Elektrische Spannung: Kaiserslauterer Ingenieure erforschen Versagen bei Kugellagern

Kugellager bestehen aus einem Innen- und Außenring, dazwischen befinden sich Kugeln als Wälzkörper. Sie sorgen dafür, dass sich der Reibungswiderstand zwischen zwei Bauelementen verringert. Oftmals werden die Lager in elektrischen Maschinen verwendet. „Bei hohen Drehzahlen trennt ein Schmierfilm die Kugeln von den Laufbahnen, dabei kann es zu Stromüberschlägen im Lager kommen“, sagt Professor Dr. Bernd Sauer, der an der TU Kaiserslautern den Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik innehat. Der Stromfluss kann die Metalloberflächen durch Funken zerstören, es kann aber auch zum „Verbrennen“ des Schmierfilms, etwa Fett, kommen.

Durch die Funkenüberschläge kann die Oberfläche der Kugellager, die meist aus Metall bestehen, schmelzen. „Die Struktur wird geschädigt. Mit bloßem Auge sind diese Veränderungen nicht zu erkennen“, so Sauer weiter. „Unter dem Mikroskop kann man aber kraterartige Verformungen eindeutig erkennen.“ In der Folge berühren sich die mit den Kratern entstandenen mikroskopischen Berge an der Oberfläche des Kugellagers und das Bauteil ist beschädigt. Darüber hinaus kann elektrische Spannung auch Schmierstoffe, etwa Fette und Öle, der Kugellager in Mitleidenschaft ziehen. Sie verbrennen gewissermaßen. Die Stoffe können ihre Funktion nicht mehr erfüllen und müssen ausgetauscht werden.

Was genau bei einem solchen Kugellager passiert, wenn es einer elektrischen Spannung ausgesetzt ist, hat Benjámin Radnai im Rahmen seiner Doktorarbeit am Lehrstuhl von Professor Sauer erstmals untersucht. Er hat eigens einen Prüfstand entwickelt, an dem er Kugellager elektrisch isoliert beobachten konnte. „Damit war es möglich, elektrische und mechanische Beanspruchungen voneinander zu unterscheiden“, sagt Radnai, der mittlerweile in der Schweiz bei einem Unternehmen für Bahntechnik arbeitet. Er konnte auf diese Weise überprüfen, wie sich Drehzahl, Schmiermittel und Temperatur auf den Stromfluss auswirkt. Auch Faktoren wie Lagergröße und Belastung konnte er genau unter die Lupe nehmen.

Die Erkenntnisse möchten die Forscher um Sauer nun nutzen, um Methoden zu entwickeln, mit denen sich die Beschädigungen von Kugellagern verringern lassen. „Denkbar sind zum Beispiel neuartige Schmierstoffe, die Strom leiten können und so den Funkenschlag reduzieren“, sagt Sauer.

Radnai hat für seine Promotion „Wirkmechanismen bei spannungsbeaufschlagten Wälzlagern“ kürzlich den mit 4.000 Euro dotierten zweiten Platz beim Innovation Award 2016 der Schaeffler FAG Stiftung für Wissenschaft, Forschung und Lehre erhalten. Mit diesem Preis werden herausragende Abschlussarbeiten zur Lagerungstechnik ausgezeichnet. Schon in den zurück liegenden Jahren sind drei Doktoranden von Professor Sauer für ihre Arbeiten mit dem FAG Innovation Award gewürdigt worden.