten, platzsparenden Konstruktion, die eine wartungs-freie Lösung für längere Wartungsintervalle darstellt. Damit kann entweder die Gesamtlänge des Fahrmotors verkürzt, oder aber die Eisenlängen des Rotors und Stators können in einem vorgegebenen Motorbauraum verlängert werden, um eine höhere Leistung zu erzielen. Dieses Subsystem-Kon-struktionsprinzip vereint verschiedene Funktionen in einer einzigen Einheit, wie beispielsweise Schmier-, Abdichtungs- und Haltefunktionen. Der integrierte Flansch erleichtert die Montage.

Der Entwurf und die Konstruktion einer kompletten Lagerung, das Logistikmanage-ment rund um die Lager mitsamt ihrer Umbauteile, wie Dichtungen, Scheiben, Schrauben und Muttern, sowie deren ord-nungsgemäßer Einbau – dies alles ist sehr aufwendig und kostet viel Zeit. Ferner sind für die Wartung von Fahrmotoren mit einer herkömmlichen Lagerung nicht nur jede Menge Fachwissen und handwerkliches Geschick erforderlich, sondern auch gut ge-plante logistische Abläufe. Die Gesamtkosten für OEM-Kunden und Betreiber betragen ein Vielfaches der Kosten des Lagerkaufs. Diese zusätzlichen Kosten sind nur teilweise offenkundig, oftmals sind sie auch in den Kalkulationen der Kunden versteckt. Anderer-seits können sich unerwartete potenzielle Risiken und schwerwiegende Ausfälle bei solchen anspruchsvollen und komplexen Konstruktionen ergeben.

Bei der Fahrmotor-Lagereinheit (TMBU) handelt es sich um eine abgedichtete, vorgeschmierte Lagereinheit, die an das

Motorgehäuse angeflanscht wird. Ein Spezial-fett sorgt selbst bei hohen Betriebstempera-turen für eine längere Fettgebrauchsdauer. Die Lagereinheit ist mit berührungs- und verschleißfreien Labyrinthdichtungen aus-gestattet. Zudem ist sie als Hybridausführung mit keramischen Wälzkörpern erhältlich, die durch Stromdurchgang verursachte Schäden verhindern, sowie als mit Sensoren bestückte Ausführung zur Erfassung von Betriebszuständen. Zusätzliche Funktionen beinhalten die elektrische Isolierung und die Überwachung von Betriebsdaten, wie bei-spielsweise Temperatur, Drehzahl und absolute Positionierung für die Antriebs-systemsteuerung.

127

5

EinführungFrühe Lagerausführungen

LagereinheitenAls die ersten industriellen Wälzlager im 19. Jahrhundert entwickelt wurden, waren die Lagerausführungen auf sehr spezielle Anwendungen hin ausgelegt. Manche dieser Lager waren bereits mit integrierten Flan-schen für einen leichteren Einbau ausge-stattet und besaßen eine einfache Spalt-abdichtung.

NormierungDer spätere Erfolg der Wälzlager im Zuge der Industrialisierung war eng verbunden mit der Normierung der Außenabmessungen, wodurch diese Konstruktionselemente aus-tauschbar gemacht werden sollten. Wälz-lager wurden zur Universallösung für viele unterschiedliche Anwendungen. Die Deut-sche Waffen- und Munitionsfabriken A.G. (DWF) in Berlin1) veröffentlichte im Jahr 1900 die ersten Lagertabellen für Baureihen mit Lagerabmessungen und Tragzahlen. Einige dieser Hauptaußenabmessungen sind sogar heute noch gebräuchlich und in den aktuellen ISO-Normen enthalten.

Anwendungsspezifische Entwicklungen

Im alltäglichen Dialog mit Kunden im Fahr-motorsektor und auf der Basis langjähriger praktischer Erfahrungen werden viele an-wendungsbezogene Themen besprochen, die hauptsächlich die Konstruktion, Logistik, Montage und Wartung von Lagern betreffen. Dabei zeigt sich, dass die manchmal allzu hohen Anforderungen der Kunden und ihrer Zulieferer hinsichtlich einer ordnungsge-mäßen Lagermontage nicht immer leicht zu erfüllen sind.

In spezialisierten Industriezweigen wie der Automobil- und Bahnindustrie waren genormte Lager in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts weit verbreitet. Die Einfüh-

Beispiel einer frühen Lagereinheit mit Flansch, die L. W. Boyer 1886 patentie-ren ließ. Die Rollen werden von einem Satz kleinerer Zwischenrollen geführt [12].

1) Die Deutsche Waffen- und Munitionsfabriken A.G. (DWF) in Berlin gehörte später zu den Vereinigten Kugellagerfabriken (VKF), die wie-derum von SKF übernommen wurden [12].

rung kundenspezifischer Lagereinheiten begann in den 1950er-Jahren. Im SKF Handbuch Schienenfahrzeuge Band 1 [1] werden die Entwicklung und das aktuelle Sortiment an abgedichteten und vorgefette-ten Zylinder- und Kegelrollenlagereinheiten für Radsätze bereits detailliert beschrieben.

1991 erfolgte die Markteinführung der ersten sensorbestückten SKF Radsatzlager-einheiten zur Erfassung von Betriebspara-metern (z. B. Drehzahl). Darüber hinaus erfassen integrierte Schwingungssensoren die Lagerleistung, die von Zustandsüber-wachungssystemen überprüft wird. Mit die-sen Lagereinheiten wird das Ziel verfolgt, die Handhabung, Montage und Wartung verschiedener Komponenten zu minimieren und ein Subsystem zu entwickeln, das verschiedene Funktionen in sich vereint.

KonstruktionsänderungenDie Zielsetzung war also die Entwicklung eines kundenspezifischen Fahrmotorlagers mit wesentlich geringeren Anforderungen hinsichtlich Konstruktion, Logistik, Montage und Wartung. Diese Idee entstand in den frühen 1990er-Jahren, wobei man sämt-liche konventionellen Konstruktionsprin-zipien der vergangenen Jahrzehnte infrage stellte. Der Kundennutzen dieser neuen Konstruktion sollte eine deutlich höhere Betriebssicherheit gepaart mit längeren Wartungsintervallen sein und letztlich zu insgesamt geringeren Lebenszyklus- oder

Abbildung eines Rillenkugellagers der Reihe 322 aus dem DWF-Katalog von 1906. Die Lager dieser Ausführung besaßen bereits Außenabmessungen, die später in den ISO-Normen spezifiziert wurden: beispielsweise ein 6322 Lager mit einer Bohrung von 110 mm, einem Außendurchmesser von 240 mm, einer Breite von 50 mm und einem Kantenabstand von 3 mm. [12].

128

Betriebskosten führen. Das Entwicklungsziel bestand darin, eine spezielle Lösung zu finden, die sich durch eine sehr hohe Anwendungs- und Kundenorientiertheit auszeichnete.

Die Entwicklungsaktivitäten wurden gestützt durch modernste Konstruktions-, Berechnungs- und Prüfsoftware, die Werk-stofftechnik im Bereich verstärkter Materialien und neue Fertigungsverfahren. Diese voll-kommen neue Konstruktion basiert auf einer vorgefetteten, stromisolierten Lager-einheit mit Labyrinthabdichtung, welche die Möglichkeit bietet, Sensoren zur Über-wachung von Betriebsdaten zu integrieren.

Kundenspezifische LagereinheitenDas verwendete Konstruktionsprinzip ähnelt in gewisser Weise dem von Pkw-Radlager-einheiten und Radsatzlagereinheiten für Schienenfahrzeuge. Einzellagerungen wurden zu vorgefetteten und abgedichteten Lagereinheiten weiterentwickelt. Außerdem stellen die integrierten Flansche eine viel einfachere Konstruktion dar; sie sind logis-tisch besser zu managen und können von den Kunden leichter eingebaut werden. Darüber hinaus dienen integrierte Sensoren zur Überwachung von Betriebsparametern wie Drehzahl und Lagertemperatur.

Entwicklungen von Radlagerungen im Kfz- und Schienenfahrzeugbereich sowie von Fahrmotorlagern

Einzellager Abgedichtete, vorgefettete Lager Sensorbestückte Lagereinheiten

Pkw-Rad

Radsatzlager

Fahrmotor

5

129

Einbau eines herkömmlichen Fahrmotorlagers auf der Nichtantriebsseite mit Impulsring und Sensor

Einbau einer sensorbestückten Fahrmotor-Lagereinheit auf der Nichtantriebsseite

KonstruktionsmerkmaleKompaktheitDie Grundidee hinter dem TMBU Konzept [27] basiert auf dem Ersatz des herkömmli-chen Sensors und Impulsrings, die einen größeren Durchmesser aufweisen und zu-sätzlichen axialen Raum benötigen können. Ferner wird auch die komplexe Labyrinthab-dichtung ersetzt, die für viele Anwendungen nicht erforderlich ist. Der nächste Schritt ist die Einführung einer sensorbestückten Lagereinheit mit Flansch und Labyrinth-abdichtung, die einfach zu handhaben und einzubauen ist.

Durch den Einbau einer Fahrmotor- Lagereinheit kann eine Platzersparnis für die gesamte Fahrmotoranordnung erzielt werden. Dies ermöglicht die Verlängerung der Stator-/Rotorlänge, wodurch eine gesteigerte Leistung bei vorgegebenem Motorbauraum erreicht wird.

Innere KonstruktionDie innere Konstruktion wird bestimmt durch die Anordnung der Wälzkörper. Für Festlagerungen wird eine auf einem Kugel-lager basierende Konstruktion gewählt, während für Loslagerungen eine auf einem Zylinderrollenlager basierende Konstruktion zum Einsatz kommt. Der Teil- oder Roll-kreisdurchmesser ist vor allem von den Innen-/Außenringabmessungen abhängig. Der Vorteil des TMBU Konstruktionsprinzips besteht darin, dass Größe und Anzahl der Wälzkörper so gewählt werden können, dass eine bestimmte Tragzahl erreicht wird. In manchen Fahrmotoranwendungen, insbesondere solchen mit einem Kupplungs-antrieb, sind die Lagerbelastungen relativ klein im Vergleich zu den Tragzahlen von Standardlagern bei einem vorgegebenen Bauraum. In diesen Fällen werden die Lager unzureichend belastet und beim Betrieb tritt zusätzlicher Verschleiß auf.

Sensor

Flansch für leichte Montage

Zahnrad Labyrinth-dichtungen

Platzersparnis

integrierte Dichtungen

integrierte Sensoren

Zu ersetzende Komponenten

Einzubauende sensorbestückte Fahrmotor- Lagereinheit

130

Verwendete Symbole: +++ sehr gut geeignet, ++ gut geeignet, + geeignet, -- nicht geeignet

Lagerlösungen und Eigenschaften

Eigenschaften Ganzstahllager INSOCOAT Lager Hybridlager Hybrid TMBU

Schutz vor Elektroerosion -- + +++ +++

Wärmeerzeugung + + ++ ++

Drehvermögen + + ++ ++

Fettgebrauchsdauer + + +++ +++

Beständigkeit gegenüber einer verschmutzten Umgebung

+ + ++ +++

Mindestbelastbarkeit + + ++ +++

Vereinfachung der Montage + + + ++

Einsparungen bei Service und Wartung

+ + ++ +++

Wiederinstandsetzung möglich ja ja empfohlen

Option für integrierte Sensoren -- -- -- ja

5

131

Verlängerte LebensdauerWie auf Seite 15, bereits erwähnt, ist ein verstärkter Trend zur Verlängerung der Wartungsintervalle von Fahrmotoren und den dazugehörigen darin eingebauten Lagern festzustellen.

Viele eingehende Untersuchungen haben bestätigt, dass bei fettgeschmierten Fahr-motorlagern im Betrieb längere Wartungs-intervalle realisierbar sind [15]. Dabei sind in Abhängigkeit von den Anwendungsparame-tern eine Reihe unterschiedlicher Faktoren zu berücksichtigen.

Seit Markteinführung der ersten TMBUs im Jahr 1996 werden mittlerweile viele unterschiedliche Anwendungsparameter abgedeckt. Diese betreffen insbesondere Lokomotiven, Triebfahrzeuge, Nahverkehrs-fahrzeuge, Straßenbahnen und Oberlei-tungsbusse. Seit mehreren Jahren werden die Ergebnisse einer Reihe von Feldver-suchen mit TMBUs, bei denen keine Nachschmierung erfolgt, systematisch dokumentiert.

Eines von mehreren Beispielen aus der Praxis wird auf Seite 168. vorgestellt. In diesem Fall waren die TMBUs 12 Jahre lang ohne Nachschmierung in Lokomotiven in Betrieb. Ihre Laufleistung betrug mehr als 1,5 Millionen Kilometer. Bei der Begutach-tung wurde fast kein Verschleiß festgestellt und auch das Schmierfett befand sich in gutem Zustand. Nach der Wiederinstand-setzung wurden die Lager an den Betreiber zur weiteren Nutzung zurückgegeben.

Diese herausragenden Ergebnisse auf breiter Basis dienten als Grundlage für die Entwicklung eines neuen Modells für eine optimierte Fettgebrauchsdauer.

FlanschausführungDas TMBU Konstruktionsprinzip ermöglicht dem Hersteller aufgrund des integrierten Flansches eine einfachere Lagermontage. Der TMBU Flansch kann direkt an das Motorschild angeschraubt werden. Neben den in der bevorzugten Auswahl aufgeführ-ten TMBU Größen können die speziellen Bohrungs- und Teil-/Rollkreisdurchmesser zur Optimierung der Fahrmotorlagerkon-struktion angepasst werden. Ferner können im Flansch spezielle Bohrungen für Abdrück-schrauben vorgesehen werden, die den Ausbau erleichtern.

Schutz vor VerschmutzungHerkömmliche Fahrmotorlager haben eine offene Konstruktion und müssen beim Einbau gefettet werden. In manchen Fällen lässt sich die erforderliche Reinheit nicht so einfach sicherzustellen, und es können Verunreinigungen in das Lager gelangen, welche die Lagerlebensdauer drastisch verkürzen. Die TMBU ist eine in der Fabrik vorgefettete Lagereinheit, die auf beiden Seiten mit einer Labyrinthdichtung geschützt ist. Diese reibungs- und verschleißfreie Labyrinthdichtung ist in vielen Anwendungen einsetzbar.

Manchmal sind zusätzliche Abdichtungen erforderlich, wenn die TMBU den Umge-bungseinflüssen direkt ausgesetzt ist.

Elektrische Isolierung Zur Steigerung der Betriebssicherheit wird die elektrische Isolierung entweder mittels einer INSOCOAT Beschichtung oder einer Hybridlagerkonstruktion mit Wälzkörpern aus Keramik/Siliziumnitrid hergestellt († Kapitel 4). Dabei sorgt die Hybridlager-konstruktion für eine verbesserte elektrische Isolierung und längere Wartungsintervalle, die den Betreibern bei der Senkung der Lebenszykluskosten helfen.

132

Neue Richtlinien für eine optimierte Fettgebrauchsdauer bei TMBUs

Auf der Basis dieser Erfahrungen [4, 28] hat SKF neue Richtlinien für eine optimierte Fettgebrauchsdauer entwickelt. Das Modell für die Fettgebrauchsdauer berücksichtigt verschiedene Parameter:

• optimierte Lagerkonstruktion, insbeson-dere hinsichtlich Anzahl und Größe der Wälzkörper

• weiter verbesserte Käfigkonstruktion• Labyrinthdichtungen zum Schutz des

Lagersystems vor Verschmutzungen• spezielle Fettsorte und eingefüllte

Fettmenge• hohe Reinheit während der Montage

und Fettbefüllung in der Fabrik.

Darüber hinaus müssen noch einige anwendungsspezifische Faktoren in Betracht gezogen werden:

• Drehzahl, Drehzahlzyklen• Last, Lastverläufe• Schwingungen• Temperaturzyklen• Feuchtigkeit• Verschmutzung etc.

Die Basis des neuen SKF Modells für eine optimierte Fettgebrauchsdauer ist die bis herige grundlegende Berechnung der Fettgebrauchsdauer, die mit den in den SKF Katalogen oder im Internet unter s verfügbaren Hilfsmitteln berechnet werden († Seite 160).

FettleistungsfaktorDie geeignetete Fettviskosität kann mithilfe des SKF Katalogs oder den auf skf.com/bea-rings zur Verfügung gestellten Werkzeugen berechnet werden († Seite 160).

Bei nicht abgedichteten (offenen) Fahr-motorlagern wird die endgültige Auswahl des Schmierfetts (Hersteller und Fettsorte) zunächst vom Fahrmotorenhersteller ge-troffen. In manchen Fällen entscheidet der Betreiber dann selbst aufgrund von kom-merziellen oder anwendungsspezifischen Gründen über das zu verwendende Schmierfett.

Bei vorgefetteten und abgedichteten TMBUs wird die Fettauswahl von SKF getroffen.

Anwendungsspezifische FaktorenDas neue Berechnungsmodell berücksichtigt in höherem Maße als bisher die jeweiligen anwendungsspezifischen Parameter mittels spezieller Berichtigungsfaktoren für

• die Lagertemperatur• Schwingungen und Erschütterungen

im Betrieb• Umwelteinflüsse, wie beispielsweise

Feuchtigkeit• den Luftstrom durch die Lager• Anwendungen mit vertikaler Welle• die Außenringrotation.

Berechnungsprinzip unter Berück-sichtigung anwendungsspezifischer FaktorenDie korrigierte Fettgebrauchsdauer kann wie folgt berechnet werden:

tFett = tf La anwendungsspezifische Berichtigungsfaktoren

Hierin sindtFett = korrigierte Fettgebrauchsdauer oder

Nachschmierfristtf = Nachschmierfrist bei 70 °C oder neu

zu berechnenLa = Lebensdauerbeiwert

5

133

Lagerbezogene FaktorenNeben anwendungsspezifischen Faktoren werden weitere lagerbezogene Leistungs-faktoren berücksichtigt:

• ein Faktor für die Lagereinheit: eventuell Faktor 2 je nach TMBU Ausführung

• ein Faktor für den Lagerwerkstoff: eventuell Faktor 2 bei Verwendung keramischer Wälzkörper

• ein Faktor für die Käfigleistung: eventuell Faktor 2 bei Verwendung spezieller Rollen oder gemischt geführter Käfige. Letztere sind rollen- und außenringgeführt.

Berechnungsprinzip unter Berück-sichtigung lagerrelevanter FaktorenDie optimierte Fettgebrauchsdauer kann unter Berücksichtigung der lagerbezogenen Leistungsfaktoren wie folgt errechnet werden:


BerechnungsbeispielAuf der Grundlage einer speziellen Anwen-dung, für die die spezifischen lager- und fettbezogenen Berichtigungsfaktoren bereits ausgewählt sind, kann die optimierte Fett-gebrauchsdauer für eine TMBU Anwendung berechnet werden:

• Bei Verwendung des gleichen Schmier-fetts und Käfigs kann sich die Fettge-brauchsdauer um den Faktor 2 ver-längern, wenn ein TMBU aus einer Ganzstahl-Werkstoffkombination zum Einsatz kommt.

• Bei Verwendung des gleichen Schmier-fetts und Käfigs kann sich die Fettge-brauchsdauer um den Faktor 4 ver-längern, wenn eine Hybrid TMBU Ausführung (Stahllagerringe / Keramik-wälzkörper) benutzt wird.

• Bei Verwendung des gleichen Schmier-fetts und eines verbesserten Käfigs kann sich die Fettgebrauchsdauer um den Faktor 8 verlängern, wenn eine Hybrid TMBU Ausführung (Stahllagerringe / Ke-ramikwälzkörper) verwendet wird. Dieser Faktor kann nur eingesetzt werden, wenn zuvor keine verbesserte Käfigausführung verwendet wurde.

Weitere Informationen über spezielle kundenspezifische Anwendungen sind beim Technischen SKF Beratungsservice erhält-lich.

134

Angewandte SKF Richtlinien für eine optimierte Fettgebrauchsdauer

1

2

3

4

5

6

7

8


Standardlager TMBU Hybrid TMBU Hybrid TMBU mit optimiertem Käfig

tf = Nachschmierfrist bei 70 °C


5

135

Ausführungen für FestlagerungenFahrmotor-Lagereinheiten (TMBUs) für Festlagerungen basieren auf einem Rillen-kugellager. Die abgedichtete und vorgefettete Lagereinheit besitzt auf dem Außenring einen integrierten Flansch, der an das Fahr-motorschild angeschraubt wird. Zur Aufnahme der TMBU wird der Sitz im Motorschild normalerweise entsprechend der Toleranz-klasse H7 bearbeitet.

Die elektrische Isolierung kann entweder durch Verwendung eines Hybridlagers mit Keramikkugeln oder mittels einer stromiso-lierenden INSOCOAT Beschichtung auf den Außenflächen des Innenrings erzielt werden.

Bei diesen TMBUs handelt es sich um kundenspezifische Ausführungen, die weiter angepasst werden können, um spezielle Anforderungen zu erfüllen.

Ganzstahl TMBU für Festlagerungen auf der Basis eines Rillenkugellagers

Außenring mit Flansch

korrosionsgeschützte Deckscheiben

stromisolierende INSOCOAT Beschichtung auf den Außenflächen des Innenrings; keine Beschichtung bei Hybridlagerausführung

Labyrinthdichtung

großes Fettreservoir

optimierte Innengeometrie, alternative Hybridlagerausführung mit Keramikkugeln

Anwendungsbeispiel einer Fahrmotor-Lagereinheit für Festlagerungen Die vollständige Fahrmotorzeichnung ist auf Seite 212 abgebildet. Weitere Angaben sind auf den Seiten 42, 46, und 54 zu finden.

136

Eigenschaften und Vorteile der TMBU Ausführung für Festlagerungen• platzsparend, weniger Bauteile• sehr einfache Montage• Labyrinthdichtungen• fettgeschmiert für längere

Wartungsintervalle

Fahrmotor-Lagereinheiten für Festlagerungen

65 170 68 38,5 22 200 BB1-7024

80 145 60 25 10 175 BB1-7116

90 190 88 47,5 28 230 BB1-7141

110 180 62 31 22 220 BB1-7330

120 182 48 17,5 7 230 BB1-7348

208 280 65,5 18 15 320 BMB-7509


d D B C1 C2 D1

mm –

BdD1 D

C2

C1


Diese Angaben dienen nur der Information. Genaue Produktdaten sind beim Technischen SKF Beratungsservice erhältlich.

5

137

Ausführungen für LoslagerungenFahrmotor-Lagereinheiten (TMBUs) für Loslagerungen basieren auf einem Zylinder-rollenlager. Die abgedichtete und vorgefet-tete Lagereinheit besitzt auf dem Außenring einen integrierten Flansch, der an das Fahr-motorschild angeschraubt wird.

Die elektrische Isolierung kann entweder durch Anbringung einer stromisolierenden INSOCOAT Beschichtung auf den Außen-flächen des Innenrings oder mittels eines mit Rollen aus Siliziumnitrid ausgestatteten Hybridlagers erzielt werden.

Bei diesen TMBUs handelt es sich um kundenspezifische Ausführungen, die weiter angepasst werden können, um spezielle Anforderungen zu erfüllen.


korrosionsgeschützte Deckscheiben

stromisolierende INSOCOAT Beschichtung auf den Außenflächen des Innenrings, falls eine Ganzstahllagerausführung verwen-det wird

Labyrinthdichtung

großes Fettreservoir

optimierte Innengeometrie und Rollenkonstruktion, Hybridaus-führung mit Keramikrollen

Hybrid TMBU für Loslagerungen auf der Basis eines Zylinder-rollenlagers

Anwendungsbeispiel einer Fahrmotor-Lagereinheit für LoslagerungenDie vollständige Fahrmotorzeichnung ist auf Seite 212, abgebildet. Weitere Angaben sind auf Seite 54 zu finden.

138

Eigenschaften und Vorteile der TMBU Ausführung für Loslagerungen• platzsparend, weniger Bauteile• sehr einfache Montage• Labyrinthdichtungen• fettgeschmiert für längere Wartungs-

intervalle

Fahrmotor-Lagereinheiten für Loslagerungen


d D B C1 C2 D1

mm –

50 115 59 21 6 155 BC1-7229

80 145 59 21 6 185 BC1-7273

120 220 56 30 30 268 BC1-7292220 74 54 54 262 BC1-7293

210 280 50 29 26 320 BC1-7308

B

C1

dDD1

C2


Diese Angaben dienen nur der Information. Genaue Produktdaten sind beim Technischen SKF Beratungsservice erhältlich.

