- Wälzlager mit Sensoren und integrierter bzw. benachbarter Energieversorgung breiten sich unsichtbar und unaufhaltsam aus. Zum Beispiel Schienenfahrzeuge, Werkzeugmaschinen und E-Bikes.
Unsichtbar und unaufhaltsam
Die Mechatronik gewinnt für die Entwicklung innovativer Wälzlagerlösungen zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglicht es, durch erhöhte Funktionalität die Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit von Maschinen weiter zu steigern. Mit der Neuentwicklung von Wälzlagern mit integrierten Sensoren und integrierter bzw. benachbarter Energieversorgung will die Schaeffler Gruppe Industrie für zahlreiche industrielle Branchen neue Lösungsansätze bieten. Beispiele sind Schienenfahrzeuge, Werkzeugmaschinen und E-Bikes.
Für moderne Schienenfahrzeuge gibt es jetzt Radsatzlager mit integrierter Sensorik, die den neuesten Sicherheitsanforderungen im Schienenverkehr gewachsen sind. Die dafür notwendigen Steuerungs- und Überwachungsfunktionen erfordern eine umfassende Datengewinnung während der Fahrt über lagerintegrierte Sensoren. Schaeffler hat eine Radsatzlagereinheit mit integrierter Sensorik (Gehäuse und Lager mit Sensoren) entwickelt, die diesen steigenden Anforderungen der Bahnindustrie gerecht werden soll.
Herzstück der hochbelastbaren Radsatzlagereinheiten sind die zweireihigen Kegelrollenlagereinheiten Tarol (Tapered Roller Bearing Unit), in die je zwei unabhängige Drehzahl- und Temperatursensoren eingesetzt sind, um Drehgeschwindigkeit, Drehrichtung und Temperatur des Lagers zu bestimmen. Die Ausgangssignale der Drehzahlsensoren werden hauptsächlich für das Bremssteuerungssystem und WSP (Wheel Slide Protection) verwendet. Außerdem sind diese Ausgangsignale auch für Traktionskontrolle, Stillstandserkennung, Tachometer, Türmechanismus sowie für künftige Zugsteuerungssysteme der Europäischen Union (ERTMS/ETCS) geeignet. Auch Temperatursignale bieten erhöhte Sicherheit. Kontinuierliche Temperaturmessungen zur Lagerüberwachung lassen Probleme frühzeitig erkennen und ermöglichen so ein rechtzeitiges Eingreifen.
Lagerintegriertes Messen für Rundtische
Das System bietet auch die konventionelle Heißläuferortungsfunktion und damit eine umgehende Warnung im Notfall.
Eingesetzt werden die Sensor-Radsatzlager u. a. in den Zügen auf der niederländisch-belgisch-französischen Hochgeschwindigkeitsstrecke, die von Amsterdam über Brüssel nach Paris führt. Im Regionalverkehr sind Anwendungen in Großbritannien im Einsatz. Im Nahverkehr wird zum Beispiel die Metro Singapur mit entsprechenden Sensoreinheiten ausgestattet.
Auch im Bereich der Werkzeugmaschinen eignet sich das Lager für die Funktionsintegration hin zum mechatronischen System. Ein erfolgreiches Beispiel hier: das lagerintegrierte Winkelmesssystem YRTM, das auf direkt angetriebene, hochdynamische und präzise Achsen für Rundtische in Werkzeugmaschinen abgestimmt ist. Das Messsystem vereint hohe Messgeschwindigkeit, Winkelauflösung und Messgenauigkeit. Lagereinheit, Messsystem und Direktantrieb kommen dabei aus einer Hand und sind somit optimal aufeinander abgestimmt.
Die magnetische Winkelteilung ist galvanisch auf der drehenden Wellenscheibe des Lagers aufgebracht. Sie wird mit zwei Sensorköpfen abgetastet, die um 180° winkelversetzt, diametral zueinander angeordnet sind. Die Zweikopfabtastung stellt sicher, dass eventuell auftretende Mittenverlagerungen systemintern kompensiert werden und damit absolute Messgenauigkeiten von kleiner als +/-3 Winkelsekunden erzielt werden. Die steife Ankopplung der Winkelteilung an den drehenden Rundtisch und die robuste Anbindung der Messköpfe an das Grundgestell ermöglichen höchste Regelgüten und Regelsteifigkeiten. Darüber hinaus ist diese konstruktive Ausführung platzsparend und die Rundtischmitte bleibt für Mediendurchführungen frei. Durch den Steckeranschluss an den Messköpfen werden Verkabelungsarbeiten vereinfacht. Kosteneinsparungen bei Konstruktion, Beschaffung und Montage sind die Folge.
Sensortretlager für E-Bikes
Das Thema Elektromobilität gewinnt nicht nur in der Automobilindustrie an Bedeutung. Bei Zweirädern erfreuen sich E-Bikes oder sogenannte Pedelecs wachsender Beliebtheit. Diese Fahrräder sind mit einem Antrieb ausgestattet, der den Fahrer abhängig von dessen eigener Trittgeschwindigkeit unterstützt. Da der Antrieb nur dann zuschaltet, wenn der Fahrer mit einer gewissen Kraft tritt sowie Leistung und Höchstgeschwindigkeit begrenzt sind, können diese Fahrräder in Deutschland zum Beispiel ohne amtliche Zulassung gefahren werden. Steuerung und Regelung des Antriebs jedoch verlangen nach Daten, die am besten unmittelbar im Tretlager erfasst werden: Drehzahl, Drehmoment, Drehrichtung und Drehwinkel. Für unterschiedliche Antriebssysteme in E-Bikes hat das Unternehmen ein Portfolio an Sensor-Tretlagern entwickelt, die als kompakte Baueinheit Lager, Sensor und Elektronik auf kleinstem Bauraum integrieren.
