„Future Technology Award“ für Prof. Stephan Tremmel

Egal in welcher Bauform: Wälzlager sind wesentliche Bestandteile in allen Systemen, bei denen sich etwas dreht: Aus Getrieben für Windkraftanlagen oder unterschiedlichsten Anwendungen im Bereich der Mobilität sind sie nicht wegzudenken. Die zunehmende Elektrifizierung vieler Anwendungen führt hier jedoch zu neuen Herausforderungen. Eine davon: sogenannte parasitäre elektrische Spannungen, die zu fehlgeleiteten Strömen führen. Sie können unterschiedlichste Bauteile schädigen — auch Wälzlager.

Die Schaeffler FAG Stiftung unterstützt nun mit den im Rahmen des „Future Technology Award” ausgelobten 100.000 Euro eine Forschungsidee an der Universität Bayreuth. Hier untersucht Professor Dr.-Ing. Stephan Tremmel neue Wege, Wälzlager vor diesem Phänomen zu schützen.
„Wir sehen in dieser Idee einen hoch innovativen Forschungsansatz”, sagt Andreas Hamann, Vorsitzender Stiftungsvorstand und Leiter Personal Europa bei Schaeffler. Genau für solche Vorhaben, deren reale Umsetzbarkeit nur unter sehr hohem Risiko und unklaren Erfolgsaussichten erprobt werden kann, haben wir den Future Technology Award geschaffen.”

Unausgeglichene Umrichter lassen parasitäre Ströme entstehen

„Zunehmend entstehen parasitäre Potentiale durch höhere Schaltfrequenzen in Umrichtern in Verbindung mit dort eingebauten billigen leistungselektronischen Komponenten“, sagt Professor Stephan Tremmel. Diese Umrichter wandeln Wechselspannung in eine sich in Frequenz und Amplitude unterscheidende Wechselspannung. Man benötigt sie zum Beispiel zur Steuerung und Regelung drehzahlveränderlicher Elektromotoren.

Diese parasitären Potentiale landen auch im mechanischen Antriebsstrang. „Wenn sie groß genug sind, entladen sie sich und führen zu Entladungsströmen – was sehr oft am Wälzlager der Fall ist”, sagt Tremmel und erklärt: „Man kann sich das wie kleine Blitze - Lichtbögen - über den Schmierstoff hinweg vorstellen, die nach und nach die Oberfläche der Wälzkörper schädigen.” Diese „Elektroerosion“ kann dann unter anderem zu unerwünschten Schwingungen, einer Temperaturerhöhung oder sogar zum frühzeitigen Ausfall führen.

Aktuell werden Lager mit Keramik-Wälzkörpern eingesetzt oder Lager mit thermischen Spritzschichten versehen, die dann eine elektrische Isolierung gewährleisten sollen. Diese Lager sind jedoch im Vergleich zu herkömmlichen sehr teuer und daher nicht für jede Anwendung geeignet.

Förderung einer kreativen Idee

Bislang sind daher oft Bürsten in Ringform oder Schleifkontakte, die an der drehenden Welle angebracht werden, im Einsatz, um Ströme kontrolliert abzuleiten. Das funktioniert jedoch wegen des Verschleißes nicht zuverlässig, wenn die Drehzahlen höher werden. Da aus Leichtbau- und Energieeffizienzgründen die Drehzahlen bei Elektro- oder Hybridantrieben jedoch steigen, bedarf es hier einer anderen Lösung. Zudem erzeugen die Schleifkontakte zusätzliche Reibung. „Wir haben uns die Frage gestellt: Wie können wir diese Nachteile umgehen?”, sagt Tremmel.

Der Grundgedanke: Stromableiten über einen metallischen Festkörperkontakt funktioniert im Stillstand und bei kleinen Drehzahlen sehr gut. In der Verfahrens- oder Feinwerktechnik gibt es so genannte Flüssigkeitsringdichtungen. Bei diesen wird eine Flüssigkeit bei hohen Drehzahlen durch die Fliehkraft nach außen geschleudert und dichtet dann beispielsweise eine Welle ab. „Dieses Prinzip wollen wir uns zunutze machen”, sagt Tremmel, der weitere Details zur Umsetzung noch nicht machen möchte, da er noch am Anfang seines Projekts steht.

Forschung an der Universität Bayreuth

An diesem arbeitet Stephan Tremmel an seinem Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Bayreuth. „Ich freue mich sehr, dass die Schaeffler FAG Stiftung in der Idee ein so großes Innovationspotenzial sieht, dass sie unsere Arbeit mit dem Future Technology Award unterstützt“, sagt Tremmel. Mit dem Fördergeld in Höhe von 100.000 Euro könne die Idee nun vorangetrieben und konkretisiert werden.

Im Detail bedeutet dies, dass nun weitere Berechnungen und Simulationen angestellt werden. Dafür hat Tremmel bereits ein Team am Lehrstuhl zusammengestellt. „Anschließend folgt die Umsetzung in Prototypen und in einem weiteren Schritt kommen diese zu unterschiedlichen Testverfahren auf den Prüfstand“, sagt der Ingenieur.