5

139

Sensorbestückte AusführungenDas mit Sensoren versehene TMBU Konzept bietet verschiedene Möglichkeiten zur Da-tenerfassung und Messung († Kapitel 9). Die Inkremental-Sensoreinheit ist in das Labyrinth-Abdichtungssystem des Außen-rings der Lagereinheit integriert. Im Ver-gleich zu herkömmlichen Sensoren ergibt sich bei dieser Konstruktion insbesondere in der axialen Richtung eine Platzersparnis. Die platzsparende Ausführung mit weniger Bauteilen zeichnet sich durch eine hohe Auflösung und Genauigkeit sowie eine robuste Bauweise für eine lange Lebens-dauer aus.

Optionen der sensorbestückten Ausführungen• absolute Positionserfassung für

Fahrmotorsteuerungen• Drehrichtungserfassung• Drehzahlmessung für Brems-

steuerungssysteme• Temperaturmessung zur Über-

wachung der Betriebszustände

Kabel oder Stecker


optimierte Innengeometrie, Lager mit Keramikkugeln

Impulsring

Leiterplatte

Sensorbestückte TMBU für Fest-lagerungen

140

Kabel oder Stecker


optimierte Innengeometrie, Lager mit Keramikrollen

Impulsring

Leiterplatte

TMBU für Loslagerungen

5

141

6 Lager-berechnung

Berechnungsregeln . . . . . . . . . . 143

Nominelle Lebensdauer . . . . . . . 149

Schmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Erweiterte Berechnungen . . . . . 161

Verifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . 164

142

Lagerberechnung

SKF hat eine Reihe von Berechnungsverfahren zur Optimierung der Lagerauswahl für Fahrmotoren und Getriebe zusammen-gestellt. Die wichtigsten Berechnungsregeln werden in den SKF Katalogen erläutert. Dieses Kapitel enthält eine Übersicht über die aktuellen Verfahren und die erweiterten Berechnungs-programme, mit denen SKF Anwendungstechniker und SKF Entwicklungsingenieure arbeiten. Die Auswahl des Berech-nungsprogramms sollte einzelfallbasiert erfolgen und die individuellen Anforderungen und Erfahrungen berücksichtigen, damit ein zuverlässiges Design mit möglichst geringem Instand-haltungsaufwand realisiert werden kann. Bei komplexeren Berechnungen kann der Technische SKF Beratungsservice für Schienenfahrzeuge hinzugezogen werden.

BerechnungsregelnIn den folgenden Abschnitten werden Basis-berechnungen in der Reihenfolge erläutert, in der sie üblicherweise benötigt werden. Allgemeinere Angaben sind in den SKF Katalogen sowie auf skf.com/bearings zu finden. Es ist nicht möglich, in diesem Handbuch detailliert auf alle denkbaren Antriebskonfigurationen einzugehen.

Neben der Berechnung der Lagerlebens-dauer sind weitere Konstruktionselemente zu berücksichtigen. Der Schmierstoff ist ebenfalls eine sehr wichtige Komponente der Lageranordnung, da er den Verschleiß minimiert, vor Korrosion schützt und so eine volle Entfaltung der Lagerleistung ermög-licht. Auch die Dichtung spielt eine zentrale Rolle. Ihre Wirksamkeit ist von erheblicher Bedeutung für die Sauberkeit des Schmier-stoffs. Die Sauberkeit wirkt sich stark auf die Lagergebrauchsdauer aus – dies ist einer der Gründe für die zunehmende Beliebtheit von Fahrmotor-Lagereinheiten. Weitere

Gründe sind die Befettung während der Fertigung und die integrierten Dichtungs-systeme solcher Einheiten († Kapitel 5).

Der erforderliche Umfang der Berech-nungen hängt davon ab, ob bereits Erfah-rungwerte für ähnliche Anordnungen vor-liegen. Wenn entsprechende Erfahrungen fehlen oder außergewöhnliche Anforde -rungen an die Lagerung bestehen, erhöht sich naturgemäß der Aufwand für den Lagerungsentwurf, weil z.B. genauere Berechnungen bzw. Versuche durchgeführt werden müssen.

143

6

Funktion und Lagergebrauchsdauer

Die Lagerfunktion hängt von der geforderten Lebensdauer ab, die mit dem Lebensdauer-modell sowie ggf. mit weiterführenden, komplexen Berechnungen bestimmt wird. Die Lagerlebensdauer ist von der Drehzahl und den einwirkenden Kräften abhängig.

Es gibt jedoch weitere, wichtige Einfluss-faktoren für die Lagerfunktion. Dabei handelt es sich um die Schmierung, die Betriebs-temperatur (Viskosität) und die Sauberkeit, die wiederum stark vom Dichtungssystem abhängt (Verunreinigungsbeiwert). Diese zusätzlichen Faktoren werden von der Erweiterten SKF Lebensdauerberechnung berücksichtigt.

Fettgebrauchsdauer und Verschmut-zungsgrad sind speziell für fettgeschmierte Fahrmotor- und Tatzlager bei der Bestim-mung der Instandhaltungsintervalle ein-zubeziehen.

Faktoren für die Lagerfunktion und die Lagerlebensdauer

• Komponentenqualität – Lager / Dichtung / Schmierstoff

• Maschinenkonstruktion – Lagerauswahl – Schmierungsauswahl – Gehäusekonstruktion – Dichtungsausführung – Stromfluss

• Aufstellung der Maschine – Lagereinbau (Passungen usw.) – Erstschmierung – Sauberkeit

• Maschinennutzung – Drehzahl, Belastung – Kühlung / Heizung – Schmierung

• Instandhaltung von Maschinen – Lager / Schmierfunktion

Die erweiterten Berechnungen berück-sichtigen den Einfluss zusätzlicher Betriebs-bedingungen (Wellen- und Gehäusepas-sung, Elastizität, Verformung, Einstellung).

Die Lagerlebensdauer hängt von der Lagerfunktion ab, die sich ebenfalls rechnerisch abbilden lässt. Auch die Anwen-dungsumgebung (Gesamtdesign, Einbau, Betriebsweise) wirkt sich direkt auf die La-gergebrauchsdauer und den Instandhal-tungsaufwand aus.

Die berechnete Lagerlebensdauer sollte durch Praxisversuche verifiziert werden. Dazu gibt es folgende Möglichkeiten:

• Analyse von Schmierstoffproben († Kapitel 10, Seite 222)

• Prüfung der Lagerzustands, falls Kompo-nenten einfach ausgebaut und zerlegt werden können († Kapitel 7)

• Einsatz von Zustandsüberwachungs-lösungen († Kapitel 9)

Weitere Informationen zur Verlängerung der Gebrauchsdauer von Fahrmotor-Lagerein-heiten, Hybridausführungen usw. finden sich auf den Seiten 122 sowie 132 bis 135.

144

LagergebrauchsdauerDie Lagerlebensdauer wird von den Stan-dardberechnungsmodellen nur teilweise erfasst. Erweiterte Berechnungen können zusätzliche Faktoren berücksichtigen, z.B. die Lebensdauer einzelner Komponenten:

• Innenringlaufbahn• Außenringlaufbahn• Wälzkörper• Käfig• Schmierstoff• Dichtungen

Mathematisch lassen sich diese Faktoren wie folgt ausdrücken:

LLager = f (LLaufbahnen, LWälzkörper, LKäfige, LSchmierstoff, LDichtungen)

Im Unterkapitel zu den erweiterten Berech-nungen († Seite 161) werden mehrere Berechnungsmodelle und Beispiele erläutert.

Auch wenn die Berechnungen die Lebens-dauer unter realen Betriebsbedingungen relativ genau angeben, lässt sich die tatsäch-liche Lagergebrauchsdauer letztlich nur durch Praxiserfahrungen festlegen.

Die Lagergebrauchsdauer kann durch Lageraufarbeitung verlängert werden († Seite 218).

Hauptfaktoren für die Lagerlebensdauer

Drehzahl

Nominelle Lagerlebensdauer

Käfigausführung

Einstellung, Passungen

Stromdurchgang durch die Lager

Temperatur und Lager-wärmestabilisierungVerunreinigung

Schmierung

Belastungen und Elastizität

6

145

SpezifikationenDie Grundlage aller Berechnungen und Anwendungsempfehlungen bilden die Kun-denspezifikationen. Sie müssen so detailliert wie möglich sein. Darüber hinaus können auch Erfahrungen mit ähnlichen Ausführun-gen dabei helfen, die erforderlichen Berech-nungen und anwendungsbezogenen Konstruktionen festzulegen.

Für die Grundberechnungen werden die Hauptdaten sowie weitere Informationen benötigt (Betriebsparameter, Zeichnungen usw.). Ausgehend von diesen Informationen ist zu entscheiden ob zusätzlich zur Berech-nung der nominellen Lagerlebensdauer weitere, komplexere Berechnungen erfor-derlich sind.

Spezifikationsbeispiel

• Fahrzeughersteller• Drehgestellhersteller• Getriebehersteller• Fahrmotorhersteller• Name und Land des Betreibers• Fahrzeugtyp• Projektname• Höchstgeschwindigkeit• Raddurchmesser: neu/Mittelwert/verschlissen• erwartete Laufleistung pro Jahr• erforderliche Instandhaltung (nach Laufleistung und Zeit)• Klima (Mindest-/Höchsttemperatur und Feuchtigkeit)• Streckenzustand• Getriebeausführung, geometrische Daten (Abstände usw.), Zahnraddaten• Gehäuse und Wellenausführung (Konstruktionsdetails, Werkstoffe usw.)• Anwendungsdesign, geometrische Daten (Abstände, Rotor- und Kupplungsgewicht)• Leistung und Geschwindigkeit, durchschnittliche Daten oder Belastungsfälle (z.B. als

Drehmoment- oder Zugkraftdaten; vgl. auch nachstehende Abbildung)• Lagerbelastungen (sofern bekannt)• bevorzugte Lager-/Lagerungsausführung und Größe• Erfahrungen mit ähnlichen Ausführungen• Ergebnisse von Feldversuchen (sofern vorhanden)• Stromdurchgang und Notwendigkeit einer Lagerisolation • Überwachung: Temperatur, Drehzahl und Schwingungen

Die Lagerbelastungen lassen sich anhand der Zugkraft des Fahrzeugs, des Motordreh-moments oder der Bezugsdrehzahl des Fahrmotors festlegen. Diese Daten sollten als Belastungskollektiv einbezogen werden (d.h. unter Berücksichtigung unterschied-licher Auslastungsmuster bzw. rechnerisch bestimmter Mittelwerte). Nenndaten sind für erste Schätzungen geeignet.

146

Zugkraft

Arbe

itszy

klus

Nen

ndat

en u

nd

Ausl

astu

ngsf

akto

r

Hau

ptda

ten

Fahrmotor-Drehmoment

Leistung und Drehzahl

Fahrzeug

Antrieb

Fahrzeug

Antrieb

Mögliche Einflussgrößen für die Berechnung der Lagerbelastungen [15]

6

147

AnalyseAusgehend von den Spezifikationen und der Entscheidung, welche Aspekte berechnet und untersucht werden sollen, muss eine Analyse erfolgen, die meist in mehreren Stufen durchgeführt wird:

1 Bestimmung der Lagerbelastungen2 Berechnung der Lagerlebensdauer3 Berücksichtigung der Temperaturen, der

Schmierung und der Lagerluft4 Verifizierung der Ergebnisse für das

ausgewählte Lagerungsdesign

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Bandbreite des Verhältnisses zwischen spezifischer Antriebsleistung und Gesamtmasse einer Straßenbahn

kW/t

Anzahl der Fahrzeug ausführungen

Installierte Leistung und AuslastungAufgrund eines relativ breiten Anforderungs-spektrums kann das Verhältnis zwischen installierter Leistung und Zugmasse sehr unterschiedlich ausfallen. Eine Studie für 50 unterschiedliche Straßenbahnfahrzeuge, die zwischen 1993 und 2008 für den Stadtver-kehr hergestellt wurden, untersucht diesen Zusammenhang im Detail 29]. Die spezifische Leistung steht in einem Verhältnis zur Fahr-zeuggesamtmasse (inkl. vier sitzender oder stehender Passagiere/m²). Auch wenn die Betriebsbedingungen dieser Straßenbahn-fahrzeuge vergleichbar sind, schwankt das Verhältnis zwischen installierter Leistung und Fahrzeuggesamtmasse sehr stark.

Das tagesspezifische Auslastungsmuster der Leistung – und damit die Betriebsbedin-gungen – hängt zumindest teilweise vom Fahrer ab. Bestimmte Fahrzeugausführungen können bei ganz unterschiedlichen Beschleu-nigungen, Geschwindigkeiten und Strecken-bedingungen betrieben werden. So können Straßenbahnfahrzeuge zum Beispiel nach mehreren Betriebsjahren durch antriebslose Sektionen verlängert werden, um die Trans-portkapazität zu erhöhen oder um einen zu-sätzlichen Niederflurbereich für Passagiere zu schaffen. In solchen Fällen verlieren die ur-sprünglichen Berechnungsspezifikation ihre Gültigkeit. Das Berechnungsergebnis kann daher nur so gut sein wie die Betriebsbedin-gungen, die ursprünglich angegeben waren.

Auf Seite 164 werden die Ergebnisse aus einem Feldversuch mit einer Mehrzweck-lokomotive beschrieben. Bei diesem Test zeigte sich, dass die einwirkenden Kräfte und die Lagerbetriebstemperaturen je nach Betriebsbedingung stark schwankten.

148

Nominelle LebensdauerFür vereinfachte Berechnungen kann die Lagerlebensdauer mit dem sogenannten „Handbuchverfahren“ näherungsweise be-stimmt werden. Die nominelle Lebensdauer eines Lagers nach ISO 281:1990 beträgt

Hierin sind L10 = Lebensdauer bei 90% Erlebenswahr-

scheinlichkeit [Mio. Umdrehungen]C = dynamische Tragzahl [kN]P = äquivalente dynamische Lagerbelas-

tung [kN]p = Exponent der Lebensdauergleichung = 3 für Kugellager = 10/3 für Rollenlager (werden

typischerweise als Radsatzlager eingesetzt)

Die nominelle Lebensdauer eines bestimm-ten Lagers basiert auf der dynamischen Tragzahl nach ISO 281. Die äquivalente La-gerbelastung wird basierend auf den Lager-belastungen berechnet, die via Achsschenkel und Radsatzlagergehäuse auf das Lager wirken.

Für Schienenfahrzeuge wird die Lebens-dauer meist als Laufleistung in Millionen km angegeben:

Hierin sindL10s = Lebensdauer bei 90% Erlebenswahr-

scheinlichkeit [Mio. km]Dw = mittlerer Raddurchmesser [m]

Bei der Bestimmung von Lagergröße und Gebrauchsdauer sollten das C/P-Verhältnis und Lebensdauer mit bekannten, ähnlichen Anwendungsfällen verglichen werden, für die es bereits ausreichend Erfahrungen gibt.

Für Fahrmotoren und Getriebe ist die Übersetzung im Verhältnis zur Getriebewelle zu berücksichtigen.

Typische Lebensdauerwerte

U- und S-Bahnen und Rangier-lokomotiven

Triebwagen und Lokomotiven

600 000 – 1 500 000 km 1 000 000 – 3 000 000 km

Hinweis: Die Kundenbedürfnisse für spezifische Anwendungsfälle können unterschiedlich ausfallen.

L10sL10sg = —— i

Hierin sindL10sg = Lebensdauer bei 90% Erlebens-

wahrscheinlichkeit [Mio. km] bezogen auf die Übersetzung

i = Übersetzung

6

149

Äquivalente dynamische Lagerbelastung

Wenn die berechnete Lagerbelastung F in Größe und Richtung unveränderlich ist und bei Radiallagern rein radial, bei Axiallagern rein axial und zentrisch wirkt, dann wird für die äquivalente dynamische Lagerbelastung P in den Lebensdauergleichungen unmittel-bar die Lagerbelastung F eingesetzt (P = F).In allen anderen Fällen muss zunächst die äquivalente dynamische Belastung berechnet werden. Sie ist definiert als die gedachte, in Größe und Richtung konstante radiale Be-lastung (bei Radiallagern) bzw. axiale und zentrische Belastung (bei Axiallagern), die den gleichen Einfluss auf die Lebensdauer hat wie die tatsächlich wirkende Belastung.

Fa

Fr PDie Radialbelastung Fr und die Axialbe-lastung Fa werden durch die radial wir-kende äquivalente dynamische Lager-belastung P reprä-sentiert

Radiallager sind oft gleichzeitig radialen und axialen Belastungen ausgesetzt. Wenn die resultierende Belastung nach Größe und Richtung konstant ist, wird die äquivalente Belastung P aus folgenden allgemeinen Formeln bestimmt:

P = X Fr + Y Fa

Hierin sindP = äquivalente dynamische Lager-

belastung [kN]Fr = tatsächliche radiale Lagerbelastung

[kN]Fa = tatsächliche axiale Lagerbelastung [kN]X = Radialbelastungsbeiwert für das LagerY = Axialbelastungsbeiwert für das Lager

Bei einreihigen Radiallagern wirkt sich eine axiale Belastungskomponente erst dann auf die äquivalente Belastung P aus, wenn das Verhältnis Fa/Fr einen bestimmten Grenz-wert e überschreitet. Dagegen sind bei zwei-reihigen Radiallagern im Allgemeinen auch kleine Axialbelastungen von Bedeutung.

Bei Axiallagern, die nur reine Axiallasten aufnehmen können, beispielsweise Axial-kugellager sowie Zylinder-, Nadel- und Kegelrollen-Axiallager, kann die Gleichung vereinfacht werden, sofern die Belastung konzentrisch angreift:

P = Fa

Die Informationen und Daten zur Berech-nung der äquivalenten dynamischen Lager-belastung sind den SKF Katalogen, der Website skf.com/bearings und spezifischen SKF Kundenzeichnungen zu entnehmen.

150

Anwendungsbeispiel für die einwirkenden Fahrmotorkräfte am Ritzelkontakt und im Rotorschwerpunkt (Ritzel auf Fahr-motorwelle)

Anwendungsbeispiel für die einwirkenden Fahrmotorkräfte im Rotorschwerpunkt (elastische Kupplung zwischen Fahrmotor und Getriebe)

Berechnung der dynamischen Lagerbelastungen

Die auf die Lager wirkenden Belastungen lassen sich nach den Gesetzen der Mechanik berechnen,[15] wenn die äußeren Kräfte (z. B. Kräfte aus der Leistungsübertragung, Betriebsskräfte oder Massenkräfte) bekannt sind oder rechnerisch ermittelt werden kön-nen. Bei der Berechnung der Belastungs-komponenten für ein Einzellager wird die Welle als Träger mit starren, momentfreien Auflagen betrachtet, um die Berechnung zu vereinfachen. Elastische Verformungen im Lager, im Gehäuse oder im Maschinenrah-men werden nicht berücksichtigt, ebenso nicht die Momente, die in dem Lager auf-grund der Wellendurchbiegung entstehen.

Am Ritzelkontakt wir-kende Kräfte:• radial als Reaktion auf

die senkrecht und längsseitig wirkenden Kräfte

• axial in beiden Richtungen

Im Rotorschwerpunkt wirkende Kräfte:• radial• axial in beiden

Richtungen

Fahrmotorlager Nichtantriebsseite

Fahrmotorlager Antriebsseite


Fahrmotorlager AntriebsseiteElastische

Kupplung

Im Rotorschwerpunkt wir-kende Kräfte:• radial• axial in beiden Richtun-

gen

6

151

Diese Vereinfachungen sind notwendig, wenn eine Lageranordnung mit den allge-mein verfügbaren Hilfsmitteln, beispielsweise einem Taschenrechner, berechnet werden soll. Die genormten Verfahren zur Berech-nung der Tragzahlen und der äquivalente Lagerbelastungen basieren auf ähnlichen Annahmen.

Es ist zwar möglich, die Lagerbelastungen unter Berücksichtigung des Elastizitäts-moduls ohne die oben vorgenommenen Vereinfachungen zu berechnen, allerdings sind dafür komplexere Computerprogramme erforderlich. In diesen Programmen werden die Lager, die Welle und das Gehäuse als elastische Komponenten eines Systems betrachtet.

Externe Kräfte, beispielsweise durch das Eigengewicht der Welle und die Komponen-ten, die die Welle trägt, oder durch das Gewicht eines Fahrzeugs, und die anderen Massekräfte sind entweder bekannt oder können berechnet werden. Bei der Bestim-mung der Arbeitskräfte (z.B. Stoßkräfte und zusätzliche dynamische Kräfte, beispielsweise durch Unwuchten) ist es oft notwendig, sich auf Erfahrungswerte mit ähnlichen Maschinen oder Lageranordnungen zu verlassen.

GetriebeBei Getrieben können die theoretischen Zahnkräfte aus der übertragenen Leistung und den Konstruktionsmerkmalen der Ver-zahnung berechnet werden. Es sind jedoch weitere dynamische Kräfte zu berücksichtigen, die entweder im Getriebe selbst entstehen oder durch die Antriebs- bzw. Abtriebswelle verursacht werden. Weitere dynamische Kräfte in Zahnradgetrieben entstehen durch Formfehler der Zahnräder und nicht aus-gewuchtete rotierende Komponenten. Da Zahnradgetriebe leise sein sollen, werden die Zahnräder mit hoher Genauigkeit gefer-tigt, sodass diese Kräfte im Allgemeinen so klein sind, dass sie bei Lagerberechnungen vernachlässigt werden können.

Zusätzliche Kräfte, die durch die spezifi-sche Betriebsweise der an das Getriebe ge-koppelten Maschinen angreifen, können nur ermittelt werden, wenn die Betriebsbedin-gungen bekannt sind. Ihr Einfluss auf die nominelle Lagerlebensdauer wird durch den „Betriebsbeiwert“ erfasst, der Stoßbelas-tungen und den Wirkungsgrad des Getriebes berücksichtigt. Der Beiwert für die verschie-denen Betriebsbedingungen wird in der Regel vom Getriebehersteller mitgeteilt.

152

Lebensdauerberechnung bei variablen Betriebsbedingungen

Bei Anwendungen, bei denen sich Größe und Richtung der Lagerbelastung mit der Drehzahl, der Temperatur, den Schmierbe-dingungen und dem Verschmutzungsgrad ändern, lässt sich die Lebensdauer des Lagers nicht direkt berechnen. Es muss zuerst die äquivalente Belastung für die variablen Lastbedingungen bestimmt werden.

Auf Grund der Komplexität des Systems ist dieser Zwischenparameter jedoch nicht einfach zu bestimmen und würde die Berechnung nicht vereinfachen.

Bei schwankenden Betriebsbedingungen ist es daher erforderlich, das Belastungs-spektrum bzw. den Lastzyklus der Anwen-dung auf eine begrenzte Zahl einfacher Belastungsfälle zu reduzieren.

Bei kontinuierlicher variabler Belastung kann jede einzelne Belastung kumuliert und das Belastungsspektrum auf ein Histogramm mit konstanten Belastungsblöcken reduziert werden, von denen jeder einen bestimmten Prozentsatz bzw. einen bestimmten Zeitan-teil der Anwendung beschreibt.

Belastungsintervall

Beispiel für variable Betriebsbedingungen

V1

V2

V

V3

U1 U2 U3 U4

100%

V4

P1

P2

P3

P4

P

Hinweis

Hohe und mittlere Belastungen ver-kürzen die Lagerlebensdauer stärker als geringere Belastungen.

Daher ist es wichtig, Stoßbelastungen und Belastungsspitzen im Diagramm gut repräsentiert zu haben, selbst wenn sie relativ selten sind und nur für wenige Umdrehungen wirken.

6

153

Lebensdauerberechnung bei variablen Betriebsbedingungen

Hierin sind L10m = Erweiterte SKF Lebensdauer (bei 90% Wahrscheinlichkeit)

[Mio. Umdrehungen] L10m1, L10m2 ... = SKF Lebensdauer (bei 90% Wahrscheinlichkeit)

unter konstanten Bedingungen 1, 2 ... [Mio. Umdrehungen] U1, U2, ... = Lebenszyklusanteil unter den Bedingungen 1, 2 ...

Hinweis: U1+ U2 +...... Un = 1

In jedem Belastungsintervall bzw. in jeder Hüllkurve kann aus der Lagerbelastung und den Betriebsbedingungen ein konstanter Durchschnittswert bestimmt werden. Außer-dem ergibt sich aus der Anzahl der Betriebs-stunden bzw. Umdrehungen pro Belastungs-intervall die anteilige Lebensdauer für diese Belastungsart. Wird beispielsweise mit N1 die Anzahl der erforderlichen Umdrehungen unter der Lastbedingung P1 bezeichnet und mit N die Gesamtnutzungsdauer der Anwendung, dann gilt der anteilige Lebens-dauerzyklus U1 = N1/N für die Lastbedingung P1 mit einer berechneten Lebensdauer von L10m1. Unter variablen Betriebsbedingungen wird die Lagerlebensdauer näherungsweise bestimmt (vgl. nachstehende Gleichung).

Dieses Berechnungsverfahren ist von der Verfügbarkeit repräsentativer Lastdiagramme († Seite 153) für den Anwendungsfall abhängig.

Eine Berechnung der Lagerlebensdauer unter Berücksichtigung der Belastungszyklen ist mit dem Programm „SKF Bearing Select“ möglich.

Hinweis

Belastungsdaten können auch aus typischen Betriebsbedingungen oder Standardbetriebszyklen dieses Anwen-dungsfalls abgeleitet werden.

Ein ausgezeichnetes Mittel zur Evaluierung von Belastungen unter realen Betriebsbedingung sind Praxis-tests († Seiten 164 bis 165).

154

Lastzyklusreduzierung mittels BinningMit dem Binning-Verfahren kann die Anzahl der Belastungsfälle bei langen Arbeitszyklen reduziert werden. Dabei werden alle Daten, die zu einem kleinem Intervall gehören (dem sogenannten „bin“ auf Deutsch etwa: „Gebinde“), durch einen Wert ersetzt, der dieses Intervall gut repräsentiert. Häufig handelt es sich dabei um den Median.

Bestimmte Kundenspezifikationen können durch eine höhere Anzahl von Belastungs-zyklen berücksichtigt werden (meist Dreh-zahl, Drehmoment und Dauer). Mit dem Binning kann beispielsweise ein Lastzyklus mit 7 000 Einzelschritten auf 50 Schritte reduziert werden. Dadurch lassen sich die Berechnungen für die Getriebeleistungs-anforderungen vereinfachen.

Die erforderliche Anzahl der Bins für einen Anwendungsfall muss anhand von Erfahrungswerten festgelegt und verifiziert werden.

Die linke Kurve zeigt den Arbeitszyklus eines Zugs, basierend auf 7 000 Belastungs-schritten. Jeder Schritt dauert eine Sekunde und ist eine Kombination aus Drehzahl und Drehmoment. Das kleine, graue Quadrat im linken Diagramm repräsentiert ein Bin mit 325 Belastungszyklen. Das rechte Diagramm ist eine vergrößerte Darstellung des Qua-drats. In diesem Beispiel können die 325 Belastungszyklen dieses Bins auf einen Lastzyklus (50 km/h, 2,5 kNm für 325 s) reduziert werden.

Arbeitszyklus eines Antriebssystems Arbeitszyklus eines Antriebssystems

Drehmoment [kNm]

Geschwindigkeit [km/h]

3

240 60

[50 km/h, 2,5 kNm]

4

3

2

1

0

-1

-2

-3

-40 20 40 60 80 100 120

Geschwindigkeit [km/h]

Drehmoment [kNm]

140 160 180 200

Per Binning zu untersuchendes Arbeitszyklusbeispiel

6

155

1) Der Beiwert n gibt die Ausfallwahrscheinlichkeit an, d.h. die Differenz zwischen der erforder-lichen Erlebenswahrscheinlichkeit und 100%.

Erweiterte SKF LebensdauerFür komplexere Lagerberechnungen kann die einfache Lebensdauerberechnung er-weitert werden. Dies kann für Bedingungen erforderlich sein, unter denen das Ergebnis der einfachen Berechnung zu stark von der tatsächlichen Gebrauchsdauer des Lagers abweichen würde. Dies wird von einer Viel-zahl von Faktoren beeinflusst (Schmierung, Grad der Verschmutzung, Schiefstellung, Einbaufehler usw.).

Die Norm ISO 281:1990/Amd 2:2000 enthält daher eine modifizierte Lebensdauer-gleichung zur Ergänzung der nominellen Lebensdauer. Diese Lebensdauerberech-nung nutzt einen Beiwert zur Berücksichti-gung der Schmier- und Verschmutzungs-bedingungen des Lagers und der Ermüdungsgrenze des Werkstoffs.

ISO 281:1990/Amd 2:281 gestattet Lagerherstellern, geeignete Verfahren zur Berechnung des Lebensdauerbeiwerts für ein Lager in Abhängigkeit von den Betriebs-bedingungen zu empfehlen. Der SKF Le-bensdauerbeiwert aSKF nutzt das Konzept der Ermüdungsgrenzbelastung Pu analog zur Berechnung anderer Maschinen-komponenten.

Außerdem nutzt der SKF Lebensdauer-beiwert aSKF die Schmierbedingungen (Viskositätsverhältnis k) und den Beiwert hc für den Verschmutzungsgrad zur Abbildung der tatsächlichen Betriebsbedingungen.

Die Gleichung für die erweiterte SKF Lebensdauer ist nach ISO 281:

Lnm = a1 aSKF L10 = a1 aSKF

Hierin sindLnm = Erweiterte SKF Lebensdauer (bei

100 – n1)% Zuverlässigkeit) [Mio. Umdrehungen]

a1 = Lebensdauerbeiwert für die Erlebenswahrscheinlichkeit

aSKF = SKF Lebensdauerbeiwert

Entsprechende Berechnungen können auf skf.com/bearingcalculator durchgeführt werden. Weiterführende Informationen über die erweiterte SKF Lebensdauer sind den SKF Katalogen zu entnehmen.

ZuverlässigkeitDie SKF Lebensdauer L10 basiert auf einer Erlebenswahrscheinlichkeit von 90%. Das Berechnungsmodell kommt häufig bei Lagern für Fahrmotoren und Getriebe in Schienenfahrzeugen zum Einsatz.

Bei höheren Anforderungen an die Erle-benswahrscheinlichkeit wird die erweiterte SKF Lebensdauer mithilfe des Lebens-dauerbeiwerts a1 bestimmt.

Lebensdauerbeiwerte a1

Zuverlässigkeit %

Versagenswahr-scheinlichkeit n %

Erweiterte SKF Lebensdauer Lnm

Beiwert a1

90 10 L10m 195 5 L5m 0,6296 4 L4m 0,53

97 3 L3m 0,4498 2 L2m 0,3399 1 L1m 0,21

156

Onlineberechnung der Lagerlebensdauer

6

157

Berechnung der La-gerbelastungen und Auswahl ge eigneter Lagerarten mit Hilfe der Online programme auf skf.com/bearings

SKF Bearing SelectSKF Bearing Select ist ein Onlineprogramm zur Lagerauswahl. Es berechnet die Ermü-dungslebensdauer von Wälzlagern.

Die Berechnungen basieren auf den Angaben in den SKF Katalogen und erfüllen die Anforderungen nach DIN ISO 281.

SKF Bearing Select ist der Nachfolger des bekannten SKF CADalog und hat folgende Funktionen:

• Berechnung der Wälzlager-Ermüdungs-lebensdauer für ein Einzellager oder für zwei Lager auf einer Welle

• gute Erreichbarkeit via Internet • keine Softwareinstallation erforderlich • integrierter Berichtsgenerator zur

schnellen Dokumentation • abgestimmt auf die aktuellen Fassungen

der SKF Kataloge• Lagerdatenbank mit den aktuellen Pro-

duktdaten (einschließlich SKF Explorer) • Eingabewerte können lokal oder auf dem

Server gespeichert werden • kompatibel zum Vorgängerprogramm

SKF CADalog

158

SchmierungFür die zuverlässige Funktion eines Wälz-lagers ist eine ausreichende Schmierung unerlässlich. Der Schmierstoff verhindert die unmittelbare metallische Berührung zwi-schen Wälzkörpern, Laufbahnen und Käfig. Das Schmiermittel verhindert außerdem Verschleiß und schützt das Lager vor Korro-sion. Für jeden Lagerungsfall ist daher die Wahl eines geeigneten Schmierstoffs und Schmierverfahrens ebenso wichtig wie die richtige Instandhaltung.

Für die Schmierung von Wälzlagern steht ein breites Angebot an Schmierfetten und Ölschmierstoffen zur Auswahl. Die Auswahl eines Schmierstoffes hängt vor allem von den Betriebsbedingungen ab (Temperatur-bereich, Drehzahlen und Umgebungsein-flüsse).

Die günstigsten Betriebstemperaturen werden meist erreicht, wenn nur gerade die minimale Schmierstoffmenge, die für eine zuverlässige Lagerschmierung benötigt wird, zugeführt wird. Da der Schmierstoff jedoch zusätzliche Funktionen übernimmt, beispielsweise die Abdichtung oder die Abführung von Wärme, können zusätzliche Schmierstoffmengen erforderlich sein.

Durch mechanische Beanspruchung, Alterung und Verschmutzungen verliert der Schmierstoff in einer Lageranordnung allmählich seine Schmiereigenschaften. Schmierfett muss daher nachgefüllt oder erneuert und Schmieröl gefiltert und in re-gelmäßigen Intervallen gewechselt werden.

Die Informationen und Empfehlungen in diesem Abschnitt beziehen sich auf Lager ohne integrierte Dichtungen oder Deck-scheiben. SKF Lager und Lagereinheiten mit integrierten Dichtungen bzw. Deckscheiben auf beiden Seiten werden gefettet ausge-liefert. Auskünfte über die verwendeten Schmierfette werden auf Anfrage erteilt.

Hinweis

Selbst bei scheinbar gleichen Schmier-stoffen – besonders bei Schmierfetten – können die Schmiereigenschaften je nach Produktionsort schwanken.

SKF übernimmt daher keine Haftung für einen Schmierstoff oder dessen Eigenschaften. Der Anwender sollte die Schmierstoffeigenschaften im Detail de-finieren, um den am besten geeigneten Schmierstoff für die Anwendung zu erhalten.

Vollfilmschmierung, d.h. hydrodynamische Schmierung mit voll-ständiger Trennung an den Wälzkontakt-flächen (Schmierfilm-Viskositätsverhältnis k ≥ 1)

Mischreibung, d.h. keine vollständige Trennung an den Wälzkontaktflächen (Schmierfilm-Viskosi-tätsverhältnis k < 1)

Viskositätsverhältnis Die Wirksamkeit des Schmierstoffs wird vor allem durch den Grad der Oberflächentren-nung zwischen den Wälzkontaktflächen be-stimmt. Wenn ein adäquater Schmierfilm gebildet werden soll, muss der Schmierstoff eine bestimmte Mindestviskosität haben, sobald die Anwendung ihre normale Betriebs-temperatur erreicht hat. Der Zustand der Schmierung wird durch das Viskositätsver-hältnis k als das Verhältnis zwischen der tatsächlichen kinematischen Viskosität n zu der für eine ausreichende Schmierung er-forderlichen kinematischen Viskosität n1 (jeweils bei normaler Betriebstemperatur) beschrieben. Ausführliche Angaben sind den SKF Katalogen zu entnehmen.

n

k = —

n1

Hierin sindk = Viskositätsverhältnisn = Betriebsviskosität des Schmierstoffs

[mm2/s]n1 = erforderliche Viskosität je nach

mittlerem Lagerdurchmesser und Drehzahl [mm2/s]

Die erforderliche Viskosität n1 für eine ausreichende Schmierung kann den Dia-grammen in den SKF Katalogen bzw. den Angaben auf skf.com/bearings entnommen werden.

6

159

ÖlschmierungÖlschmierung wird für Wälzlager im Allgemeinen dann vorgesehen, wenn hohe Drehzahlen oder Betriebstemperaturen eine Schmierung mit Fett nicht mehr zulassen, wenn Reibungs- oder Fremdwärme von der Lagerstelle abgeführt werden muss oder wenn für benachbarte Maschinenteile, z.B. Zahnräder, eine Ölschmierung vorgesehen ist.

Für eine lange Lagerlebensdauer sind alle Schmierverfahren geeignet, in denen sauberes Öl verwendet wird, z.B. Ölumlauf-schmierung mit Ölfilterung, Öleinspritzung oder Öl-Luft-Schmierung mit Filterung von Luft und Öl.

Bei der Ölumlaufschmierung und der Öl-Luft-Schmierung ist sicherzustellen, dass das Öl über ausreichend bemessene Bohrungen aus der Lageranordnung abgeführt wird.

Eine Ölschmierung kommt hauptsächlich für die Lager von Getrieben sowie von antriebsseitigen Fahrmotor- und bei Tatzlagern zum Einsatz.

Berechnung der Viskosität mit Hilfe der Onlineprogramme auf skf.com/bearings

FettschmierungDie Mehrzahl der Wälzlager wird fettge-schmiert.

Schmierfett kann im Vergleich zu Schmieröl leichter in der Lagerstelle zurück-gehalten werden, vor allem bei schräger oder senkrechter Anordnung der Lagerachse. Außerdem trägt das Schmierfett zur Abdich-tung der Lagerstelle gegenüber Verunreini-gungen und Feuchtigkeit bei.

Bei übermäßiger Fettfüllung steigt die Betriebstemperatur im Lager schnell an, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Im Allgemeinen soll daher das Lager ganz und der freie Raum im Gehäuse nur teilweise mit Fett befüllt werden. Vor dem Betrieb des Lagers mit der maximalen Drehzahl muss eine Einlaufphase durchgeführt werden, in der sich das überschüssige Fett im Lager absetzen oder aus dem Lager austreten kann. Nach dem Einlaufen sinkt die Betriebs-temperatur deutlich, sobald sich das Fett im Lager verteilt hat.

Fahrmotor- und Tatzlager werden meist mit Fett geschmiert. Sofern möglich, ist jedoch eine Ölschmierung vorzusehen.

160

Erweiterte BerechnungenSKF hat ein umfangreiches und leistungs-starkes Angebot an Lagersimulations-programmen entwickelt. Es enthält eine Vielzahl unterschiedlicher Programme, von anwenderfreundlichen Anwendungen, die Berechnungen nach den Formeln aus dem SKF Katalog ausführen, bis zu hochkom-plexen Berechnungs- und Simulationssys-temen, die auf mehreren Rechnern parallel ausgeführt werden. Eines der am Häufigsten verwendeten SKF Programme für erweiterte Lebensdauerberechnungen ist SKF Bearing Beacon.

SKF Bearing BeaconSKF Bearing Beacon ist ein Anwendungs-programm von zentraler Bedeutung. Es wird von SKF Ingenieuren verwendet, die optimale Lösungen für kundenspezifische Lageran-ordnungen entwickeln. Das Programm kombiniert die Simulation mechanischer Systeme (aus Wellen, Getriebe, Gehäuse usw.) mit detailgetreuen Lagersimulationen und ermöglicht so eine detaillierte Analyse des Systemverhaltens in einer virtuellen Umgebung. Das Programm kann auch die Wälzermüdung auf Grundlage der SKF Lebensdauergleichung bestimmen. Das Programm ist das Ergebnis mehrjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeiten bei SKF.

Bei Antriebsberechnungen wird SKF Bearing Beacon hauptsächlich zur Unter-suchung der Lastverteilung an den Rollen

Vergleich der Anfor-derungen an die Eingabedaten beim Handbuchverfahren und bei SKF Bearing Beacon

Dateneingabe in SKF Bearing Beacon

Datenauswertung beim Handbuchverfahren

Weitere Eingaben

Mikrogeometrie

Verunreinigung

Lagerluft

Belastungen und Drehzahlen

Getriebe / Fahrmotor

Ausführung Getriebe / Fahrmotor

Lager-abmessungen

3D-Berechnungsmodell mit SKF Bearing Beacon

6

161

und den Innen- bzw. Außenringlaufbahnen für spezifische Anwendungsfälle eingesetzt (Lastverschiebung, Hertzsche Pressung, Wälzkontakt, Achszapfenbiegung, Extrem-temperaturen, erweiterte Lagerermüdungs-berechnungen).

SKF AFC (Advanced Fatigue Calculation) ist das komplexeste Berechnungsverfahren. Es basiert auf der Integration aller Wälzkör-perkontaktspannungen. SKF AFC ermittelt, nach wie vielen Belastungszyklen die Lebensdauer erreicht wird.

Diese erweiterte Ermüdungsberechnung bietet folgende Vorteile:

• präzisere Ergebnisse als bei allen anderen Verfahren

• vollständige Berücksichtigung der tatsächlichen Belastung (Ermittlung der aktuellen Spannungen)

• Beiwerte für Schmierung und Verun-reinigung

• Berücksichtigung der Stahlermüdung• alle tatsächlichen Belastungen und

Schiefstellungen werden berücksichtigt

SKF Bearing Beacon analysiert außerdem das Verhalten geräusch- und schwingungs-kritischer Lageranwendungsfälle (Elektro-motoren, Getriebe usw.) und kann zur Opti-mierung dieser Anwendungsfälle eingesetzt werden. Das Programm beherrscht Gleichun-gen für nichtlineare Bewegungen, die für Lager und Umgebungskomponenten (Ge-triebe, Wellen, Gehäuse usw.) relevant sind.

Es analysiert das Verhalten von Anwen-dungsfällen (einschließlich der Lageran-ordnung) und berücksichtigt dabei auch Maßabweichungen (Welligkeit) sowie Einbaufehler (Schiefstellung). Auf Basis der Analysedaten können SKF Ingenieure

die geeigneten Lagertypen und -größen auswählen und anwendungsspezifisch abgestimmte Einbau- und Vorspannungs-empfehlungen abgeben.

BEASTMit dem Simulationsprogramm „BEAST“ bestimmen SKF Ingenieure detailliert die innere Lagerdynamik. Dabei verhält sich das Programm wie ein virtueller Prüfstand, der detaillierte Auskünfte über die Kräfte, Momente usw. zu praktisch jeder möglichen Lastsituation im Lager gibt. Dadurch können neue Konzepte und Designs schneller und ausführlicher (virtuell) geprüft werden als bei der traditionellen mechanischen Prüfung.

a

aDas AFC-Verfahren von SKF Bearing Beacon integriert sämtliche Wälz-körperkontakt-spannungen.

BEAST-Berechnung der Käfigtaschenverformung und Kontaktbelastung in einem Schrägkugellager

162

FEMBerechnungenDie Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein Verfahren aus der Modalanalyse für die Strukturmechanik zur Bestimmung von Eigenformen. Das Verfahren liefert Näherungsfunktionen für die Lösung von Differential- und Integralgleichungen.

Dabei wird entweder die Differenzial-gleichung vollständig eliminiert (stationäre Probleme) oder in eine Näherungslösung aus gewöhnlichen Differentialgleichungen zerlegt, die dann numerisch mittels Stan-dardverfahren integriert werden (Euler, Runge-Kutta usw. 1).

Die FEM-Ergebnisse lassen sich als Maximalwerte, basierend auf von Mises2)-Vergleichsspannungen oder Haupt-spannungen, angeben.

1) Benannt nach Leonhard Euler (1707 – 1783), Carl David Tolmé Runge (1856 – 1927), Martin Wilhelm Kutta (1867 – 1944).

2) Benannt nach Richard Edler von Mises (1883 – 1953).

FEM-Festigkeitsauslegung nach Mises für den antriebsseitigen Innenring eines Zylinderrollenlagers der Ausführung N (Ritzel auf kegeliger Welle).

Weitere ProgrammeNeben den vorstehend beschriebenen Programmen hat SKF spezielle Computer-programme entwickelt, mit denen unsere Forscher Lager beschreiben können, deren optimierte Oberflächen helfen, die Lager-gebrauchsdauer auch unter erschwerten Betriebsbedingungen zu erhöhen. Diese Programme berechnen die Schmierfilmstärke an elastisch-hydrodynamisch geschmierten Kontakten. Zusätzlich können sie die lokale Filmstärke bei Verformung der (dreidimen-sionalen) Kontaktflächen berechnen und die sich daraus ergebenen Folgen für die Lager-ermüdung bestimmen.

Für weitere Aufgaben nutzen unsere Ingenieure handelsübliche Software, z.B. für Finite-Elemente-Berechnungen oder für allgemeine Dynamikanalysen von Systemen. Diese Programme arbeiten mit der von uns selbst entwickelten Software zusammen, so dass wir Kundendaten und Kundenmodelle schnell und robust einbinden können.FEM-Berechnung der maximalen Hauptspannung in einem Zylinder-

rollenlager-Messingkäfig

6

163

VerifizierungWie auf Seite 148 erwähnt, sollte die Anwendungsfallanalyse verifiziert werden. Typische Evaluierungskriterien sind:

• statische Sicherheit• Lagerlebensdauer• Mindestbelastung• Grenzdrehzahl• Nachschmierintervall• Temperaturstabilität• Schmierstoffverträglichkeit

Für anspruchsvolle Anwendungsfälle kann SKF weitere Kriterien verifizieren:

• Lagerkontaktspannung• Betriebslagerluft• Abschneiden des Wälzkontakts• Schiefstellung• Steifigkeit• Ringspannung (Hoop Stress)

Die Berechnungsergebnisse und die Empfehlungen des Technischen SKF Bera-tungsservices können zusätzlich auch in Feldversuchen verifiziert werden.

FeldversucheIn Zusammenarbeit mit einem Schienen-fahrzeugbetreiber wurde ein Feldversuch durchgeführt [30]. Durchgeführt wurden die Tests mit einer elektrischen Mehrzweck-lokomotive für Personenfernzüge mit Geschwindigkeiten bis zu 140 km/h sowie mit 950-t-Güterzügen, die in den Alpen verkehren. Die maximale Reisegeschwindig-keit betrug 160 km/h. Zusätzlich wurde ein spezieller Kurztest mit einer Prüfgeschwin-digkeit von 175 km/h durchgeführt. Bei dem Feldversuch sollten die radialen und axialen Lagerbelastungen an der Antriebs- und Nichtantriebsseite des Fahrmotors unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen gemessen werden. Das Betriebsverhalten wurde auf acht Betriebsstreckenabschnitten mit einer Gesamtlänge von 800 km unter-sucht. Die Reisedauer betrug ca. 14 Stunden, verteilt über zwei Arbeitstage.

Dabei wurde eine maximale antriebs-seitige Radialbelastung des ca. 3,5-Fachen der mittleren Gesamtbelastung ermittelt. Zwischen den gemessenen Belastungen und dem Fahrmotorstrom wurde eine sehr hohe Korrelation festgestellt.

Die Temperaturdifferenz am antriebs-seitigen Lager betrug während des Betriebs

Antriebsseitiges Fahrmotorlager mit Sensoren

Nichtantriebsseiten-Fahrmotorlager mit Sensoren

26 °C (Außenring) bzw. 30 °C (Innenring). Die größte gemessene Temperaturdifferenz zwischen dem Innen- und Außenring des antriebsseitigen Lagers betrug 11 °C. Die mittlere Umgebungstemperatur während der Testfahrt lag bei ca. 20 °C.

Die Temperaturdifferenz am nicht antriebs-seitigen Lager betrug 37 °C während des Betriebs.

Radialbelastung am überwachten Lager Gleitkontakt

Ver-kabelung

Verkabelung

Radial- und Axial-kraftmesslager

164

Beispiele für Messparameter• Erste Kurve: Antriebsseiten-Fahrmotorlager, Radialkräfte bei 5°• Zweite Kurve: Fahrmotorstrom [A]• Dritte Kurve: Geschwindigkeit der Lokomotive [km/h]

Beispiel für gemessene Geschwindigkeiten und Radiallasten am Lager der Antriebsseite

Zusammenfassung der Versuchsergebnisse: maximale und mittlere Radialbelastungen an den Fahrmotorlagern der Antriebsseite und der Nichtantriebsseite

Max. Radialbelastung Fmax [kN]

Mittlere Radialbelastung Fm [kN]

Lage


168,0 52,4 5°140,0 37,4 147°


(13,0) (3,6) 42°(15,0) (4,6) 77°29,0 8,4 175°

Zusammenfassung der Versuchsergebnisse: maximale und mittlere Temperaturen an der Antriebsseite und Nichtantriebsseite der Fahrmotorlager

Max. Betriebs-temperatur d [°C]

Mittlere Betriebs-temperatur d [°C]

Lage


30 ... 56 26 ... 52 Außenring33 ... 63 28 ... 52


36 ... 73 30 ... 65 Außenring

Die Angaben in Klammern beruhen auf lediglich zwei gemessenen Testabschnitten.

6

165

7 LagerkontrolleKriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

Betriebsbedingungen . . . . . . . . 168

Lagerschaden . . . . . . . . . . . . . . . 168

Ursachenanalyse . . . . . . . . . . . . 172

Schadens- und Ausfallmatrix . . 179

166

Lagerkontrolle

Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Fahrmotoren und Getrieben steigen kontinuierlich. Zur Kontrolle des Lagerzustands sollte eine Zustandsüberwachung durchgeführt werden († Kapitel 9). Ergänzend kann auch eine Lagerkontrolle durch das Instandhaltungspersonal oder den Lagerhersteller erfolgen. Oft werden auch Zwischenkon-trollen des Fett- bzw. Ölzustands durchgeführt, die sich ein-facher bewerkstelligen lassen als ein Komplettausbau der Lager mit anschließender Prüfung († Seite 222). Durch Zwischen-kontrollen kann der Lagerzustand mit relativ begrenztem Auf-wand überprüft werden. Alle drei Verfahren ergänzen einander und dienen dem gleichen Ziel: Steigerung der Zuverlässigkeit, Verlängerung des Intervalls für die planmäßige Instandhaltung und Durchführung vorbeugender Maßnahmen zur Störungsverhinderung.

KriterienWälzlager sind extrem wichtige Komponen-ten für die Fahrmotoren und Getriebe von Schienenfahrzeugen. Bei der Auswahl des passenden Lagers für einen Anwendungsfall sind zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen. Allerdings sind die verfügbaren Informatio-nen nicht immer vollständig. Erschwerend kommt hinzu, dass die tatsächlichen Be-triebsbedingungen von den Spezifikationen abweichen können († Seite 146).

Verschleiß kann die Betriebsbedingungen beeinflussen und auch die Art der Fahrzeug-nutzung kann sich im Laufe der Zeit ändern.

Diese und andere Faktoren können sich auf die Gebrauchsdauer der Wälzlager auswirken. Die Lager können früher als vorgesehen beschädigt werden. Mangel-schmierung und beschädigte Lager können zu katastrophalen Ausfällen führen, zum Beispiel zu Rotor- oder Statorschäden in den Fahrmotoren oder zu Schäden an den Getrieberädern. In solchen Fällen muss der

Zugbetrieb unterbrochen und das Triebfahr-zeug zur Werkstatt abgeschleppt werden. Solche ungeplanten Maßnahmen stören den Personen- oder Güterverkehr und erfordern einen hohen Material- und Kostenaufwand.

Seit der Einführung von Drehstroman-trieben werden keine Kommutatoren und Bürsten mehr benötigt. Diese Komponenten hatten oft eine deutlich kürzere Gebrauchs-dauer als die Schmierfette und Lager. Fett-gebrauchsdauer, Lagerzustand und Lager-gebrauchsdauer sind heute wichtige Faktoren für die Festlegung der Instand-haltungsintervalle von Fahrmotoren. Sie werden künftig noch wichtiger, damit auch bei langen Wartungsintervallen eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet werden kann. Die Instandhaltung ölgeschmierter Getrie-belager ist weniger aufwändig. Zwischen-kontrollen des Öls (und eventuelle Ölwechsel) lassen sich zu relativ geringen Kosten durchführen, ohne dass dazu der Antrieb demontiert werden muss.

167

7

BetriebsbedingungenAuf die Berechnung der Lagerlebensdauer wird in mehreren Kapiteln eingegangen. Für die endgültige Lagerwahl ist eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen. Insbeson-dere folgende Hauptfaktoren sind wichtig:

• Typ• Abmessungen• Genauigkeit• Passung• Lagerluft• Käfig• Wärmebehandlung• Schmierung• Dichtung• Stromdurchgang• Einbau, Ausbau

Die Auswahl des für den Anwendungsfall passenden Lagers († Kapitel 3 bis 6) ist nur der erste Schritt.

Wenn alle Anforderungen an das Lager erfüllt sind (vgl. vorstehende Faktoren), darf man davon ausgehen, dass das Lager seine berechnete Lebensdauer erreichen wird. In bestimmten Anwendungsfällen kann die tatsächliche Gebrauchsdauer von der rech-nerischen Lebensdauer sogar sehr stark abweichen. Dies ist häufig der Fall, wenn die „idealen“ Betriebsbedingungen nicht erreicht werden. Die Lager könnten zum Beispiel beschädigt werden, wodurch sich ihre Lebensdauer verkürzt [31, 32].

Die errechnete Lebensdauer eines Lagers basiert auf acht Annahmen:

1 Das Lager ist für den Anwendungsfall geeignet.2 Das Lager weist eine hohe Qualität und keine Defekte auf.3 Die Abmessungen der Anschlussteile (Welle, Gehäusesitz) sind

passend.4 Das Lager wird korrekt eingebaut.5 Der richtige Schmierstoff steht dem Lager stets in der

richtigen Menge zur Verfügung.6 Die Lagerung ist sachgemäß geschützt (abgedichtet).7 Die Lageranordnung ist auf die Betriebsbedingungen

abgestimmt.8 Die empfohlene Instandhaltung wird durchgeführt.

LagerschädenTheoretisch wäre es nützlich, Lagerschäden nach der primären Ausfallursache zu klassi-fizieren. In der Praxis überschneiden sich je-doch häufig mehrere Ausfallursachen, deren Kombination zu erheblichen Lagerschäden führen kann, z.B.:

• beschleunigter Verschleiß (z.B. aufgrund verunreinigten Schmierstoffs1) infolge einer unzureichenden Abdichtung)

• vorzeitige Ermüdung (z.B. kleinere Abschälungen), die zu großen Schälungs-schäden führen und schwere Fahrmotor-ausfälle im Betrieb bewirken kann (z.B. Risse in den Ringen oder Wälzkörpern)

Da es mehrere Ausfallursachen geben kann, ist die Untersuchung von Lagerschäden nicht selten komplex und schwierig.

1) Bei einer eingehenden Schmierungsuntersu-chung hilft das SKF Grease Test Kit TKGT 1 bei der genauen Analyse des Fettzustands († Seite 222).

Eine umfassende Kontrolle der Fahrmotorlagerung ist der erste Schritt für die Lageraufarbeitung. Diese Fahrmotorlagerung war 12 Jahre lang in einer schweren Lokomotive in Betrieb und hat dabei eine Laufleistung 1,5 Mio. km bewältigt. Es trat nur ein sehr geringer Verschleiß auf und alle Teile können nach der Aufarbeitung weiterverwendet werden.

168

Ausführungsprobleme – vereinfachtes Beispiel für Wechselwirkungen

Schlechte Abdichtung Mangelschmierung Schlechte Isolierung

Unzureichende Schmierung Stromdurchgang

Schlechte Käfigfunktion Laufbahnschaden

Verschleiß Oberflächenzerrüttung Riffelbildung

Schälung

Hauptproblem

Mögliches Problem

7

169

Zahlreiche Betriebsbedingungen haben Einfluss auf die Lagerspezifikation

Zylinderrollenlager eines Fahrmotor, das nur 10 km in Betrieb war. Ein Beispiel für einen Schaden, der zwei Ursachen hat: eine zu geringe radiale Lager-luft und eine Käfigaus-führung, die für den Anwendungsfall ungeeignet ist.

Abmessungen Käfig Schmierung EinbauPassungen

Betriebs-bedingungen

– Einbauraum– Belastungen– Drehzahl– Stoßbelastungen– Schwingungen– Fluchtungsfehler– Geräuschpegel– Steifigkeit– einfacher Einbau– Verfügbarkeit– Reibung– Kosten

– Gehäuseverformung– Reinheit– Viskosität– Temperatur– Mindestbelastungen– zulässige Axialbelastung

– statische Belastung– Belastungen– erforderliche Lebensdauer

– einfacher Einbau– Drehzahl– Temperatur– Laufgenauigkeit– Wellen-/ Gehäusematerial

– Lastrichtung– Belastungen

– Nachschmierfrist– Dichtungstyp– Umgebung– Schwingungen– Stoßbelastungen– Drehzahl– Betriebstemperatur

– Zugänglichkeit– Werkzeuge– Einbau-/ Ausbauverfahren

– Schmierstoff– Schwingungen– Geräuschpegel– Drehzahl– Betriebstemperatur

– erforderliche Genauigkeit

– Drehzahl– Reibungs-

schwankung

– Passungen– Komponenten-

temperaturen– Drehzahl– Vorspannung– Maßstabilität

– Betriebstemperatur– Umgebung– Schmierstoff

– Drehzahl– Temperatur– Reibungsmoment– Nachschmierbedarf– Umgebung

DichtungWärmebehandlungLagerluftGenauigkeitTyp

Lager-spezifikation

170

ISO 15243: Klassi-fizierung von Lager-schäden – sechs Hauptschadensarten und ihre Unterarten

Brüche und Risse

Stillstandsmarkierungen („False Brinelling“)

Reibkorrosion

Wärmespannungsrisse

Ermüdungsbruch

Gewaltbruch

Eindrückungen durch Handhabung

Eindrückungen durch Verunreinigung

Überlastung

Leckstrom

Überspannung

Passungsrost

Feuchtigkeitskorrosion

Adhäsiver Verschleiß

Abrasiver Verschleiß

Ermüdung ausgehend von Defekten auf der Oberfläche

Ermüdung ausgehend von Defekten unter der Oberfläche

Plastische Verformung

Elektroerosion

Korrosion

Verschleiß

Ermüdung

SchadensprogressionEine anfängliche Beschädigung kann zu Oberflächenermüdung und Verschleiß führen. In der Folge kann es zu Rissen und Brüchen im Lager kommen. Häufig laufen Antriebslager heiß und blockieren Motor, Getriebe und Radsatz. Dadurch können Ro-tor oder Stator ernsthaft beschädigt werden, was umfangreiche Reparaturen nach sich zieht. In einem solchen Fall sind aufwändige Maßnahmen erforderlich, um das Schienen-fahrzeug von der Strecke bis zum nächsten Depot zu schleppen. Betriebsstörungen sind dann nahezu unvermeidlich.

Defekter Rollenkranz des Rillenkugellagers eines Fahrmotors

Ein Beispiel aus der PraxisEin Fahrmotorlager fiel mitten auf einer stark ansteigenden Strecke in den Alpen aus. Die Lokomotive blockierte die eingleisige Strecke und musste mit einem Spezialfahr-zeug zum nächsten Depot geschleppt werden, was sich als schwierig und zeitaufwändig erwies. Dadurch hatten mehrere Züge einen halben Tag Verspätung.

Später wurde der Fahrmotor in einer Spezialwerkstatt generalüberholt. Rotor-welle, Stator und Rotorwicklung mussten komplett ersetzt werden; lediglich das Mo-torgehäuse wurde nicht ausgetauscht. In den meisten Fällen können Schäden dieser Art jedoch nicht repariert werden. Die Zustandsüberwachung kann Schäden bereits in einem frühen Stadium erkennen († Kapitel 9).

Auf den folgenden Seiten werden typische Untersuchungen von Fahrmotor- und Getriebelagern beschrieben. Weitere Fälle sind dem Technischen SKF Schienenfahr-zeug-Handbuch, Band 1, Kapitel 6 sowie ISO 15243 zu entnehmen.

7

171

Ermüdung ausgehend von Defekten unter der OberflächeErmüdung beginnend unter der Oberfläche auf einer Lageraußen-ring-Laufbahn

UrsachenanalyseFolgende Erkenntnisse können als allgemein bekannt gelten:

• Eine spezifische Schadensursache (Ausfallursache) führt zu einer spezifi-schen Veränderung.

• Ein spezifischer Ausfallmechanismus führt zu einem spezifischen Ausfalleffekt (Ausfallmuster).

• Aus dem Schadensbild kann u.U. die Ausfallursache abgeleitet werden.

Die ISO hat erhebliche Anstrengungen unternommen, um die unterschiedlichen Schadensarten zu definieren und zu klassifi-zieren. Das führte zur Norm ISO 15243, deren erste Fassung 2004 veröffentlicht wurde. Bei Lagerausfällen wird meist zwischen sechs Hauptschadensarten unter-schieden. Eine weitere Differenzierung in Unterarten ist möglich [32].

Die Klassifizierung basiert auf drei Haupt-kriterien:

• Schaden und Veränderungen, die wäh-rend des Betriebs erfolgen (d.h. sobald das Lager die Fabrik verlassen hat)

• Charakteristische Veränderungen, die sich auf eine spezifische Ursache zurückfüh-ren lassen

• Klassifizierung anhand sichtbarer Merkmale (z.B. durch Nutzung eines Mikroskops oder anderer zerstörungs-freier Prüfverfahren)

Ermüdung

Ermüdung ausgehend von Defekten unter der OberflächeMaterialermüdung ist die Folge von zykli-scher Beanspruchung und des Aufbaus von Spannungen unter der Laufbahnoberfläche. Sie führt letztlich zur Verschlechterung der Materialeigenschaften. Unter der Oberfläche bilden sich Risse, breiten sich aus und errei-chen schließlich die Oberfläche – es kommt zur Schälung.

Ermüdung ausgehend von Defekten unter der Oberfläche Dieses Phänomen ist das Ergebnis unzurei-chender Schmierung. Der Schmierstoff hat die Aufgabe, einen Ölfilm zwischen den bewegten Komponenten aufzubauen.

Bei Mangelschmierung, zum Beispiel aufgrund von Verunreinigungen oder unzu-reichender Viskosität, können sich die Metallflächen berühren. Die Oberflächen-Rauheitsspitzen (Spitzen) verscheren sich, was zu Spannungen und damit zur Material-ermüdung und letztlich auch zu mikro-skopischen Abplatzungen führt. Dabei kann die Oberfläche anfänglich spiegelglatt erscheinen, da sich die Oberflächenrauheit reduziert. Bei fortschreitender Aufrauhung wird die Oberfläche jedoch stumpf und platzt ab.

Ermüdung ausgehend von Defekten unter der OberflächeErmüdung durch Oberflä-chendefekte im Außenring eines Pendelrollenlagers.

Auf einem Teil der Au-ßenringlaufbahn ist eine Oberflächenzerrüt tung aufgetreten. An einer Stelle ist bereits eine Schälung erfolgt.

Schälung durch Ermüdung

P

0,3 – 0,5 mmn

172

VerschleißVerschleiß ist ein typisches Schadensbild in den Kontaktzonen bewegter Körper. Häufig lässt sich Verschleiß nicht vermeiden. Unter bestimmten Umständen kann Verschleiß jedoch vorzeitig einsetzen. Es wird zwischen abrasivem und adhäsivem Verschleiß unter-schieden. Verschleißursache sind unter-schiedliche Geschwindigkeiten von sich berührenden Kontaktflächen, die auf kine-matischen Schlupf zurückzuführen sind.

Abrasiver VerschleißDiese Verschleißart tritt bei Vorhandensein von harten Partikeln im Schmierstoff auf. Dabei kann es sich um Verunreinigungen externen oder internen Ursprungs handeln (z.B. Verschleißpartikel von Getrieben). Die-se Partikel verschleißen die Oberflächen der Laufbahnen, Wälzkörper und Metallkäfige. Das führt normalerweise zu stumpfen Oberflächen.

Bei sehr feinen und harten Schleifparti-keln (Zementstaub u.ä.) äußert sich der Verschleiß dagegen in spiegelglatten Ober-flächen. Häufig können Verunreinigungen auch in das Lager eindringen, weil die Dich-tungsanordnungen unzureichend sind oder fehlen. Durch eine Schmierstoffanalyse kann die Herkunft der Verunreinigung ermittelt und eine geeignete Lösung entwickelt werden.

Adhäsiver VerschleißAdhäsiver Verschleiß tritt an Gegengleit-flächen auf, die leichten Belastungen, Man-gelschmierung und größeren Geschwindig-keitsunterschieden (die zu Gleitbewegungen der Wälzkörper führen) ausgesetzt sind.

Ein Beispiel ist die Bewegung der Wälz-körper aus der unbelasteten Zone heraus in die Lastzone hinein. Die Wälzkörper können ihre Rollgeschwindigkeit in der unbelasteten Zone reduzieren und bei der Rückkehr in die Lastzone wieder beschleunigen. Das kann zu einem Reißen des Schmierfilms, zu Gleitbewegungen, Wärmeentwicklung und Materialübergang zwischen Wälzkörpern und der Laufbahn führen. In einem frühen Stadium äußert sich das Phänomen in spie-gelglatten Oberflächen, die jedoch an den Stellen mit Materialabtrag oder Material-auftrag schnell stumpf werden.

Abrasiver VerschleißReibverschleiß am Stahlblechkäfig eines Kegelrollenlagers

Adhäsiver VerschleißAdhäsiver Verschleiß auf der Innenringlauf-bahn eines Zylinder-rollenlagers

Adhäsiver VerschleißGrößere Drehzahldifferenzen und zu leichte Belastungen können zu Gleitbewegungen führen und dadurch sehr hohe Temperaturen sowie Anschmieren verursachen

Abrasiver Verschleiß Glanzpolitur erzeugt spiegelblanke Oberflächen

Glatte Oberflächen durch Polieren und plastische Verformungen der Rauheitsspitzen

Verschweißtes Material 7

173

Korrosion

Feuchtigkeitskorrosion Im Gegensatz zu den anderen Schadens-arten kann Korrosion schnell einsetzen und tief in den Werkstoff eindringen. Dadurch sind schwere Lagerschäden möglich. Korro-sion ist die Folge von Wasser, korrosiven Flüssigkeiten oder von Feuchtigkeit. Ebenso kann eine hohe Luftfeuchtigkeit und das Berühren der Laufbahnen mit den Fingern Feuchtigkeitskorrosion auslösen.

Ein guter Korrosionsschutz ist daher uner-lässlich. Korrosion erfolgt oft bei ruhenden Lagern. Sie äußert sich dann durch Korrosi-onsmarken im Abstand der Wälzkörper. Tief eingedrungener Rost führt zu vorzeitigem Lagerschaden.

Reibkorrosion Die Ursache für Reibkorrosion sind Mikro-bewegungen zwischen belasteten Flächen. Reibkorrosion erfolgt oft zwischen dem Außendurchmesser des Lagers und dem Gehäuse bzw. zwischen der Lagerbohrung und der Welle.

Die Mikrobewegungen sind hauptsächlich auf die zyklischen Belastungen bei der Wälz körperpassage zurückzuführen. Unzureichende Passung, Wellendurch-biegung bzw. Unregelmäßigkeiten auf den Gegengleitflächen kann die Ursache von Reibkorrosion sein bzw. deren Fortschreiten beschleunigen. Wenn Luft auf die unge-schützen Flächen gelangt, kann sich die Korrosion beschleunigen.

Das dabei entstehende Eisenoxid hat ein größeres Volumen als reines Eisen. Durch die Volumenvergrößerung steigen die Span-nungen (auch auf den Lagerlaufbahnen), was zu vorzeitiger Ermüdung führt. Reib-korrosion führt leicht zur Rissbildung in den Ringen.

ReibkorrosionReibkorrosion in der Bohrung eines Lagers

Wirkungsweise der Feuchtigkeitskorrosion

FeuchtigkeitskorrosionFeuchtigkeitskorrosion am Innenring eines Pendelrollenlagers

ReibkorrosionReibkorrosion in der Bohrung eines Lagers; Folge einer falschen Passung

Außen-/Innenring

Rolle

WasserSchmierstoff (Fett)

174

Stillstandsmarkierungen („False Brinelling“)Diese Form von Verschleiß an den Wälz-körper-Kontaktflächen kann die Folge von Mikrobewegungen und der Federung des elastischen Kontakts bei zyklischen Schwin-gungen sein. Da der Verschleiß im belasteten Ruhezustand des Lagers erfolgt, tritt der Schaden an der Wälzkörperteilung auf.

Je nach Schwingungsintensität, Schmier-stoffzustand und Belastung entsteht eine Kombination aus Korrosion und Verschleiß, die flache Eindellungen in der Laufbahn hervorruft.

Normalerweise führen die Schwingungen zu einem lokal begrenztem Durchbrechen des (schützenden) Schmierfilms und damit zu Metall-auf-Metall-Kontakt sowie zu einer dadurch begünstigen Oberflächenkorrosion und zu Reibverschleiß. Die Korrosion äußert sich meist in einer stumpfen, verfärbten Oberfläche, die einen rötlichen Farbton aufweisen kann. Die Eindellungen können teilweise glänzen. Schwingungsbedingte Verschleißschäden äußern sich bei Kugel-lagern in runden Vertiefungen, bei Rollen-lagern dagegen in linienförmigen Vertiefungen.

Stillstandsmarkie-rungen im Außenring eines Kegelrollen-lagersStillstandsmarkie-rungen bilden sich bei Lagerstillstand. Sie sind am typischen Schadensmuster im Abstand der Wälz-körper erkennbar.

7

175

ElektroerosionAuf die elektrischen Eigenschaften (Elektro-erosion, Verhinderung von Stromdurchgang und Isolierlagerlösungen wie INSOCOAT und Hybridlager) wird in Kapitel 4 eingegangen († Seiten 104 bis 106).

Die nebenstehenden Fotos zeigen Bei-spiele für Schäden durch Elektroerosion.

ÜberspannungKugellager-Laufbahn mit großen Abschä-lungen

Riffelung (Wasch-brettmuster) in einer Laufbahn aufgrund von Stromdurchgang.

Riffelung (Wasch-brettmuster) in einer Laufbahn aufgrund von Stromdurchgang.Außenringlaufbahn eines Rillenkugellagers

ÜberspannungLaufbahn des Außen-rings eines Rillenkugel-lagers.1 Krater in perlenför-

miger Anordnung2 Zickzackmuster im

Außenring und auf der Kugel

176

Plastische VerformungEine dauerhafte Verformung tritt ein, wenn die Streckgrenze des Materials überschritten wird.

ÜberlastungÜberlastung ist die Folge statischer oder stoßartiger Belastungen und führt zu plasti-scher Verformung. Ein typisches Merkmal für diese Art von Überlastung sind Ein-drückungen im Abstand der Wälzkörper. Häufig ist ein ungeeignetes Einbauverfahren die Problemursache, z.B. wenn die Einbau-kraft auf den falschen Lagerring einwirkt und dadurch die Wälzkörper Stoßbelas-tungen ausgesetzt werden.

Eindrückungen durch Verunreinigung Diese Schadensart tritt auf, wenn externe Partikel (Verunreinigungen) in das Lager gelangt sind und von den Wälzkörpern in die Laufbahnen eingewalzt werden. Größe und Form der Dellen hängen von der Art der Partikel ab. Die Laufbahngeometrie an den Dellen und die Schmierung werden beein-trächtigt. Die Oberfläche ist Spannungen ausgesetzt und Ermüdung führt zu vor-zeitiger Schälung auf der Oberfläche.

Eindrückungen durch HandhabungDiese Schadensart kann auftreten, wenn harte, scharfkantige Körper mit den Lager-flächen in Berührung kommen und dort Riefen hinterlassen. Lager müssen stets vorsichtig behandelt werden. Sie bestehen zwar aus Stahl höchster Qualität, doch lokale Überlastungen, z.B. durch Herunterfallen des Lagers, können zu Dellen in den Ober-flächen führen und das Lager unbenutzbar machen.

Eindrückung durch Verunreinigung Ursache: weiche Partikel

Eindrückung durch VerunreinigungUrsache: harte Partikel

ÜberlastungDie Dellen (Folge eines unsachgemäßen Ein-baus) werden überrollt, wodurch es schnell zu Abschälungen kommt.

ÜberlastungDie Einbaukraft wirkte auf die Wälzkörper ein und verursachte Dellen im Abstand der Wälz-körper (axial versetzt).

Eindrückungen durch VerunreinigungDellen zerstören die Geometrie und führen zu Ermüdung (durch Oberflächendefekte hinter der Abschälung)

Ende der Eindrückung

Schälung

Eindrückung durch HandhabungSchaden am Innenring eines Zylinderrollen-lagers infolge unsach-gemäßen Zusammen-baus

7

177

Brüche und RisseBrüche oder Risse entstehen, wenn die Zug-festigkeit des Materials überschritten wird.

GewaltbruchGewaltbruch entsteht durch lokal begrenzte Stoßbelastungen oder Überbeanspruchung, sobald die dadurch hervorgerufene Span-nungskonzentration die Materialzugfestigkeit übersteigt. Zwei typische Ursachen sind:

• Unsachgemäße Behandlung (Stoßbelas-tung) beim Ein- oder Ausbau von Lagern. Hammerschläge mit einem gehärteten Meißel direkt auf den Ring können zur Bildung feiner Risse führen. Bei der In-betriebnahme des Lagers brechen dann Ringteile heraus.

• Zu langer Verschiebeweg auf einem kegeligen Lagersitz oder einer Hülse. Die dadurch bedingte (Ring-) Zugspannung führt zu Rissbildung in den Ringen, sobald das Lager in Betrieb genommen wird.

Ermüdungsbruch Diese Schadensart tritt auf, wenn die Dauerfestigkeit unter Biegung überschritten wird. Es kommt zur Bildung eines Risses, der sich schrittweise ausbreitet. Im Endsta-dium bricht der Ring oder Käfig. Ermüdungs-bruch kann eine Folge von Presspassung und daraus resultierender starker Ring-spannung sein. Die Kombination aus Hertz-scher Pressung und Ringspannung kann zu vorzeitiger Ermüdung und Durchbrechen des Rings führen.

WärmespannungsrisseDiese Schadensart kann auftreten, wenn zwei Oberflächen stark aneinander reiben. Die resultierende Reibungswärme verur-sacht Risse, in der Regel im rechten Winkel zur Gleitrichtung.

GewaltbruchGerissener Innenring eines Zylinder-rollenlagers

ErmüdungsbruchErmüdungsbruch des Außenrings eines Pendelrollenlagers

GewaltbruchSchlechter Gehäuse-sitz, führt zu Brüchen im Außenring

GewaltbruchBordbruch am Innen-ring eines Zylinder-rollenlagers durch Stoßbelastung

WärmespannungsrisseSehr starkes An-schmieren an der Innenring-Seitenfläche eines Lagers. Durch die Wärme kam es zur Bildung von (quer-laufenden) Rissen. Im Endstadium bricht der Ring.

Gewaltbruch Gewaltbruch durch zu langen Verschiebeweg

178

Betriebs-bedingungen

Umgebungs-faktoren

Schmierung Einbau Sonstige

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Ermüdung Tiefschälung, Abplatzungen • • • • • • • • • • • • •

Abplatzungen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Verschleiß Abrasiver Verschleiß • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Kratzer, Kerben • • • • • •

Adhäsiv, Anschmieren • • • • • • • • • • • • • • • •

Heißlauf • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Korrosion Feuchtigkeitskorrosion • • • • • • •

Reibkorrosion • • • • • • • • • • •

Stillstandsmarkierungen („False Brinelling“) • • • • • •

Elektroerosion Krater • •

Riffelbildung • •

Plastische Verformung

Eindrückungen • • • • • • • • • • • • • •

Staubkratzer • • • • • • •

Einschnitte, Furchen • • • • •

Brüche und Rissbildung

Gewaltbruch • • • • • • • • • • • • •

Ermüdungsbruch • • • • • • • • • • • • • •

Wärmespannungsrisse • • • • • • • • • • • •

Schadensstelle Laufbahnen • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Sitze, radial • • • • • • • •

Sitze, axial (Anlaufflächen) • • • • • • • • •

Mögliche Ursachen

Schadensarten und Merkmale

Schadens- und Ausfallmatrix

Schadens und AusfallmatrixLagerschäden lassen sich häufig relativ schnell einer ISO-Schadensart zuordnen.

Die Schwierigkeit besteht allerdings darin, die Schadensursache zu bestimmen. Dabei kann die nachstehende Schadens- und Aus-fallmatrix helfen. Sie zeigt die Verhältnisse

zwischen den Schadensarten bzw. Schadens-unterarten und den Betriebsbedingungen und gibt an, welche Betriebsbedingungen als Schadensursache in Frage kommen. Die Tabelle zeigt auch, an welchen Stellen der Schaden zu finden ist.

7

179

8 SensorenAusführungsprinzipien . . . . . . . . 181

Integrationsbeispiel . . . . . . . . . . 182

Drehzahlsensoren . . . . . . . . . . . 184

Drehzahl- und Absolutpositionssensoren . . . . . 187

180

Sensoren

Fahrmotorlagereinheiten mit integriertem Sensor (TMBUs) bieten mehrere Erkennungs- und Messmöglichkeiten: eine Absolutpositionserkennung für Fahrmotorsteuerungen, eine Drehrichtungserkennung, eine Drehzahlmessung für Brems-steuerungen und Temperaturmessungen zur Überwachung der Betriebsbedingungen.

AusführungsprinzipienMit integrierten Sensoren lassen sich zahl-reiche Erkennungs- und Messmöglichkeiten realisieren, darunter Absolutpositions-erkennungen für Fahrmotorsteuerungen, Drehrichtungserkennungen und Drehzahl-messungen für Bremssteuerungen und bei Bedarf auch Temperaturmessungen zur Zuverlässigkeitskontrolle.

In den meisten Fällen sind zwei Sensoren in das Dichtungssystem des Außenrings der Lagerung integriert. Diese Ausführung zeichnet sich durch einen geringen Platz- und Komponentenbedarf aus.

Vorteile von Sensorlagern

• kompakte Lösung: geringerer Platzbedarf (insbesondere in axialer Richtung) als herkömmliche Sensor-einrichtungen

• robuste Ausführung: weniger Teile, keine Impulszahnräder

• hohe Auflösung und Genauigkeit• einfacher Sensortausch• lange Lebensdauer

181

8

IntegrationsbeispielKlassische AusführungIn vielen Anwendungsfällen wird ein klassi-scher Fahrmotor auf der Nichtantriebsseite von Zylinderrollenlagern geführt. Als Fest-lager kommt entweder ein NUP Zylinder-rollenlager oder ein NJ Zylinderrollenlager mit HJ Winkelring zum Einsatz. Durch diese Zylinderrollenlager erleichtert sich der Einbau im Vergleich zu Rillenkugellagern. Die Tragzahl eines Rillenkugellagers ist im Regelfall ausreichend. Andererseits wird das Zylinderrollenlager häufig über-dimensioniert.

Für Antriebe mit Drehstrommotoren muss eine Motordrehzahlerkennung reali-siert werden. Bei herkömmlichen Ausfüh-rungen erfolgt dies mittels eines Zahnrads, das fest auf der Rotorwelle installiert wird.

Häufig wird zur Abdichtung des Zylinder-rollenlagers eine Labyrinthdichtung an beiden Lagerstirnseiten vorgesehen.

ErsatzDie herkömmliche Ausführung beansprucht einen relativ großen Einbauraum, insbeson-dere in axialer Richtung. In diesem Bereich befindet sich auch der Spurkranz. Die Gesamtlänge von Fahrmotor und Getriebe wird durch Spurweite und Spurkranz begrenzt.

Bei dieser Ausführung ist die wirksame Maximallänge des Rotors begrenzt, die sich im Prinzip linear zur Gesamtleistung des Fahrmotors verhält.

Sensor-TMBUs ersetzen folgende Komponenten:

• das Zahnrad auf der Fahrmotorwelle und den Sensor im Zwischengehäuse des Fahrmotors

• das (häufig überdimensionierte) Zylinder-rollenlager

• die Labyrinthdichtungen an beiden Seiten des Zylinderrollenlagers

Herkömmliche Ausführung der Nichtantriebsseite eines FahrmotorsEine TMBU ersetzt folgende Teile der herkömmlichen Ausführung: Impulsringsensor, Zylinderrollenlager und die beiden Dichtungssysteme

182

Das TMBUKonzeptDas TMBU-Konzept sieht eine vorge-schmierte und abgedichtete Lagerung vor. Es kommt auf der Nichtantriebsseite des Fahrmotors zum Einsatz († Kapitel 5).

Der drehende Impulsring wird direkt an die TMBU geflanscht und der Sensor ist fest am Außenring installiert.

UmsetzungDie TMBU wird in das Fahrmotordesign integriert, wodurch sich der erforderliche Einbauraum in axialer Richtung verkleinert. Die Gesamtlänge des Fahrmotors, ein-schließlich der Rotor-Wirklänge, lässt sich dadurch verlängern und die Nennleistung steigern.

Die TMBU wird auf der Rotorwelle ein-gebaut. Anschließend wird das Fahrmotor-Zwischengehäuse am geflanschten Außen-ring befestigt. Die vormontierte Einheit wird axial in den Fahrmotor-Stator geschoben. Weitere Einzelheiten sind Kapitel 10 zu entnehmen.

Vergleich der Rotor-Wirklänge

Fahrmotorlagereinheit (TMBU) Beispiel für eine praktische Umsetzung

Das TMBU-Konzept

Herkömmliche Ausführung

Zahnrad

Eingesparter Platz

8

183

DrehzahlsensorenZur Sensoreinheit gehört ein Code-Ring, der mit dem drehenden Innenring des Lagers verbunden ist. Der Code-Ring ist mit ab-wechselnden Nord- und Südpolen magneti-siert. Magnetfeldsensoren im Sensorkörper erkennen Veränderungen im Magnetfeld und wandeln diese in Digitalsignale um.

Bei jeder Umdrehung der Welle wird eine definierte Anzahl von Impulsen ausgegeben. Der Sensor hat auch Drehzahl- und Inkrementalausgänge.

Hybridfahrmotorlagereinheit mit Drehzahlsensor

184

Drehzahlsensor – Technische Daten

Mechanische Daten

Min. Typisch Max. Einheit

Kabellänge – Kundenspezifisch – mEinbauposition Radial1)

Anschluss Serienmäßig offen, Anpassung möglich

1) axial auf Anfrage

Umgebungsdaten


Betriebstemperatur –40 20 +125 °C

CE/EMC Nach EMV-Direktive 2004/108/EC, harmonisiert in Schienenfahrzeugnorm EN 50121-3-2 (2006)

Schutzart IP 67

Stoßbelastungen und Schwingungen

Nach EN 61373, Klasse 2

Elektrische Daten


Betriebsspannung 4,75 12 30 VStromaufnahme 15 28 40 mAGegentaktausgang1) (Belastung = 20 mA)

0 Vb –2,5 V

0,8 Vb

V V

Sensorgenauigkeit über den Drehzahl- und Temperaturbereich

–0,1 +0,1 °

Sensorauflösung 122 2) 7 8083) ppr

Zulässige Drehzahl 0 10 000 min–1

Messbereich 0 360 °

1) RS485-kompatibler Ausgang ebenfalls erhältlich2) Je nach Lagergröße3) Für Lager mit 65 mm Bohrung. Größere Bohrungen ermöglichen eine höhere Auflösung.

8

185

DrehrichtungserkennungDer Drehzahlsensor hat die Ausgänge A und B. Aufgrund der Phasenverschiebung zwischen den Signalen A und B lässt sich die Drehrichtung bestimmen. Der Sensor für die Absolutposition gibt den Winkel im Binärformat über einen seriellen Ausgang aus. Andere Ausgangssignale sind auf Anfrage realisierbar.

Integrierte SKF Sensoren geben die Drehzahl sowie die (inkrementelle oder absolute) Position aus. Durch die Integration des Sensors in das Lager können die Lös ungen sehr robust ausgeführt werden. Elektronik und Mechanik bleiben auch in schwierigen Umgebungen gut geschützt.

SKF Sensorlager und -einheiten vereinen Lagerfunktionen mit Sensorelektronik. Der integrierte Inkrementalsensor erkennt die Wellendrehzahl und Drehrichtung mit einer hohen Auflösung und Genauigkeit.

Die Anzahl der Ausgangsimpulse kann bis zum 64-Fachen der Anzahl der Coderingpole betragen. Die Polzahl hängt vom Lager-

Der Drehzahlsensor gibt zwei Rechteck-impulse in einem Phasenwinkel von 90° aus. Daraus lässt sich die Drehrichtung bestimmen.

A BB

A

A

N

SN NS

S

B

durchmesser ab und beträgt z.B. 122 beim Rillenkugellager 6213. Zusätzlich sind optionale Bezugspositions- oder Temperatur-sensoren sowie redundant ausgelegte Drehzahl- und Drehrichtungssensoren möglich. Das berührungsfreie Messverfahren trägt zu einer langen Gebrauchsdauer bei. Der integrierte SKF Inkrementalsensor weist eine hohe Festigkeit gegen elektromagne-tische Störungen auf und kann daher sehr zuverlässige Signale ausgeben.

Die Integration in Wälzlager mit einem Bohrungsdurchmesser ab 65 mm bietet für viele Industrieanwendungen (Fahrmotoren, Elektromotoren, Getriebe usw.) eine Reihe von Vorteilen.

186

Drehzahl und AbsolutpositionssensorenFür Fahrmotoren, die als komplexere Dreh-stromantriebe eingesetzt werden, wird eine hochgenaue Erkennung der Absolutposition des Rotors benötigt. SKF hat eine vollstän-dig neue Sensortechnik entwickelt, mit der eine Positionsgenauigkeit von ±0,075% über den gesamten Umfang erreicht wird. Als Auflösung sind z.B. 5 632 Impulse pro Umdrehung möglich. Das Sensorsystem kann auf einer durchgehenden Welle, aber auch am Wellenende, eingesetzt werden. Das Stoß- und Schwingungsverhalten der Sensoreinheit wurde nach der Schienenfahr-zeugnorm EN 61373 getestet. Die elektro-magnetische Verträglichkeit erfüllt die einschlägigen internationalen Normen. Die CE-Kennzeichnung der Sensoren zeugt von der Einhaltung aller relevanten, in den EU-Direktiven aufgeführten Arbeitsschutz-anforderungen.

SKF Sensorlager und -einheiten vereinen Lagerfunktionen mit Sensorelektronik.

Der integrierte Absolutpositionssensor HAPS erkennt die Wellenposition mit einer hohen Auflösung und Genauigkeit.

Der Sensor wurde speziell für Motoren entwickelt und gibt die absolute Rotorposi-tion eines Rotorpols an. Die Passung der Sensoreinheit kann für den Kundenbedarf eingestellt werden [33].

Temperaturfühler, IIS-Drehzahlsensor (integrierter Inkrementalsensor) und redun-dant ausgelegte Positions-, Drehzahl- und Richtungsgeber sind optional verfügbar. Das berührungsfreie Messverfahren trägt zu einer langen Gebrauchsdauer bei. Der inte-grierte SKF Inkrementalsensor weist eine hohe Festigkeit gegen elektromagnetische Störungen aus und kann daher sehr zuver-lässige Signale ausgeben. Die Integration in Wälzlager bietet für viele Industrieanwen-dungen (Fahrmotoren, Elektromotoren, Getriebe usw.) eine Reihe von Vorteilen.

SKF kalibriert die Positionssensoren (Nulleinstellung) und liefert sie einbaufertig aus.

Hybridfahrmotorlagereinheit mit Drehzahlsensor und Absolutpositions-sensor

8

187

Drehzahl- und Absolutpositionssensoren – Technische Daten

Mechanische Daten


Kabellänge – Kundenspezifisch – mEinbauposition AxialAnschluss Offenes Ende

Umgebungsdaten


Betriebstemperatur –301) 20 +105 °C

CE/EMC Nach EMV-Direktive 2004/108/EC erfüllt der Sensor die harmonisierte Schienenfahrzeugnorm EN 50121-3-2 (2006).

Schutzart IP 67

Stoßbelastungen und Schwingungen Nach EN 61373, Klasse 2

Elektrische Daten


Betriebsspannung (HAPS, IIS)1) 10 12 30 VStromaufnahme (HAPS) 40 140 200 mAStromaufnahme (IIS) 15 50 100 mA

Ausgang2) RS485-kompatibler Ausgang

Sensorgenauigkeit (HAPS) –0,075 +0,075 %Sensorgenauigkeit (IIS) –1 +1 %

Sensorauflösung (HAPS) 56323) pprSensorauflösung (IIS) 4403) ppr

Zulässige Drehzahl 0 7504) min–1

Messbereich 0 360 °

1) HAPS = High Resolution Absolute Position Sensor, IIS = Integrated Incremental Sensor2) HAPS: Datenformat für Winkelbestimmung, andere Ausgangssignale auf Anfrage.3) Volle Drehsensorauflösung, optimiert für den Anwendungsfall.4) Noch nicht für höhere Drehzahlen getestet.

1) Ausführung für niedrigere Mindesttemperaturen auf Anfrage lieferbar.

188

Sensortechnik für die Absolutpositions-erkennung

Fahrmotor mit TMBU und Absolutpositions-sensor

8

189

9 Zustands-überwachung

Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 191

IMx-R Onlinesystem . . . . . . . . . . 195

Überwachungsprinzipien . . . . . . 196

Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Microlog Analysator . . . . . . . . . . 207

Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . 208

190

Zustandsüberwachung

Die Zustandsüberwachung ist eine ausgereifte Technologie. Sie bietet neue Möglichkeiten zur Sicherheits- und Zuverläs-sigkeitssteigerung und zur Verlängerung der Instandhaltungs-intervalle. Mit Zustandserkennungssystemen und einer komplexen Datenauswertung lassen sich drohende Schäden frühzeitig erkennen. Dadurch bleibt ausreichend Zeit für Reparaturen, bevor es zu schwerwiegenden Schäden oder Ausfällen kommen kann.

EigenschaftenBei der Zustandsüberwachung werden aus-gewählte Zustandsparameter von Maschinen und Anlagen gemessen und ausgewertet. Zeigen sich in den Messdaten plötzliche, sig-nifikante Veränderungen, sind dies oft Hin-weise auf eine Beschädigung. Die Zustands-überwachung bildet die Grundlage für die zustandsabhängige Instandhaltung, mit der sich bei niedrigem Instandhaltungsaufwand das Ausfallrisiko senken lässt.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Instand-haltung auf Basis von Betriebsstunden oder Fahrkilometern lässt sich mit der zustands-ab hängigen Instandhaltung eine bessere Auslastung der eingesetzten Komponenten erzielen. Die Instandhaltungsintervalle für Antriebssysteme können an der tatsächli-chen Rad-Lebensdauer ausgerichtet und die Überholung der Drehgestelle kann entspre-chend geplant werden. Dies trägt zu einer Optimierung der Instandhaltungskosten bei. Das SKF Multilog Onlinesystem IMx-R für die

Schienenfahrzeug-Zustandsüberwachung kann bei einer sehr hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit als Werkzeug zur Verlänge-rung der Instandhaltungsintervalle genutzt werden.

Zustandsüberwachung ist eine vorhandene Technologie, mit der sich neue Eigenschaften von Antriebssystemen realisieren lassen. Die Bahnindustrie ist sehr an einem proaktiven Ansatz interessiert, der eine hohe Sicherheit bei guter Wirtschaftlichkeit ermöglicht.

SKF Multilog Zustandsüberwachungs-systeme wie IMx-R wurden ausschließlich für Schienenfahrzeuge entwickelt, wo sie eine funktionelle und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Konzepten darstellen. Mittels modularen Sensoren zur gleichzeitigen Überwachung mehrerer Drehgestell-Betriebsbedingungen eignet sich SKF Multilog IMx-R im Verbund mit der Software SKF @ptitude Observer als um-fassendes Zustandsüberwachungs- und Schutzsystem.

191

9

x

Ausfallschutz durch Trendbeobachtung

Vorwarnzeit

Berechneter Trend

Normal

Instandhaltung

Hohes Risiko

Dauer

VersagenStufe

Zusammen mit der Meldung über begin-nende Schäden erzeugt SKF Multilog IMx-R automatische Empfehlungen für Korrektur-massnahmen, die an den tatsächlichen Betriebsbedingungen ansetzen. Bei Über-schreitung von Belastung- und Drehzahl-grenzen kann das System spezifische War-nungen und Alarme ausgeben. Die Alarme können von automatischen Diagnose- und Ursachenanalyseverfahren eingelesen und ausgewertet werden. Die Daten lassen sich auch von Instandhaltungsmanagement-Systemen für die Planung sowie für das Ersatzteil- und Arbeitsauftrag-Management auswerten. Der (Online-) Zugriff ist ebenfalls möglich.

Fahrmotor- und Getriebekomponenten wie Lager, Zahnräder und Rotor können ebenfalls überwacht werden, genauso wie Wellen und Kupplungen (mit Schwingungs-sensoren im Drehgestell). Auch Temperatur und Pegel des Getriebeöls lassen sich mit einem Zustandsüberwachungs system im Drehgestell überwachen. Die Schwingungs-signatur von Antriebskomponenten hängt von den Zugkräften ab. Die Zuggeschwindig-keit und die Belastung sowie ausgewählte Geometrieparameter und die Getriebeüber-setzung sind daher bei der Zustandsauswertung zu berücksichtigen.

Die Zustandsüberwachung des Antriebs-systems kann Bestanteil eines umfassenden Drehgestell-Überwachungssystems sein, das weitere Parameter wie Sinuslauf des Drehgestells, Radzustand und Radsatz-lagerzustand einbezieht.

Gemäß TSI-Direktive 96/48 EC gehören zu einer Drehgestell-Zustandsüberwachung auch Sensoren zur Erkennung von Lauf-instabilitäten. TSI schreibt vor, dass die Überwachung der Laufstabilität kontinuier-lich, mindestens jedoch mit einer Häufigkeit erfolgen muss, die eine zuverlässige und frühzeitige Erkennung von Schäden ermög-licht. In Klasse-1-Zügen muss das System an einen Onboard-Datenschreiber (JRU) angeschlossen sein, damit eine Rückverfolg-barkeit möglich ist. Weitere Informationen sind dem Technischen SKF Schienenfahr-zeughandbuch, Band 1, Kapitel 8 zu entnehmen [34, 35, 36].

Alle umlaufenden Komponenten eines Drehgestells generieren charakteristische Schwingungsspektren. Mit einer Frequenz-analyse lassen sich daher die einzelnen Komponenten identifizieren

Drehgestell-Zustandsüberwachungsfunktionen

Mögliche Funktionen für die einzelnen Antriebskomponenten

Subsystem Erkennungsparameter

Rad Radprofil / Unrundheit

Radsatzlager TemperaturTemperaturdifferenz zu anderen RadsatzlagernVorzeitiger LagerschadenSchwingungspegel

Getriebe(Getriebestrang)

LagertemperaturVorzeitiger LagerschadenUnwuchtFluchtungsfehlerWellendurchbiegungenLose TeileSchwingungspegelZahnradschäden Resonanzen

Getriebeöl ÖltemperaturÖlstand

Fahrmotor LagertemperaturVorzeitiger LagerschadenSchwingungspegel

Kardanwelle UnwuchtKupplungsschäden

192

Entgleisungs-erkennung

Fahrmotorzustand

Radsatzlagerzustand

Heißläufer-Radsatzlagererkennung nach TSI

RadzustandGetriebezustand Getriebe-Ölstand

Zustand der Kardanwellen

Drehgestell-Pendelungserkennung nach TSI

Vorteile der Zustandsüberwachung• Verbesserte Fahrzeug-Betriebs-

zuverlässigkeit• Geringere Instandhaltungskosten für

den Betreiber: – Reduzierung der Betriebskosten (da Schäden frühzeitig erkannt und die Wartungspläne entsprechend angepasst werden können)

– Weniger Fahrzeugstillstände – Geringerer Instandhaltungs-aufwand

– Weniger Überstunden des Instandhaltungsteams

• Optimierung der Ersatzteillogistik

Die Zustandsüberwachung des Antriebssystems kann Bestandteil eines umfassenden Drehgestell-Überwachungssystems sein, das weitere Parameter wie Sinuslauf, Radzustand und Radsatzlagerungszustand einbezieht.[1]

9

193

Schematische Dar-stellung von Getriebe und Fahrmotor mit einer reduzierten Anzahl von Schwin-gungsmesspunkten (nur ein Sensor pro Getriebe und pro Fahrmotor). Diese Anordnung ist kostengünstiger, entdeckt drohende Ausfälle aber erst relativ spät.

Beschleunigungsmesser

Getriebe

Fahrmotor

Lager

IMx-R Über-wachungssystem: Schwingungsüber-wachung, Erkennung von Drehgestellpen-delung, Radsatz-lagerschäden und zusätzlich auch von Radsatzlager-Heiß-läufern

Drehzahl

Stro

m

Ethe

rnet

MVB

Schwingung

Temperatur

IMx-R

194

IMxR OnlinesystemDas SKF Multilog Online-System IMx-R steht für die aktuelle Generation leistungs-starker, kosteneffizienter Lösungen für Schienenfahrzeuge. Mit Hilfe von SKF @ptitude Observer Monitor lässt sich IMx-R als Zustandsüberwachungs- und Schutzsys-tem für mechanische Systeme mit anderen Einheiten zu einem Überwachungsnetzwerk zusammenschließen. Das System kann Schäden frühzeitig erkennen und gibt auto-matisch Empfehlungen für Abhilfemaß-nahmen sowie für geeignete Maßnahmen im Rahmen einer zustandsabhängigen Instandhaltung.

Neben mehreren analogen Kanälen bietet das System vier digitale Kanäle für Drehzahl-messungen, Auslöse- und Zustandssignale sowie zur Anzeige der Messbereitschaft. Auf einem Kanal können mehrere Messpunkte zusammengelegt werden. Wechsel- und Gleichspannungsmessungen lassen sich ebenfalls über den gleichen Kanal durch-führen. Für jeden Messpunkt können eigene Warn- und Alarmbedingungen festgelegt werden. Die Warn- und Alarmbedingungen werden wahlweise drehzahl- oder belas-tungsabhängig gewählt.

Mit Hilfe von SKF @ptitude Observer Monitor lässt sich IMx-R als mechanisches Zustandsüberwachungs- und Schutzsystem mit anderen Einheiten zu einem Über-wachungsnetzwerk zusammenschließen. Es ist sogar möglich, das System in ein bereits vorhandenes LAN (zusammen mit anderen Computern, Druckern, Servern usw.) oder über das Internet einzubinden.

Die integrierte Selbstdiagnose-Spezial-hardware überwacht kontinuierlich alle Sensoren, Kabel und elektronischen Komponenten auf mögliche Schäden, Signalunterbrechungen, Kurzschlüsse und Stromausfälle. Jede Fehlfunktion löst einen Alarm aus. Bei einem Ausfall der Betriebs-spannung startet das System automatisch neu, sobald die Spannung wieder anliegt.

SKF Multilog IMxR Onlinesystem

9

195

ÜberwachungsprinzipienLagerschadenfrequenzen werden durch den Stoß der Wälzkörper gegen Abschälungs-reste am Außen- oder Innenring verursacht; Abschälungen an den Wälzkörpern können auch spezifische Frequenzen generieren. Die Käfigfrequenz basiert auf der Winkelge-schwindigkeit des Käfigs, die im Optimalfall der Drehgeschwindigkeit der Wälzkörper-mitte entspricht. Die Amplitude der Käfigfre-quenz ist in den Schwingungsspektren nor-malerweise sehr niedrig, allerdings deutlich erkennbar bei hohen Drehzahlen von 6 000 min–1. In diesem Fall korreliert die Amplitude stark mit der Lagerluft und der Rundheit des Gehäuses.

Die folgende Erklärung basiert auf einem relativ typischen Anwendungsfall mit dre-hendem Innenring und stationärem Außenring.

Da alle vier Frequenzen proportional zur Innenringdrehzahl sind, sind sie normalisiert (ausgehend von einer festen Innenringdreh-zahl von einem Hertz). Um die tatsächlichen Defektfrequenzen zu erhalten, ist die Dreh-frequenz der Welle mit den Ergebnissen aus den nachstehenden Formeln zu multi-plizieren.

SKF HüllkurvenverfahrenBeim SKF Hüllkurvenverfahren wird mittels Demodulierung der exponentiell gedämpfte Teil des Signals ausgefiltert, der beim Auf-prall der Wälzkörper auf Abschälungsreste am Innen- oder Außenring des Lagers ent-steht. Das SKF Hüllkurvenverfahren geht auf die Hilbert-Transformation1) zurück.

Im Prinzip ist die Hüllkurve das Modul der analytischen Signaldarstellung des Realsignals.

Das Verfahren ermöglicht die Darstellung abstandsgleicher Impulsfolgen auf der ge-wünschten Frequenz.

Das Lagersignal geht normalerweise im Schwingungssignal unter, da die Schwin-gungsamplitude sehr hoch ist (Unwucht, Fluchtungsfehler usw.). Für eine effektive Hüllkurve wird ein Bandpassfilter angewen-det, der diese unerwünschten Signalanteile unterdrückt.

Die SKF Beschleunigungshüllkurve fasst die Signalanteile zusammen, die von den Lagerschaden-Harmonischen generiert werden und unterdrückt alle anderen Antei-le. Das resultierende Signal ist eine ver-stärkte Hüllkurve, die aus einer Reihe regelmäßiger Impulse besteht.

1) Benannt nach David Hilbert (1862 –1943).

196

Kugelpassierfrequenzen auf der Innen-/Außenringlaufbahn und Kugelspinfrequenzen

Dw

dm

a

ho

no

ni

hi

hR

Kugelpassierfrequenz am Innenring (BPFI)

Hierin sindBPFI = Kugelpassierfrequenz am Innenring, d.h. die Frequenz, mit der die Wälzkörper die

Innenringlaufbahn passieren. Ein Indikator für Risse oder Abschälungen auf der Innenringlaufbahn.

z = Anzahl der Wälzkörper pro WälzkörperreiheDw = Wälzkörperdurchmesserdm = Wälzkörper-Teilkreisdurchmessera = Berührungswinkel

Kugelpassierfrequenz am Außenring (BPFO)

Hierin sindBPFO = Kugelpassierfrequenz am Außenring, d.h. die Frequenz, mit der die Wälzkörper die

Außenringlaufbahn passieren. Ein Indikator für Risse oder Abschälungen auf der Außenringlaufbahn.

Kugelspinfrequenz (BSF)

Hierin sindBSF = Kugelspinfrequenz, d.h. die Frequenz, mit der ein Wälzkörper im Lager rotiert.

Ein Indikator für Schäden an einzelnen Wälzkörpern.

Zug-Grundfrequenz (FTF)

Hierin sindFTF = Zug-Grundfrequenz, d.h. die Rotationsfrequenz des Käfigs, der die Wälzkörper hält.

Ein Indikator für Käfigschäden.

9

197

Technische BeschreibungIMx-R ist für den weltweiten Einsatz in typischen Schienenfahrzeugen nach unter-schiedlichen Kundenvorgaben, Betreiber-standards und internationalen Normen ausgelegt. Das System erfüllt die Vorgaben aus EN 50155 hinsichtlich elektromagne-tischer Verträglichkeit, Stoßbelastungen, Schwingungen und Umgebungs-temperaturen.

Parameter Bedingung

Umgebungstemperatur EN 50155, Klasse TX

Feuchtigkeit Max. 95 % kondensierend

EMV Nach EN 50121-3-2. Maximaler Störungspegel bei Prüfung: Sensorempfindlichkeit 100 mV/g und Heißläufer-Radsatzlager-Erkennung HABD = 2 °C

Höhe Nach EN 50155, Nutzung bis 1 200 m Höhe

Schwingungen und Stoß

Nach EN 61373, Kategorie 1B

Kapselung IP20 (EN 60529)

Stromversorgung Stromversorgungsunterbrechung nach EN 50155, Kapitel 3.1.1.2, Klasse S2

IMx-R Ausführungsdetails

• Nach TSI UIC 515-1

• SIL-Stufe 2 auf Anfrage (Leistungsmessung erforderlich für eine sicherheitsrelevante Funktion)

• Montage in 19-Zoll-Rack

• echte Simultanmessung aller Kanäle

• Mehrparameter-Taktung

• SKF Beschleunigungshüllkurven

• adaptive Alarmpegel

• Bei Kommunikationsausfall Datenzwischenspeicherung im nichtflüchtigen Speicher

• Ausgangsrelais-Treiber

• volle Unterstützung durch SKF @ptitude Observer

198

Sensor-Radsatz-lagerung SKF Axletronic

Radsatzlager mit Frontdeckel und AXLETRONIC Sensoren

Bezugsnormen für IMx-R

Norm-Nr. Titel

EN 50155 Bahnanwendungen – Elektronische Einrichtungen auf Bahnfahrzeugen

EN 50126 Bahnanwendungen – Spezifikation und Nachweis der Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Instandhaltbarkeit, Sicherheit (RAMS)

EN 50128 Bahnanwendungen – Telekommunikationstechnik, Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme – Sofware für Eisenbahnsteuerungs- und Überwachungssysteme

EN 50129 Bahnanwendungen – Telekommunikationstechnik, Signaltechnik und Datenverarbeitungssysteme – Sicherheitsrelevante elektronische Systeme für Signaltechnik

EN 61373 Bahnanwendungen – Prüfungen für Schwingen und Schocken

Hybridfahrmotor- LagereinheitenLinks: Mit Drehzahl-sensor († Seite 184)Rechts: Mit Drehzahl- und Absolutpositions-sensor († Seite 187)

Sensoren für die Zustandsüberwachung

Zusätzlich zum SKF Multilog IMx-R Zustandsüberwachungssystem und der SKF @ptitude Observer Software bietet SKF weitere Lösungen zur Messung von Betriebsparametern wie Drehzahl, Temperatur und Schwingungen an.

Auf mit Sensoren ausgestatteten Fahrmotorlagereinheiten wurde bereits in Kapitel 8 eingegangen.

Das Drehzahlsignal kann auch mit den SKF Axletronic Lösungen am Radsatz über-wacht werden[37, 38]. Weitere Informationen sind dem Technischen SKF Schienenfahr-zeughandbuch, Band 1, zu entnehmen. 9

199

SKF @ptitude Observer Analysesoftware

IMx-R überwacht die Lagertemperaturen entsprechend TSI-Direktive und meldet, sobald festgelegte Grenzwerte erreicht werden. Zusätzlich kann IMx-R auch den Zustand von Radsätzen, Radsatzlagern, Fahrmotoren, Getrieben und Kardanwellen überwachen.

Die Werte der Radsatzlager-Heißläufer-erkennung, der Drehgestell Sinuslauf- Erkennung und der Zustandsüberwachung werden in der SKF @ptitude Observer Datenbank gespeichert. Die Ergebnisse der IMx-R Einheiten werden von der SKF @pti-tude Observer Maschinendiagnose ausge-wertet und bei erkannten Maschinenschäden z.B. als Trends und Textmeldungen ausge-geben. Sie lassen sich einfach über die SKF @ptitude Observer Software aufrufen.

Das IMx-R Überwachungssystem und seine Abgrenzung

Sensor

IMx-R System

Stromversorgung IMx-RTSI- und

E/A-KarteCM-Karte

MVB-Schnittstellenkarte

TCP/IP

MMIZugsteuerungDrahtlose Datenübertragung

Antenne

InternetSKF @ptitude Observer

200

ValidierungFür die Validierung der Zustandsüber-wachungsdaten des IMx-R Systems wurden umfangreiche Forschungen [39] an realen Antriebssystemen durchgeführt. Dabei wurde insbesondere auf die Reproduzierbarkeit bei sehr hohen Geräuschpegeln und des dyna-mischen Antriebsverhaltens im Praxisbetrieb geachtet. Es wurde ein Prüfstand entwickelt, mit dem sich das kinematische Verhalten der Aufhängung und die streckentypischen Fahrzeugschwingungen reproduzieren lassen. Ein Dauertest wurde für unterschiedliche Betriebsbedingungen (Motordrehmoment, Drehzahl usw.) durchgeführt. Die Relativ-bewegungen zwischen Fahrmotor und dem Achsgetriebe wurden in senkrechter, seit-licher und Längsrichtung simuliert.

Validierungsan-ordnung für ein Antriebssystem

Getriebe-AbtriebswelleKegelrollenlager an beiden Seiten

Nichtantriebsseite FahrmotorRillenkugellager

Antriebsseite FahrmotorZylinderrollenlager

Getriebe-AntriebswelleZylinderrollenlager an beiden Seiten

Getriebe-AntriebswelleVierpunktlager an Nicht-antriebsseite

Danksagung

Die Autoren danken Bombardier Trans-portation für die Genehmigung zur Ver-öffentlichung von Details aus dem in Fußnote [38] erwähnten Bericht.

9

201

Für die Prüfungen wurden unterschied-liche Lager herangezogen. Neben typischen Lagern aus der Betriebspraxis kamen dabei auch absichtlich und künstlich beschädigte Lager zum Einsatz. Die Getriebelager wur-den anwendungstypisch mit Öl und die Fahrmotorlager mit Fett geschmiert.

Bei dieser Fahrmotor- und Getriebe- Validierung konnte die Fähigkeit zur korrekten Lagerzustandserkennung bestätigt werden. Insgesamt wurden 43 Fälle beschädigter und unbeschädigter Lager unter sehr unter-schiedlichen Betriebsbedingungen (Dreh-zahlen, Bewegungsrichtung, Belastungen usw.) geprüft. Das IMx-R System erkannte alle Lagerschäden. Die Tests wurden vom unabhängigen Forschungsinstitut Fondazione Politecnico di Milano am Joint Research Centre for Transportation an der Universität Mailand durchgeführt [39].

Zentrale Erkenntnisse der Validierung im Überblick

• Das SKF Multilog IMx-R System erkennt Lagerschäden unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen.

• Höhere Lagerbelastungen verstärken die Sichtbarkeit und Stabilität des Schadensindikators.

• Die Temperatur beeinflusst die Fähigkeit zur Schadenserkennung, allerdings muss die Art des Schmierstoffs berücksichtigt werden (z.B. Öl oder Fett). So bleiben bei niedriger Lagertemperatur (d.h. bei Testbeginn) kleinere Schäden länger unentdeckt, wenn Fettschmierung verwendet wird.

• Allgemeine Kennzahlen (z.B. die lokale Temperatur) sind unzureichend zur frühzeitigen Ausfallerkennung, was den Einbau von Beschleunigungsmessern erforderlich macht.

202

Validierung von Fahrmotorlagern

Zylinderrollenlager auf der AntriebsseiteDas Fahrmotorlager am Antriebsende wurde ausgebaut, gereinigt, nachgeschmiert und für die Validierung wiederverwendet.

Die nachstehenden Frequenzdiagramme weisen keine relevanten Spitzen auf, was auf einen guten Lagerzustand schließen lässt.

BPFI = Kugelpassierfrequenz am Innenring

BPFO = Kugelpassierfrequenz am Außenring

BSF = Kugelspinfrequenz

FTF = Zug-Grundfrequenz





Innenring

Außenring

Rollenkranz

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Rillenkugellager an der NichtantriebsseiteDas Fahrmotorlager am Nichtantriebsende wurde ausgebaut, gereinigt, nachgeschmiert und für die Validierung wiederverwendet.

Die nachstehenden Frequenzdiagramme weisen keine relevanten Spitzen auf, was auf einen guten Lagerzustand schließen lässt.









Innenring

Außenring

Kugeln

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Validierung von Getriebelagern

Beschädigtes Vierpunktlager auf der AntriebswelleAnhand eines Lagers mit Schäden am Innenring und an den Kugeln wurden die Ergebnisse der Zustandsüberwachung veri-fiziert. Beide Kurven zeigen relevante kugel- und innenringspezifische Frequenzspitzen.









Vierpunktlager mit beschädigtem Innenring

Komponenten eines Vierpunktlagers

9

205

Beschädigtes Zylinderrollenlager auf der AntriebswelleEin Lager mit künstlich hervorgerufenen Schäden am Rollenkranz wurde verwendet, um die Ergebnisse der Zustandsüberwa-chung zu verifizieren. Beide Kurven zeigen relevante rollen- und käfigspezifische Frequenzspitzen.









Käfigschaden

Rollenschaden

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Microlog AnalysatorDie SKF Microlog Analysatoren haben (je nach Modell) bis zu vier Kanäle für die Analyse von Schwingungssignal- und Prozessvariablen. Die Geräte machen die Zustandsüberwachung erheblich einfacher. Die statische und dynamische Kupplungs-auswuchtung in einer oder zwei Ebenen, eine Transientenanalyse (Bode, Nyquist, Wasserfall, Spektrogramm), eine Modal- und Betriebsschwingungsformanalyse sowie die Aufzeichnung von Rohsignalen zur wei-teren Auswertung und eine Upgradefunktion sind weitere Optionen, die den SKF Microlog Analysator zu einem unentbehrlichen Anwen-derwerkzeug machen. Lagerbewertungen werden mit dem bewährten SKF Beschleu-nigungshüllkurvenverfahren (gE) durchge-führt. Die SKF Microlog Geräte arbeiten mit aktueller Analog- und Digitaltechnik. Sie verfügen über Signalverarbeitungsprozes-soren (DSP) und hochauflösende Sigma-Delta-A/D-Wandler, die eine schnelle und genaue Erfassung der Schwingungsdaten ermöglichen.

SKF Microlog CMXAKleines Display Frequenzbereich 0,16 Hz bis 40 kHz mit einer Auflösung von bis zu 25 600 Zeilen

Microlog CMXA ReiheBei den SKF Microlog CMXA Geräten handelt es sich um die fortschrittlichsten Analysatoren, die SKF anbietet. Die Geräte, für die eine Vielzahl von Modulen erhältlich ist, sind für einen breiten Einsatzbereich und für Laien und erfahrene Anwender gleichermaßen geeignet.

CMXA Geräte sind wahlweise als abge-schirmte Vierkanalausführung oder als klei-nere, abgeschirmte Dreikanalausführung erhältlich. Sie können an individuelle Anfor-derungen angepasst werden. Die kosten-günstigen Analysatoren bieten eine Vielzahl von Messverfahren, die je nach Bedarf und Budget individuell mit Lizenzschlüsseln freigeschaltet werden. Dadurch hat der Anwender die Möglichkeit, seine Messtechnik schrittweise aufzurüsten und zu aktualisieren, ohne neue Geräte kaufen zu müssen.

Die SKF Microlog Geräte sind für die rou-tenbasierte Datenauswertung mittels SKF @ptitude Analyst und für den Einzelbetrieb mittels SKF Analysis and Reporting ausgelegt.

SKF Microlog CMXAGroßes Display Frequenzbereich 0,16 Hz bis 80 kHz mit einer Auflösung von bis zu 25 600 Zeilen

Technische Beschreibung

• Simultane Drei- oder Vierkanalmes-sungen zur schnellen Datenerfassung

• Intel-Prozessor 806 MHz XScale für eine schnelle Echtzeitabtastung und Displayaktualisierung

• Robuste, verunreinigungs- und was-serfeste Ausführung nach IP 65 für eine hohe Zuverlässigkeit in Industrie-umgebungen

• Lithium-Akku für eine kontinuierliche Datenerfassung von 8 h

• Frequenzbereich 0,16 Hz bis 40 kHz (kleines Display) bzw. 80 kHz (großes Display) mit einer Auflösung von bis zu 25 600 Zeilen

9

207

AnwendungsfälleLokomotiven2001 wurde die erste Drehgestell-Zustands überwachung installiert – das SKF MasCon16R Schienenfahrzeugsystem. Mit der schwedischen Erzbahngesellschaft MTAB schloss SKF einen langfristigen Ver-trag zur Zuverlässigkeitsüberwachung von 14 dreiteiligen Lokomotiven des Typs Dm3. Sie fahren auf der Strecke Kiruna – Narvik (Schweden – Norwegen). Mit der Zustands-überwachung wollte der Betreiber die Zuverlässigkeit steigern und ungeplante Unterbrechungen aufgrund von Problemen mit Radsatzlagern, Fahrmotoren, Getrieben usw. vermeiden Vorher hatten häufige, me-chanisch bedingte Betriebsunterbrechungen einen hohen Zeit- und Kostenaufwand verursacht, da die Züge mit der defekten Lokomotive auf der eingleisigen Strecke abgeschleppt werden mussten. Während der gesamten Überwachung und Instand-haltung durch SKF wurden keinerlei unge-plante Betriebsunterbrechungen registriert. Die Lokomotiven wurden 2005 durch eine neue Generation von Loks ersetzt. Durch den Vertrag mit SKF konnte MTAB die Kosten erheblich senken und die Lokzuverlässigkeit steigern.

Schwingungssen-soranordnung im Radsatzlager einer Dm3-Lok von MTAB

Einbau eines Schwin-gungssensors in Fahrmotor/Getriebe-Anordnung einer Dm3

Triebwagen und MetrosFür Elektro- und Diesel-Triebwagen sowie U- und S-Bahnen bietet sich ein breites Feld an Einsatzmöglichkeiten. Die Züge haben meist eine große Anzahl von Radsätzen und Antrieben, die ein zuverlässiges und sicheres Gesamtsystem ergeben müssen.

Die Metro in Barcelona besteht aus meh-reren Linien, die in innerstädtischen Berei-chen unterirdisch und in den Außenbezirken überirdisch verlaufen. Am 31. Dezember 2010 bestand das Streckennetz aus 8 Linien und Seilbahnen mit 140 Stationen und einer Gesamtlänge von 103 km.

Transportes Metropolitanos de Barcelona (TMB) hat mehrere Drehgestelle der Reihe 5 000 (auf unterschiedlichen Linien) mit einem Zustandsüberwachungssystem aus-gestattet. Diese hochmodernen Züge haben eine Höchstgeschwindigkeit von 80 km und eine Gesamtanschlussleistung von 2 000 kW. SKF steuerte das Zustandsüber-wachungssystem für die Drehgestelle und lieferte die gesamte Hardware, Software und Sensortechnik. Nach dem überwachten Einbau des Systems wurde die Inbetrieb-nahme durchgeführt. Der Servicevertrag sieht eine Alarmverfolgung mit Hilfe einer UMTS-Datenfernübertragung sowie regel-mäßige Berichte über den Drehgestell-zustand vor [40].

Die Installation an den Drehgestellen ermöglicht eine komplette Überwachung der Drehgestell-Subsysteme (Getriebe, Fahrmotor, Kupplung, Radsatzlager) und eine Erfassung der Wechselwirkungen zwischen Rad- und Schienenzustand. Auf dieser Grundlage können die Algorithmen für die Zustandserkennung weiter ver-bessert werden.

In diesem Fall wurde besonderes Gewicht auf die Fahrmotor- und Getriebeüberwa-chung gelegt. Folgende Aspekte stehen im Zentrum der Zustandsüberwachung:

• Unwucht• Schiefstellungen• Wellendurchbiegungen• lockere Teile• Lagerschäden• Zahnradschäden• Resonanzen

Die Signale aller Drehgestellsensoren wer-den an die Onboard-Überwachungseinheit gesendet und von dieser kontinuierlich aus-gewertet. Bis auf Alarme, die sofort gemel-det werden, sendet das System alle Daten einmal pro Tag an einen Server, wo sie ge-

208

speichert und von SKF Zustandsüberwa-chungsexperten mit Hilfe von SKF @ptitude Observer ausgewertet werden. Über ein spezielles SKF Programm hat Transportes Metropolitanos de Barcelona jederzeit via Internet Zugriff auf die Drehgestellsignale.

Die Zustandsüberwachung erlaubt eine Ausweitung der Instandhaltungsintervalle und eine besser auf den Drehgestellzustand abgestimmt Betriebsplanung der Metro. Die Messsignale des Online-Überwachungs-systems ermöglichen eine Weiterentwicklung in wichtigen Bereichen, die als zentral für dieses innovative und anspruchsvolle Kundenprojekt gelten:

• Steigerung der Fahrzeugzuverlässigkeit• Reduzieren der Instandhaltungsgesamt-

kosten• Senkung der Betriebskosten (aufgrund

der frühzeitigen Störungserkennung, wodurch eine bessere Planung der Instandhaltungsarbeiten möglich wird)

• Reduzierung der Stillstandszeiten• weniger Stopps für die Instandhaltung• weniger Überstunden der Instand-

haltungsteams• Optimierung der Ersatzteillogistik

Überwachungsdienstleistungen• Datenerfassung:

– IMx-R liefert die Zustandsüber-wachungsdaten

– Die Daten werden auf einem Kundenserver gehostet

– Die Daten werden vom Kunden ausgewertet

• Datenauswertung: – IMx-R liefert die Zustandsüber-wachungsdaten

– Datenhosting auf SKF Servern – Datenauswertung in SKF Zustands-überwachungszentren

– SKF erstellt regelmäßig Zustands-berichte (sowie ggf. Fehlerberichte)

Waggon der Metro Barcelona mit instal-lierter Zustandsüber-wachung

9

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10 Dienst-leistungen

Serviceangebot . . . . . . . . . . . . . . 211

Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212

Ausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Aufarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . 218

Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

Schulungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

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Dienstleistungen

Das weltweite SKF Schienenfahrzeug-Netzwerk bietet für Antriebshersteller und Betreibergesellschaften zahlreiche Dienstleistungen an. Vertriebsmitarbeiter, Service- und An-wendungstechniker leisten technische Hilfe und organisieren Servicearbeiten für die SKF Kunden. Die SKF Aufarbeitungs-werkstätten bieten kostengünstige und umweltverträgliche Lösungen für Kunden aus der Schienenfahrzeugbranche an.

ServiceangebotMit SKF Dienstleistungen können Hersteller und Betreiber höchste Sicherheits- und Leistungsanforderungen bei geringen Lebenszykluskosten erfüllen.

Eine Auswahl der von SKF angebotenen Dienstleistungen:

• Spezielle Prüfmittel zur Validierung von Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforde-rungen († Seiten 97, 125, 221 und 222)

• Technische Beratung für die Produktent-wicklung nach Kundenvorgaben und Lösungsoptimierungen für maximalen Kundenmehrwert

• Montage und Austausch von Lagern und andere Dienstleistungen vor Ort

• Aufarbeitungsmöglichkeiten• Instandhaltungsprodukte, z.B. Werkzeuge

für Einbau, Ausbau und Schmierung

• Vertiefende Schulungsangebote (für Ingenieure, Projektmanager und Ferti-gungskräfte) für Schienenfahrzeuglösun-gen mit dem Ziel, die Gebrauchsdauer und Nutzung der Lager zu verbessern

211

10

EinbauGeschicklichkeit und Sauberkeit spielen eine wichtige Rolle bei der Aufbewahrung und beim Einbau von Lagern, wenn eine optimale Lagerfunktion gewährleistet und vorzeitiger Lagerausfall verhindert werden soll. Wälz-lager sind Präzisionskomponenten und entsprechend vorsichtig zu behandeln. Nicht weniger wichtig sind der Einsatz der richtigen Werkzeuge und die Anwendung geeigneter Einbauverfahren.

Fahrmotorlagerung mit TMBUs an beiden Seiten [41]

LoslagerFestlager

EinbaubeispielAnhand des nachstehenden Beispiels sollen die wichtigsten Einbauverfahren beschrieben werden.

FestlagerDie Fahrmotorlagereinheit (TMBU) hat einen Flansch und wird in den Deckel des Fahrmotors montiert. Die Lagereinheit hat einen Kugelsatz.

LoslagerDie Fahrmotorlagereinheit (TMBU) hat einen Flansch und wird in den Deckel des Fahrmotors montiert. Die Lagereinheit hat einen Zylinderrollensatz.Hinweis

Die Bedienungsanleitung ist vor dem Einbau immer vollständig zu lesen. All-gemeine Einbauanleitungen sind den SKF Katalogen sowie auf skf.com/bearings zu entnehmen.

SKF bietet zahlreiche Vor-Ort- Dienstleistungen und Schulungskurse für Werkspersonal an. Ausführliche Ein-bauanleitungen für spezifische Anwen-dungsfälle sind ebenfalls erhältlich († Seite 223).

212

Vorbereitung Tragbares Induktions-Anwärmgerät TIH 030mDas kleine SKF Induktions-Anwärmgerät TIH 030m verbindet hohe Heizleistung mit Mobilität. Aufgrund der kompakten Ausfüh-rung und des geringen Gewichts kann das TIH 030m schnell und einfach zum Einsatz-ort gebracht werden. Die Induktionsspule befindet sich außerhalb des Gehäuses, direkt im Zentrum des anzuwärmenden Werkstücks. Lager bis zu 40 kg Gewicht können angewärmt werden. Ein thermi-scher Überlastschutz schützt Spule und Elektronik des Anwärmgeräts im Betrieb. Neben einer Temperaturautomatik zum Anwärmen von Wälzlagern verfügt das TIH 030m auch über eine Zeitautomatik zum Anwärmen anderer ringförmiger Metallteile. Das TIH 030m wird serienmäßig mit drei Jochen geliefert. Zwei Netzteile stehen zur Auswahl:

• 230 V / 50 – 60 Hz • 100 – 110 V / 50 – 60 Hz

Technische Eigenschaften:

• Kompakte, leichte Konstruktion • sichere und schnelle Anwärmung

kleinerer Lager mit weniger Energie (durch zweistufige Leistungsein-stellung und kleinere Joche)

• Erwärmen eines 28 kg schweren Lagers in nur 20 Minuten

• Überhitzungsschutz beim Einbau offener Lager durch voreingestellte Temperatur von 110 °C

• automatische Entmagnetisierung

Schritt 1: Die TMBU erst unmittelbar vor dem Einbau auspacken.

Die SKF Schutzhand-schuhe TMBA G11W sind für allgemeine Industriearbeiten geeignet. Die punkt-förmige, nicht entflammbare Beschichtung der Innenfläche sorgt für festen Griff.

Schritt 2: Lager mit dem tragbaren SKF Induktions-Anwärm-gerät TIH 030m anwärmen. Die zu-lässige Höchsttem-peratur für vorge-schmierte TMBUs mit Labyrinthdichtungen beträgt 90 °C. Das Anwärmen ist für Festlager und Loslager identisch. ACHTUNG: Lage-rungen mit Sensor dürfen nicht mit einem Induktions-gerät angewärmt werden!

10

213

Festlagereinheit

Schritt 3: Festlager-TMBU einbauen Schritt 5: Sicherungsmutter durch Umbiegen einer Fahne festsetzen

Schritt 4: TMBU in axialer Richtung mit Wellenmutter sichern

SKF Hakenschlüsselsatz Das SKF Hakenschlüsselset besteht aus 9 Schlüsseln nach DIN 1810 für das Anziehen und Lösen von Wellenmuttern der Größen 4 bis 16. Die Haken-schlüssel wurden für SKF KM Muttern und andere KM Muttern nach DIN 981 entwickelt.

214

Loslagereinheit

Schritt 6: Loslagereinheit einbauen

Schritt 7: TMBU in axialer Richtung mit Wellenmutter sichern

Schritt 8: Sicherungsmutter durch Umbiegen einer Fahne festsetzen

10

215

FahrmotorLagerschild (Festlager)

Fahrmotormontage

Schritt 9: Zur leichteren Montage des Lagerschildes auf der Festlagerseite kann die Deckscheibe auf maximal 100 °C angewärmt werden. Der Lager-schild wird vorsichtig auf den TMBU Flansch geschoben. Vorsichtige Krafteinwirkung in axialer Richtung! Die TMBU Lagereinheit reagiert sehr empfindlich auf axiale (Stoß-) Belastungen. Bei zu hohen Axialbelas-tungen wirken sehr starke Kräfte auf die extrem harten Keramikkugeln und drücken diese gegen die Laufbahnen, wodurch Dellen entstehen.

Schritt 10: Durch Festziehen der Bordschrauben die TMBU an dem Lagerschild sichern.

Schritt 11: Rotor mit montierten TMBUs und Lagerschild in den Stator einsetzen.

Schritt 12: Lagerschild auf der Loslagerseite (gegenüberliegende Seite) am Stator und am TMBU Bord ausrichten. Ausrichtung von Rotor und Stator beibehalten, um Eindellungen und Schürfmarken auf den Lauf-bahnen zu verhindern. Durch Festziehen der Bordschrauben die TMBU am Lagerschild sichern.

216

AusbauBeim Lagerausbau ist darauf zu achten, dass Welle, Gehäuse und andere Maschinen-teile nicht beschädigt werden, da solche Schäden die Effizienz und Lebensdauer der Gesamtkonstruktion beeinträchtigen. Vielfach müssen die Wälzlager nur deshalb ausgebaut werden, um andere Maschinenteile warten oder ersetzen zu können. Diese Lager wer-den meistens weiterverwendet. Die Auswahl der richtigen Ausbauverfahren und Werk-zeuge ist sehr wichtig, damit das Risiko einer Lagerbeschädigung klein bleibt und das Lager weiter verwendet werden kann.

Ein Lagerausbau kann gefährlich und an-spruchsvoll sein. Die Auswahl der richtigen Ausbauverfahren und Werkzeuge ist von entscheidender Bedeutung für ein möglichst niedriges Verletzungsrisiko.

Hydraulischer EasyPull Lagerabziehersatz SKF TMMADas Komplettangebot für Abzieharbeiten

Lagerabzieher TMBS E mit TrennstückZum einfachen Lagerausbau auch bei beengten Platzverhältnissen

Spezialwerkzeuge für den LagerausbauFür ein geringes Verletzungs- und Beschädigungsrisiko

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Die Vorteile einer SKF Aufarbeitung

Durch die Aufarbeitung können die Lebenszykluskosten eines Lagers gesenkt werden:

• Aufarbeitungen sind kostengünstiger als neue Lager• längere Gebrauchsdauer • bessere Verfügbarkeit (Lagerbestandsabbau)• Schadensanalyse und Prüfung möglicher Abhilfemaßnahmen• Leistungssteigerung durch Upgrade bei der Lageraufarbeitung• bessere Betriebs- und Wartungsabläufe bei Kunden durch

Anwendungsfeedback• bessere Umweltverträglichkeit durch weniger Abfall und

Material- sowie Energieeinsparungen

AufarbeitungEine Lageraufarbeitung1) ist deutlich CO2-effizienter als die Herstellung eines Ersatzlagers. Bei der Aufarbeitung wird bis zu 97% weniger Energie benötigt als für ein Neulager. Da sich durch die Aufarbeitung die Gebrauchsdauer des Lagers verlängert, sind weniger Verschleißteile zu entsorgen und der Ressourcenverbrauch fällt geringer aus.

SKF Experten können die Eignung eines Lagers für die Aufarbeitung prüfen [42].

Dazu benötigen sie folgenden Angaben:

• Nahaufnahmen der Komponenten-schäden

• Fotos der gesamten Lagerung• Technische Angaben:

– Beschreibung der Anwendung – Schmierstoffeigenschaften (Öl/Fett) – Schmierverfahren – Lagergebrauchsdauer, Belastung und Drehzahl

Weitere Informationen sind dem Techni-schen SKF Schienenfahrzeughandbuch, Band 1, Seite 192, zu entnehmen.

Aufarbeitung von Fahrmotor-LagereinheitenDer Transportschutz wird entfernt

Aufarbeitung von Fahrmotor-Lagereinheiten Zerlegte Lager, Außenringe mit Rollenkranz, bereit für die Kontrolle des Fett-zustands vor der Reinigung

Aufarbeitung von Fahrmotor-LagereinheitenZerlegte Lager, Innenringe bereit für die Kontrolle des Fettzustands vor der Reinigung

1) Einige Bahngesellschaften verwenden neben der Bezeichnung „Aufarbeitung“ weitere Bezeichnungen wie „Umbau“, „Generalüber-holung“ usw. für ausgewählte Arbeiten. Polier- und Schleifarbeiten werden auch als „Auf-arbeitung“ bezeichnet. Es gibt jedoch keine international verbindliche Definition für diese Begriffe. Überschneidungen bzw. widersprüch-liche Bezeichnungen lassen sich daher nicht ausschließen.

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Aufarbeitung von Tatzlagergehäusen

Neben der Aufarbeitung von Lagerungen und Fahrmotorlagerungen bietet SKF auch eine Aufarbeitung für Tatzlagergehäuse an († Seiten 60 bis 61). Sie besteht aus einer Qualitätskontrolle und den eigentlichen Aufarbeitungsarbeiten (Drehen, Spiral-rohrschweißen, Aufarbeitung der Lager-passungen usw.).

Restliche Gebrauchsdauer

Aufarbeitung

Beispiel für eine Gebrauchsdauerverlängerung durch Aufarbeitung

Gebrauchsdauer

AufarbeitungMaximale Restlebens-dauer bei idealen Betriebsbedingungen

Gebrauchs-dauer (ohne Aufarbeitung)

Längere Gebrauchs-dauer

Lager-austausch

Aufarbeitung von Kegelrollenlagern für TatzlagergehäuseKontrolle von Käfig und Rollensatz nach der Reinigung

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Globales Netzwerk von Aufarbeitungswerkstätten

Die Kernkompetenzen und Ressourcen von SKF gewährleisten einen erstklassigen Aufarbeitungsservice:

• Qualität aufgrund einheitlicher Prozesse• Globale Datenbank für den Austausch von

Fachwissen• Aufarbeitungsspezifische Prozesse• Rechnergestützte Fallbearbeitung• Lageranalyseberichte• Messprotokolle• Rückverfolgbarkeit

Die Werkstätten und Servicezentren wickeln ein hohes Volumen von Lager- und Kom-ponentenfällen ab. Alle Servicezentren/Werkstätten beschäftigen gut ausgebildete Fachkräfte mit unterschiedlichen Kompe-tenzschwerpunkten. Sie verstehen sich als globales Netzwerk, tauschen regelmäßig ihr Wissen aus und unterstützen sich bei der Ersatzteilbeschaffung und der Kapazitäts-entwicklung.

Die Standorte der SKF Aufarbeitungswerkstätten (SKF Remanufacturing Service Centres)

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Statische Prüfung eines AC-Stators

Statische Prüfung eines DC-Rotors

PrüftechnikStatische MotorprüftechnikFür die zustandsabhängige Instandhaltung und Zustandsüberwachung von Elektromo-toren und anderen rotierenden Maschinen werden zuverlässige und präzise Mess- und Prüfinstrumente benötigt.

Mit der Übernahme der Baker Instrument Company ist SKF 2007 zum Marktführer für Motorstromanalyselösungen im Instand-haltungsbereich geworden.

Statische Prüftechnik testet die Isolierung von Gleich- und Wechselstrommotoren und dient als Qualitätsindikator für die Fertigung und Neuwicklung von Motoren. Wackelkon-takte, Fehlverbindungen und unwuchtige Wicklungen lassen sich ebenfalls erkennen. Mit statischen Prüfungen wird auch die Güte der Isolierung während der Motorlebens-dauer kontrolliert, damit plötzliches Isola-tionsversagen verhindert werden kann. Statische Prüfungen bestehen meist aus mehreren Einzelprüfungen, z.B. Wicklungs-widerstand, MegOhm, Polarisierungsindex, DC-Stufenspannung und Spannungsspitzen.

Bei Motorisolationsprüfungen haben MegOhm-Tests trotz ihrer weiten Verbrei-tung nur eine begrenzte Aussagekraft. Nach den Gesetzen der Physik ist eine Potenzial-differenz von mindestens 325 V erforderlich, um eine schwache Isolation zu erkennen. Bei der DC-MegOhm-Prüfung werden jedoch alle Wicklungen auf das gleiche Potenzial angehoben, so dass sich keine Schwächen in der Wicklungsisolation erken-nen lassen. Da 80% aller elektrischen Aus-fälle in Drehstrommotoren als Wicklungs-isolationsversagen beginnen, wird eine Prüfung benötigt, die dieses Phänomen frühzeitig erkennen kann.

Bei der Spannungsspitzenprüfung werden Hochspannungsimpulse durch die Wicklung geschickt. Sie erzeugen die erfor-derliche Potenzialdifferenz zwischen den Wicklungen und sind daher zur Erkennung von Wicklungsisolationsproblemen geeignet. Der Zustand eines Motors mit schwacher Wicklungsisolation verschlechtert sich schrittweise. Typische Störfaktoren sind Wärme, Verunreinigungen (Öl, Chemikalien), Spulenbewegungen beim Anlassen und Spannungssitzen beim Starten sowie im laufenden Betrieb. Bei weiterer Schwächung der Windungsisolation kommt es beim An-lassen zu einer Lichtbogenbildung zwischen den Wicklungen, wodurch sich die Isola-tionsalterung zusätzlich beschleunigt.

Schließlich werden einzelne Wicklungen durch die Lichtbögen verschweißt. An den Schweißstellen fließen infolge des Auto-transformatoreffekts sehr starke lokale Ströme. Die dadurch zusätzliche erzeugte Wärme verbrennt die restliche Isolierung und schädigt die Nutauskleidung, d.h. die wichtigste Isolationsbarriere zur Masse. Studien haben gezeigt, dass der Schweiß-kurzschluss in einem Wechselstrommotor innerhalb von 15 Minuten zum Versagen der Masseisolation führt.

Mit der Spanungsspitzenprüfung werden Isolierungsprobleme in Wicklungen, Spulen und Phasen erkannt, bevor es zu einem Schweißkurzschluss kommt. So können Probleme rechtzeitig erkannt und plötzliche Motorausfälle besser verhindert werden.

SKF bietet neben der statischen Motor-prüfung auch dynamische Prüftechnik und Zustandsüberwachungen an.

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Nutzen des SchmierfettPrüfkits für Kunden• Festlegung der Schmierfristen im

Einklang mit den tatsächlichen Betriebsbedingungen

• Erkennung nicht akzeptabler Qualitätsschwankungen zwischen Schmierfettchargen

• Bewertung der Schmierfettgüte und damit Nachweis der Eignung ausge-wählter Fette für spezifische Anwendungen

Tragbarer SKF Schmierfettanalyse-satz für den Außen-einsatz

Schmierungskontrolle

SKF Grease Test Kit TKGT 1Das SKF Grease Test Kit TKGT 1 unterstützt den Anwender bei der fachgerechten Schmierfettbewertung. Mit dem Testsatz können drei Eigenschaften getestet werden:

• Konsistenz• Ölabscheidung • Verunreinigung

Die drei Tests geben Aufschluss über den allgemeinen Zustand des Schmierfetts und ermöglichen so schnelle Entscheidungen vor Ort. Im Lieferumfang des Kits befinden sich Richtlinien zur korrekten Interpretation der Prüfergebnisse.

Bei unverbrauchtem Schmierfett hilft das Kit, die verbleibende Lagerungsbeständig-keit des Fetts und mögliche Qualitätsunter-schiede zwischen den einzelnen Chargen einzuschätzen. Bei der Prüfung gebrauchter Schmierfette helfen die Ergebnisse dem Anwender bei der Bewertung folgender Aspekte: Eignung des geprüften Fetts für den aktuellen Anwendungsfall, Genauigkeit der Schmierfristen, Rückschlüsse auf die Ursachen von Verunreinigungen.

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SchulungenHersteller stehen unter enormem Druck. Sie müssen ihre Produkte in der bestmöglichen Qualität zum geringstmöglichen Preis an-bieten und dabei sehr strenge Arbeits- und Umweltschutzvorschriften beachten. Das lässt sich nur durch ein genau ausge-wogenes Verhältnis zwischen möglichst hoher Anlagenzuverlässigkeit und möglichst niedrigen Instandhaltungskosten erreichen – keine leichte Aufgabe.

Wie bei allen komplexen Aufgaben lässt sich dieses Ziel durch professionelle Schu-lungen leichter erreichen. Viele Unternehmen veranstalten Schulungen zu einem oder mehreren Aspekten dieses Themas, aber nur SKF bietet ein umfassendes Programm an, das alle Aspekte der Maschinenzuver-lässigkeit berücksichtigt, von der Fertigung bis zum Management.

SKF SchulungskurseDie meisten SKF Schulungskurse haben einen theoretischen und einen praktischen Teil.

Die Schulungsprogramme sind auf skf.com in den Rubriken der nationalen SKF Webseiten zu finden.

Zusätzlichen zu den lokalen Schulungen bietet SKF auch Kundenschulungen an, die speziell auf den Kundenbedarf zugeschnitten sind. Diese Kurse werden wahlweise beim Kunden oder in SKF Schulungszentren veranstaltet.

Kundenutzen

• Besseres Verständnis der Lager und lagerspezifischer Probleme

• Aufklärung über geeignete Hand-habung für eine einheitlich hohe Qualität und Zuverlässigkeit

• Auf den Kundenbedarf abgestimmte Schulungen

• Wissens- und Kompetenzgewinn

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11 AnwendungenHochgeschwindigkeits - fahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Elektro- und Diesel - lokomotiven . . . . . . . . . . . . . . . . 228

Elektro- und Dieseltriebwagen . . 230

Niederflurfahrzeuge . . . . . . . . . . 232

224

Anwendungen

Schon seit Jahrzehnten gibt es kontinuierliche Verbesserungen bei Fahrmotoren und Getrieben. SKF hat mit zahlreichen Inno-vationen zu diesen Fortschritten beigetragen (s. vorherige Kapitel). Diese Innovationen basieren auf den Erfahrungen, die SKF bei der Konzeption, Entwicklung und Fertigung von Lagern, Lagereinheiten, Mechatronik-Bauteilen, Dichtungen und Dienstleistungen hat. Auf den folgenden Seiten werden aktuelle Ausführungen und einige der größeren Anwendungsfälle vorgestellt, in denen SKF Lösungen aus unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommen.

In den meisten Fällen werden Antriebs-systeme an die Spezifikationen der Her-steller und die Anforderungen der Bahn-betreiber angepasst. In mehreren Fällen kommt ein Antriebssystem für identische oder ähnliche Drehgestellplattformen zum Einsatz, die ein Hersteller für unterschied-liche Fahrzeuge oder Betreiber entwickelt.

Einige einleitende Anmerkungen zu den Anwendungsfällen, die auf den folgenden Seiten beschrieben werden:

• SKF Lösungen für Antriebssysteme kom-men weltweit in den unterschiedlichsten Triebfahrzeugen zum Einsatz. Genauso wie bei Radsatzlagern gibt es einen globalen Trend zur Verwendung einbaufertiger, werkseitig vorgeschmierter Lagereinheiten mit integrierten Dichtungssystemen an beiden Seiten.

• Zum Schutz der Lager gegen Stromdurch-g ang bietet SKF stromisolierte Lösungen wie INSOCOAT Lager, Hybridlager und Fahrmotor-Lagereinheiten an. Diese

Einheiten kommen insbesondere bei frequenzgesteuerten Antriebssystemen vorrangig zur Anwendung.

• Immer mehr Fahrmotoren sind mit Mechatroniksystemen ausgestattet, die ausgewählte Betriebsparameter messen, die Rotorlage erkennen (Antriebssteue-rungen) oder das Antriebssystem überwachen.

• Serviceangebote werden auf den Herstel-ler- oder Betreiberbedarf zugeschnitten. Typische Beispiele sind technische Bera-tung, Serviceberatung, Einbau, globaler Ersatzteilservice, Rekonditionierung und Logistik.

• SKF unterhält ein internationales Netz-werk aus Vertriebsspezialisten, Anwen-dungsexperten und Servicetechnikern, die in nationalen und internationalen Projekten mitwirken und eng mit Herstel-lern und Betreibern zusammenarbeiten.

• SKF stellt Lösungsangebote zusammen, die auf den individuellen Bedarf des Kunden abgestimmt sind.

225

11

HochgeschwindigkeitszügeFür mittlere Entfernungen ab mehreren hundert Kilometern sind Hochgeschwindig-keitszüge eine attraktive und umwelt-freundliche Alternative zum Flugzeug und Automobil. Die Bahnhöfe liegen in der Regel direkt im Stadtzentrum und Reisende können sie schnell und ohne Parkplatzprobleme, verstopfte Autobahnen oder zeitaufwändige Shuttle-Fahrdienste erreichen.

Es gibt unterschiedliche Definitionen von Hochgeschwindigkeitszügen. Meist werden darunter Züge mit einer Mindesthöchst-geschwindigkeit von 200 km/h verstanden, aber es gibt auch andere Definitionen, die eine Mindesthöchstgeschwindigkeit von über 250 km/h verlangen. Im oberen Segment dieser Klasse werden Betriebs-geschwindigkeiten von 300 km/h und mehr erreicht. Sehr hohe Geschwindigkeiten und lange Wartungsintervalle sind typische An-forderungen an Hochgeschwindigkeitszüge.

Noch vor wenigen Jahren wurden Hoch-geschwindigkeitszüge von einer zentralen Elektroeinheit angetrieben, die zusammen mit der Fahrerkabine den ersten Wagen bildete. Aufgrund der hohen Leistung ist bei dieser Art der Lokomotive die Achslast deut-lich größer als bei einem Triebzug. Moderne Hochgeschwindigkeitszüge sind im Regelfall als Triebzug ausgeführt. Meist ist ein Drittel bis zur Hälfte der Achsen angetrieben. Triebzüge können eine sehr große Leistung haben. Ihre Antriebssysteme sind kleiner als bei Lokomotiven, da die Achsen leichter ausgeführt werden können, die ungefederten Massen geringer sind und das Leistungs-verhalten besser ist.

SKF bietet Komplettlösungen aus Lagern und kundenspezifisch gefertigten Lager-einheiten, Zustandsüberwachungssystemen, technischer Beratung und Servicesupport an.

Chinesische Hochgeschwindigkeitszüge CRH1A und CRH1B, Höchstgeschwindigkeit 200 und 250 km/h, Leis-tung 5 300 und 11 000 kW, in Betrieb seit 2004.

SKF INSOCOAT Fahrmotorlager

Foto: Bvehk

Chinesischer Hochgeschwindigkeitszug CRH3, Velaro CN, Höchstgeschwindigkeit 350 km/h, Leistung 8 800 kW, in Betrieb seit 2007.


Foto: Siemens-Pressebild

Chinesischer Hochgeschwindigkeitszug CRH 1 E, Zefiro 380, Höchstgeschwindigkeit 380 km/h, Leistung 16 x 500 kW, in Betrieb ab 2012.


SKF Getriebelager

Foto: Bombardier

226

Chinesischer CRH5 Pendolino, Geschwindigkeit 250 km/h, Leistung 10 x 550 kW, in Betrieb seit 2007.

SKF Fahrmotorlager

Foto: Poeloq

Italienische Neigezüge ETR 460, ETR470 und ETR 480 Pendolino, Höchstgeschwindigkeit 250 km/h, Gesamtleistung 6 000 kW, in Betrieb seit 1992.


SKF Getriebelager

Foto: SBB

Koreanischer KTX Hochgeschwindigkeitszug, Geschwindigkeit 300 km/h, Leistung 12 x 1 130 kW, in Betrieb seit 2004.

SKF Fahrmotorlager

Foto: KTX

Deutscher Hochgeschwindigkeitszug DB ICE 3, Höchstgeschwindigkeit 330 km/h, Leistung 16 x 500 kW, in Betrieb seit 1999.


SKF Getriebelager

Foto: DB AG/Wolfgang Klee

Spanischer Hochgeschwindigkeitszug AVE S 102, Höchstgeschwindigkeit 330 km/h, Fahrmotoren von Siemens, Leistung 8 x 1 000 kW, in Betrieb seit 2005.


Foto: Talgo

Spanischer Hochgeschwindigkeitszug AVE S 103, Velaro E, Höchstgeschwindigkeit 350 km/h, Strom 16 x 550 kW, in Betrieb seit 2007.


SKF Getriebelager

Foto: Bonaventura Leris

11

227

Elektro und DiesellokomotivenSie sind die Arbeitspferde für den Transport von Personen und Gütern. Einige Bahnbe-treiber setzen die Loks auch vor Hochge-schwindigkeitszügen ein. Eine Lokomotive ist ein Schienenfahrzeug, das einen Zug be-wegt, ohne selbst Passagiere oder Güter zu befördern.

Diesellokomotiven können einen elektri-schen oder hydraulischen Antrieb haben. Dieselelektrische Lokomotiven haben darü-ber hinaus einen Generator, der von Lagern geführt wird († Seite 39). Da der Haupt-antrieb ein Dieselmotor ist, ist die Gesamt-leistung begrenzt. In einigen Fällen kommen auch zwei Dieselmotoren pro Lokomotive zum Einsatz.

Elektrolokomotiven können für eine höhere Nennleistung als Diesellokomotiven ausgelegt werden, da bei letzteren das höhere Gewicht des Dieselmotors berücksichtigt werden muss. Für höhere Geschwindigkeiten sind zunehmend komplexe Getriebedesigns erhältlich, mit denen sich die ungefederte Masse reduzieren und ein besseres Leis-tungsverhalten erzielen lässt.

Für eine hohe Fahrmotorleistung sind relativ große antriebsseitige Fahrmotorlager mit hohen dynamischen und statischen Tragzahlen erforderlich. Einige Ausführungen besitzen ölgeschmierte Fahrmotorenlager, die fest in die Getriebekonstruktion integriert sind. Für diese Anwendungen fertigt SKF spezielle Käfigausführungen († Kapitel 3).

Tatzgelagerte Fahrmotorausführungen kommen bei niedrigen Geschwindigkeiten zum Einsatz (z.B. im Gütertransport). Die Höchstgeschwindigkeit beträgt dabei je nach Betreiberspezifikation 120 bis 140 km/h. Die Geschwindigkeit hat direkten Einfluss auf den Verschleiß der Schienen, Räder und weiterer Komponenten.

SKF bietet Komplettlösungen aus Lagern und kundenspezifisch gefertigten Lagerein-heiten, Zustandsüberwachungssystemen, technischer Beratung und Servicesupport an.

Chinesische Elektrolokomotive DJ4, Höchstgeschwindigkeit 120 km/h, Leistung 8 x 1 200 kW, in Betrieb seit 2006.



US-amerikanische dieselelektrische Lokomotiven ziehen meist sehr lange Güterzüge und haben eine Nenngesamtleistung von 2 200 kW (3 000 PS) bis 4 500 kW (6 000 PS).


SKF Generatorlager

Österreichische Elektrolokomotive ÖBB 1016/1116, Taurus, Höchstgeschwindigkeit 230 km/h, Leistung 4 x 1 600 kW, in Betrieb seit 2000.


SKF Getriebelager

Foto: ÖBB

228

Deutsche Elektrolokomotive DB-Railion 189, geeignet für unterschiedliche Elektrosysteme in Europa, Höchstgeschwindigkeit 140 km/h, Leis-tung 4 x 1 600 kW, in Betrieb seit 2003.


SKF Getriebelager

Foto: Foto: DB AG/Wolfgang Klee

Indische Diesellokomotive WDG-2A, Höchstgeschwindigkeit 100 km/h, Gesamtleistung 2 300 kW, in Betrieb seit 1995.

SKF Fahrmotorlager

Chinesische Diesellokomotive HXN5, Co-Co-Drehgestell, Höchstgeschwindigkeit 120 km/h, Leistung 4 660 kW, in Betrieb seit 2008.


SKF Getriebelager

Foto: www.zacliu.com

Chinesische Elektrolokomotive HXD1B (6F), Höchstgeschwindigkeit 120 km/h, Leistung 9 600 kW, in Betrieb seit 2006.


Foto: Alancrh

Italienische Elektrolokomotive Trenitalia E464, Höchstgeschwindigkeit 160 km/h, Nennleistung 3 000 kW, in Betrieb seit 2000 [43].

SKF Fahrmotorlager

SKF Getriebelager

Foto: Orlovic

Schweizer Elektrolokomotive SBB Re 460, Höchstgeschwindigkeit 230 km/h, Leistung 4 x 1 525 kW, in Betrieb seit 1992.


SKF Getriebelager

Foto: SBB

11

229

Elektro und DieseltriebwagenZur Personenbeförderung im Nah- und Fernverkehr kommen zunehmend elektri-sche und dieselmotorische Triebwagenzüge zur Anwendung – vor allem dort, wo kürzere Züge in engen Zeitintervallen fahren müs-sen. Darüber hinaus gibt es Züge aus einer oder zwei Lokomotiven und mehreren Personenzugwagen.

Dieseltriebwagen können genauso wie Lokomotiven einen elektrischen oder hy-draulischen Antrieb haben. Dieselelektrische Triebwagen haben Generatoren, die von Lagern geführt werden († Kapitel 2). Da der Hauptantrieb ein Dieselmotor und der Einbauraum begrenzt ist, ist auch die Gesamtleistung begrenzt. In einigen Fällen kommen auch zwei Dieselmotoren pro Wagen zum Einsatz.

Die Antriebsausführung von elektrischen Triebwagen und S- bzw. U-Bahnen weist häufig erhebliche Gemeinsamkeiten mit Hochgeschwindigkeitszügen auf. Anderer-seits sind einige elektrische Triebwagenaus-führungen auch für den Massentransport geeignet (z.B. als S- und U-Bahnen). Ihre Antriebssysteme sind relativ klein, so dass die Achsen leichter ausgeführt werden können, die ungefederten Massen geringer sind und das Leistungsverhalten besser ist.

Tatzgelagerte Fahrmotorausführungen kommen nur bei niedrigen Geschwindigkeiten zum Einsatz. Die Geschwindigkeit hat direk-ten Einfluss auf den Verschleiß der Schienen, Räder und weiterer Komponenten.


Metro in Shanghai, Geschwindigkeit 120 km/h, Leistung 7 200 kW, in Betrieb seit 2006.


Foto: Bombardier

Tschechischer Elektrotriebwagen 471, Höchstgeschwindigkeit 160 km/h, Leistung 4 x 500 kW, in Betrieb seit 2001.

SKF Fahrmotor-Lagereinheiten

Foto: Petr Štefek

Straßenbahn in Köln, K 5000, Höchstgeschwindigkeit 80 km/h, Leistung 4 x 120 kW, in Betrieb seit 2002 [41].

SKF Hybridfahrmotor-Lagereinheiten

Foto: Rolf Hafke

230

U-Bahn in Caracas, Höchstgeschwindigkeit 80 km/h, Leistung 24 x 200 kW, in Betrieb seit 2010.

SKF Hybrid-Fahrmotorlager

Foto: Leif Åbjörnsson

Slowenischer Elektrotriebwagen EMR 312, Desiro, Höchstgeschwindigkeit 140 km/h, Leistung 4 x 412 kW, in Betrieb seit 2000.



Schweizer Elektrotriebwagen SBB RABe 521/523, FLIRT, Höchstgeschwindigkeit 160 km/h, Leistung 4 x 500 kW, in Betrieb seit 2004.


Foto: SBB

U-Bahn in Hamburg, DT4, Höchstgeschwindigkeit 80 km/h, Leistung 8 x 125 kW, in Betrieb seit 1988 [4].

SKF Fahrmotorlager

SKF Getriebelager

Foto: Platte C

U-Bahn in Istanbul, Höchstgeschwindigkeit 80 km/h, Leistung 8 x 200 kW, in Betrieb seit 2012.

SKF Hybrid-Fahrmotorlager

Foto: CAF

Britische Triebwagenklasse 350, Desiro GB (im Einsatz bei mehreren Unternehmen), Höchstgeschwindigkeit 160 km/h, Gesamtleistung 1 500 kW, in Betrieb seit 2005.


Foto: Oxyman

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NiederflurfahrzeugeNahverkehrszüge sind angesichts überfüllter Straßen in Stadtzentren und Vorstädten eine wichtige Alternative zum Automobil. S-Bahnen, U-Bahnen und Straßenbahnen finden sich praktisch überall auf der Welt.

Die Unterschiede zwischen den einzelnen Fahrzeugtypen sind oft nur rechtlicher Natur. Die Fahrzeuge können die Schienen-fahrzeugnormen erfüllen und werden von Bahngesellschaften betrieben. Fahrzeuge, die nicht von Bahngesellschaften betrieben werden, beispielsweise für den Nahverkehr, müssen spezielle Vorschriften erfüllen (z.B. landesspezifische Straßenbahn-Normen).

Für Stadt- und Straßenbahnen können daher sehr unterschiedliche technische Konzepte gelten (Nieder-, Mittel-, Hoch- und Normalflurausführungen). Auch die Wagenlänge kann sich erheblich zwischen den einzelnen Fahrzeugtypen unterscheiden. Daher werden in der Praxis unterschiedliche Antriebsausführungen bzw. Einzelradanord-nungen benötigt. Diese lassen sich als Rad-nabenmotoren ausführen († Kapitel 2).

In einigen Städten werden in den Stadt-zentren auch Busse mit Oberleitung ein-gesetzt, die weniger umweltbelastend als herkömmliche Busse sind. Die Fahrmotoren dieser Trolleybusse weisen zahlreiche Ähn-lichkeiten mit Straßenbahnmotoren auf und werden in diesem Kapitel berücksichtigt. Die Getriebe basieren meist auf aktuellen Bus-differenzial- und Achsgetriebekomponenten.


Straßenbahn in Prag, 15T, Höchstgeschwindigkeit 60 km/h, Leistung 16 x 60 kW, in Betrieb seit 2010 [33].

SKF Hybridfahrmotor-Lagereinheiten mit Absolutpositionssensoren

Foto: Honza Groh

Straßenbahn in Graz, Cityrunner, Höchstgeschwindigkeit 70 km/h, Leistung 8 x 50 kW, in Betrieb seit 2001.

SKF Hybrid- und INSOCOAT Fahrmotorlager

Foto: Grazer Verkehrsbetriebe

Trolleybus in Salzburg, Höchstgeschwindigkeit 65 km/h, Leistung 1 x 172 kW, in Betrieb seit 1996 [44].

SKF INSOCOAT Fahrmotor-Lagereinheiten

Foto: Gunter Mackinger

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Straßenbahn in Nürnberg, Höchstgeschwindigkeit 80 km/h, Leistung 3 x 120 kW4), in Betrieb seit 1995.


SKF Getriebelager

Foto: LieselFoto: ŠKODA ELECTRIC a.s.

Tschechischer Trolleybus Czech Plzen 21 Tr, Höchstgeschwindigkeit 65 km/h, Leistung 140 – 175 kW1), in Betrieb seit 2001 [41].

SKF Hybridfahrmotor-Lagereinheiten

USA, Houston (TX), Leichtschienenfahrzeug MetroRail, Avanto, Höchstgeschwindigkeit 105 (120) km/h, Leistung 4 x 130 kW, in Betrieb seit 2001.



Straßenbahn Paris, Linie 2, Typ Alstom Citadis, Höchstgeschwindigkeit 70 (80) km/h, Leistung 4 x 120 kW2), in Betrieb seit 2003.

SKF Fahrmotorlager

SKF Getriebelager

Foto: Schachi

2) Ähnliche Fahrmoto-ren und Getriebe in Australien: Mel-bourne: Frankreich: Bordeaux, Lyon, Montpellier, Orléans und Paris. Irland: Dublin. Niederlande: Rotterdam. Spanien: Barcelona

Straßenbahn in Rostock, 6NGTWDE, Höchstgeschwindigkeit 70 km/h, Leistung 4 x 95 kW5), in Betrieb seit 1994 [4].

SKF Fahrmotorlager

Foto: Darkone

Variobahn in Chemnitz, Höchstgeschwindigkeit 70 km/h, Radnabenmotor-antrieb († Kapitel 2), Leistung 8 x 45 kW3), in Betrieb seit 1998, Prototyp seit 1993 [4].

SKF Fahrmotorlager

Foto: Olaf Just

1) Ähnliche Fahrmoto-ren in Österreich: Linz und Salzburg. Weißrussland: Minsk. Tschechische Repu-blik: Hradec Králové. Frankreich: Lyon. Deutschland: Esslin-gen und Solingen. Griechenland: Athen. Ungarn: Budapest. Italien: Bologna, Mailand, Modena und Parma. Nieder-lande: Arnhem. Ru-mänien: Bukarest, Schweiz: Bern und Biel. USA: Boston.

5) Ähnliche Fahrmoto-ren in Deutschland: Bielefeld, Darm-stadt, Erfurt, Essen, Freiburg, Heidelberg, Karlsruhe, Leipzig, Ludwigshafen, Mag-deburg, Mannheim und Rostock. Belgien: Antwerpen

3) Ähnliche Fahrmoto-ren in Deutschland: Bochum, Duisburg, Heidelberg, Lud-wigshafen, Mainz, Mannheim, Mün-chen, Nürnberg, Potsdam. Australien: Sydney. Österreich: Graz. Finnland: Hel-sinki. Norwegen: Bergen.

4) Ähnliche Fahrmoto-ren und Getriebe in Deutschland: Augs-burg, Berlin, Braun-schweig, Bremen, Frankfurt (Oder), Jena und München. Japan: Kumamoto

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233

IndexStichwörter@ptitude Observer . . . . . . . . . . . . . . . 200

AAbsolutpositionssensoren . . . . . . . . . . . 187Abzieher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Adhäsiver Verschleiß. . . . . . . . . . . . . . . 173Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148Analysesoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Anschlussleistung und Auslastung . . . . 148Antriebe mit Tatzlagerung . . . . . . . . 30, 43Antriebsausführungen . . . . . . . . . . . . . 26Antriebslösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Antriebssystem-Entwicklung . . . . . . . . 9Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . 224Arbeitshandschuh TMBA G11W . . . . . . 213Äquivalente dynamische Lagerbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Aufarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218Ausbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Ausfallmatrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179Ausfallschutz via Trendbeobachtung . . . 192Ausführung und Entwicklung . . . . . . . . 18Ausführungen mit Sensoren – TMBU . . 140Ausführungsvarianten . . . . . . . . . . . . . 27Auszeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22AXLETRONIC Sensoren . . . . . . . . . . . . 199

BBaker Instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Bauform N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Bauform NH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Bauform NJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Bauform NU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Bauform NUP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75Bearing Beacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161Bearing Select . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158BEAST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162Berührungsdichtungen . . . . . . . . . . . . 86Berührungsfreie Dichtungen . . . . . . . . 85Betrieb und Überwachung . . . . . . . . . . 18Betriebsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 168Bevorzugte Auswahl – Hybridlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124Bevorzugte Auswahl – INSOCOAT Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Bevorzugte Auswahl – Kegelrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93Bevorzugte Auswahl – TMBU Festlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Bevorzugte Auswahl – TMBU Loslager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Bevorzugte Auswahl – Vierpunktlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Bevorzugte Auswahl – Zylinderrollen lager . . . . . . . . . . . . . . . . 82Bezugsdrehzahlen – Zylinderrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . 81Binning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155BPFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197BPFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Bruch- und Rissbildung . . . . . . . . . . . . 178Brünieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81BSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Business Excellence . . . . . . . . . . . . . . . 20

DDeckscheiben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85Dienstleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 210Dieselhydraulische Fahrzeuge . . . . . . . 58Diesellokomotiven – Anwendungsfälle . 228Dieseltriebwagen – Anwendungsfälle . . 230Drehgestell-Zustandsüberwachung . . . 192Drehrichtungserkennung . . . . . . . . . . . 186Drehzahl- und Absolutpositionssensoren . . . . . . . . . . . 187Drehzahlsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . 184Durchführung – Sensoren . . . . . . . . . . 183Dynamische Lagerbelastungen – Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

EE2 Ausführung – Rillenkugellager . . . . . ??E2 Ausführung – Zylinderrollenlager . . . 77Einbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212Einbau und Inbetriebnahme . . . . . . . . . 18Eindrückung durch Schmutz . . . . . . . . 177Eindrückung durch Transport . . . . . . . . 177Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Einlaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91Einmotorige Drehgestelle . . . . . . . . . . . 36Einsatzmöglichkeiten IMx-R . . . . . . . . . 208Einzelradantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Elektro- und dieselelektrische Lokomotiven – Antriebsausführungen. . 43Elektro- und dieselelektrische Triebwagen – Antriebsausführungen . . 47Elektro- und Diesellokomotiven – Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . 228Elektro- und Dieseltriebwagen – Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . 230Elektroerosion . . . . . . . . . . . . . . 104, 176Ermüdung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Ermüdung beginnend unter der Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172Ermüdung durch Oberflächendefekte . . 172Ermüdungsbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . 178Erweiterte Berechnungen . . . . . . . . . . 161

FFahrmotor-Lagereinheiten . . . . . . . . . . 126Fahrmotoren – Entwicklungsschritte . . 37FEM-Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Fertigung und Prüfung . . . . . . . . . . . . . 18Festlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Festlager – TMBU . . . . . . . . . . . . . . . . . 136Fettschmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160Feuchtigkeitskorrosion . . . . . . . . . . . . . 174Fokus, Gegenwart und Zukunft . . . . . . . 14Frequenzumrichter . . . . . . . . . . . . . . . . 107FTF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197Funktion und Lagerlebensdauer . . . . . . 144

GGeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Gewaltbruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

HHakenschlüsselsatz . . . . . . . . . . . . . . . 214Historische Anwendungsfälle . . . . . . . . 11Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge – Antriebsausführungen . . . . . . . . . . . . . 39 Hochgeschwindigkeitsfahrzeuge – Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . 226Hüllkurvenverfahren . . . . . . . . . . . . . . 196Hybridlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121Hybridlagerprüfung . . . . . . . . . . . . . . . 125Hydraulischer EasyPull

IIMx-R Onlinesystem . . . . . . . . . . . . . . . 195Induktions-Anwärmgerät . . . . . . . . . . . 213INSOCOAT Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . 115INSOCOAT Lagerdaten . . . . . . . . . . . . . 117INSOCOAT Spezifikationen . . . . . . . . . . 117INSOCOAT und Hybridlager . . . . . . . . . 98Instandhaltung und Aufarbeitung . . . . . 18Instandhaltungsintervalle . . . . . . . . . . . 15Integrationsbeispiel – Sensoren . . . . . . 182

234

KKegelrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Kompaktheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Kugelpassierfrequenz . . . . . . . . . . . . . . 197Kugelspinfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . 197Käfige – Kegelrollenlager . . . . . . . . . . . 92Käfige – Rillenkugellager . . . . . . . . 86, 87Käfige – Zylinderrollenlager . . . . . . . . . 79

LLagerabziehersatz . . . . . . . . . . . . . . . . 217Lagerausführungen, aktuell . . . . . . . . . 12Lagerberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 142Lagereigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 63Lagereinbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Lagereinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127Lagergebrauchsdauer . . . . . . . . . . . . . 145Lagerkontrolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166Lagerpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Lagerprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97Lagerschaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168Lagerschadenklassifizierung . . . . . . . . . 171Lagerabzieher mit Trennstück . . . . . . . . 217Lastzyklus-Reduzierung . . . . . . . . . . . . 155Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . 149, 156Lebenszyklus-Management . . . . . . . . . 19Lebenszyklus-Partnerschaft . . . . . . . . . 18Leckströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14Loslager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66Loslager – TMBU . . . . . . . . . . . . . . . . . 138Längere Gebrauchsdauer . . . . . . . . . . . 132Längsantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . 35, 50Längsantriebe für Trolleybusse . . . . . . . 55Lösungsangebote . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

MMicrolog Analysator . . . . . . . . . . . . . . . 207Microlog CMXA Reihe . . . . . . . . . . . . . . 207Mindestbelastung – Zylinderrollenlager . 81Motorprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221Multilog IMx-R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

NNachsetzzeichen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Niederflurfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . . 15Niederflurfahrzeuge – Anwendungsfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Niederflurfahrzeuge – Antriebsausführungen . . . . . . . . . . . . . 51

OO-Anordnung – Schrägkugellager . . . . 70

Ölschmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Optimierte Fettlebensdauer . . . . . . . . . 133

PPlastische Verformung . . . . . . . . . . . . . 177Potenzial des elektrischen Stromfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Praxistests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Prüftechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

QQCL7C Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Qualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Quellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236Querantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30, 47

RRadnaben-Fahrmotor . . . . . . . . . . . . . 57Reibkorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174Reibungsarme Dichtungen . . . . . . . . . . 86Reibverschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Rillenkugellager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

SS- und U-Bahnen – Anwendungsfälle . 230Schadens- und Ausfallmatrix . . . . . . . . 179Schadensprogression . . . . . . . . . . . . . . 171Schmierfettprüfsatz TKGT 1 . . . . . . . . . 222Schmierstoffalterung . . . . . . . . . . . . . . 106Schmierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159Schmierungskontrolle . . . . . . . . . . . . . 222Schrägkugellager . . . . . . . . . . . . . . . . . 69Schulungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Schutz gegen Stromdurchgang . . . . . . 99Semigefederte Antriebe . . . . . . . 33, 35, 48Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180Sensoren für die Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . 199Serviceverlängerung . . . . . . . . . . . . . . 219Six Sigma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20SKF Asset Life Cycle Management . . . . 19SKF Business Excellence . . . . . . . . . . . 20SKF Explorer – Rillenkugellager . . . . . . 86SKF Explorer – Zylinderrollenlager . . . . 77SKF Six Sigma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Spezifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . 18, 146Statische Motorprüftechnik . . . . . . . . . 221Stillstandsmarkierungen . . . . . . . . . . . 175Stromfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

TTandem-Anordnung – Schrägkugellager . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Tatzgelagerte Antriebe . . . . . . . . . . . . . 43

Tatzlagergehäuse . . . . . . . . . . . . . . . 31, 60TKGT 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222TMBA G11W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213TMBU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127TMMA Abzieher . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Toleranzen – Zylinderrollenlager . . . . . 80TQ-Line Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90Tragbares Induktions-Anwärmgerät TIH 030m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213Triebköpfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Triebwagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

UÜberlastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177Überspannung . . . . . . . . . . . . . . . 104, 176Überwachungsprinzipien . . . . . . . . . . . 196Ursachenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

VValidierung IMx-R . . . . . . . . . . . . . . . . . 201Variable Betriebsbedingungen . . . . . . . 153Verifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173Vierpunktlager . . . . . . . . . . . . . . . . . 69, 71Viskositätsverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . 159Vollgefederte Antriebe . . . . . . . 34, 46, 49Vorsetzzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

WWahl der Elektroisolierung . . . . . . . . . . 112Wahl der Lagerart . . . . . . . . . . . . . . . . 64Wärmespannungsrisse . . . . . . . . . . . . 178

XX-Anordnung – Schrägkugellager . . . . 70

ZZertifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Zug-Grundfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . 197Zusatzbezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . 94Zustandsüberwachung . . . . . . . . . . . . . 190Zuverlässigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Zweiradantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Zylinderrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . 75

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Quellen

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PUB 42/P7 13085 DE · August 2014

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