Das energieautarke Generatorlager
Das Hauptproblem bei der Sensorisierung von Lagern stellt bislang die Notwendigkeit von Kabeln zur Energieversorgung und Datenübertragung dar. Hier verfolgt man Entwicklungsprojekte für ein energieautarkes Sensorlager. Durch das sogenannte „ Energieharvesting" im drehenden Lager wird es in Zukunft möglich sein, auf störende Kabel zu verzichten. Das spart Platz, erleichtert Montage und Betrieb und macht unabhängiger von externen Versorgungsquellen und Umgebungsbedingungen.
Entscheidend für die Funktion und den Erfolg eines solchen energieautarken Lagers ist die Integration des Generators in das Lager, ohne Auswirkungen auf die Einbaumaße, also hinsichtlich Innenbohrung, Außendurchmesser und Breite. Der Lager-Spezialist hat hier entsprechende Konzepte entwickelt.
Das Generatorlager kann eine Leistung im Watt-Bereich zur Verfügung stellen. Eine solche Leistungsklasse reicht aus, um beispielsweise ein Mobiltelefon zu betreiben. Entsprechende Funktionalitäten und Reichweiten wären also auch auf die Energieversorgung und Datenübertragung des Sensorlagers zu übertragen.
Generatorlager in der Bahntechnik
Auch bei höherem Leistungsbedarf sind umfassende Lösungen auf der Basis des Generatorlagers möglich und bereits erfolgreich umgesetzt. Schaeffler hat zum Beispiel ein Generatorlager für die Bahntechnik entwickelt, das etwa im Güterverkehr als eigenständige autarke Energiequelle in der Lage ist, über einen elektrischen Speicher Zusatzfunktionen zu betreiben wie das automatische Öffnen von Türen oder auch das Detektieren von Schaltern und Sensoren. In der Fachwelt sind solche Aggregate als „On Board Power Supply", verknüpft mit einer intelligenten Elektronik, auch als sogenannte „On Board Units" bekannt. Die Verknüpfung des Generatorlagers mit einer „On Board Unit" und einem Informationsmanagementsystem, ermöglicht den Einsatz von Zugsicherungssystemen ebenso wie online Fahrplangenerierung, Trassenführung, Prozess- und Risikoanalyse, Ortsbestimmung, Verweildauer und damit einhergehend die Kontrolle von mautpflichtigen Streckenabschnitten. Bisher konnten solche „On Board Units" insbesondere im Güterschienenverkehr nicht verwirklicht werden, weil keine autarke Energieversorgung für elektrische Informationseinheiten zur Verfügung stand. Erst mit der Entwicklung des Generatorlagers sind solche Pläne umsetzbar. Erste Versuche laufen, um das Managen von Frachtcontainern zu ermöglichen. Hier wird neben der GPS-Datenerfassung, also der Lokalisierung der einzelnen Güterwaggons, die komplette Logistikkette überprüft: Die transportierte Ware wird via Satellit verfolgt. Die Kenntnis des aktuellen Aufenthaltsortes ermöglicht die Optimierung der Streckenauslastung wie auch der jeweiligen Container bzw. Güterwaggons. dz
www.schaeffler.com
Ideen auf Rädern
Die Schaeffler Gruppe hat mit dem „Schaeffler Hybrid" ein „ Ideenfahrzeug" auf die Räder gestellt. Dabei handelt es sich um ein Vorentwicklungsprojekt, das den praktischen Vergleich der vielseitigen Möglichkeiten zum Thema E-Mobilität ermöglicht. Dafür lassen sich mit dem Fahrzeug verschiedene Fahrzeugkonstellationen und Fahrzustände darstellen. So verfügt der „Schaeffler Hybrid" neben dem serienmäßigen Verbrennungsaggregat des Basisfahrzeugs über einen elektrischen Zentralmotor sowie zwei Radnabenmotoren.
„Bei der Realisierung des Schaeffler Hybrid spielte für uns die Darstellung verschiedener Konzepte samt aussagekräftiger Vergleichsmöglichkeiten sowie die realitätsnahe Erprobung die maßgebliche Rolle", sagt Prof. Dr. Peter Gutzmer, als Geschäftsführungsmitglied verantwortlich für die Technische Entwicklung innerhalb der Schaeffler Gruppe. Dementsprechend sind die verschiedenen Elemente jeweils zuschaltbar und umfassen eine große Bandbreite verschiedener Fahrzustände. Die Möglichkeiten reichen vom klassischen Betrieb mit Verbrennungsmotor über die Funktionsweise als Parallel-Hybrid und seriellem Hybrid bis hin zum vollelektrischen Fahren. Der Verbrennungsmotor kann sowohl das Fahrzeug antreiben als auch als Range-Extender gekoppelt werden. Ein automatisiertes Schaltgetriebe vergrößert die Möglichkeiten. Am Getriebe kommen die auf die speziellen Anforderungen von Hybridfahrzeugen zugeschnittenen Kupplungsprodukte der Schaeffler-Marke LuK zum Einsatz. Und der Energiespeicher, eine 16 kWh starke Litium-Ionen-Batterie (400V, 400A), lässt sich sowohl über Rekuperation, den Range-Extender als auch über externe Stromversorgung (Plug-In-Hybrid) aufladen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Vorentwicklungsprojekts ist die vernetzte Entwicklungsarbeit der Unternehmensteile mit den Marken INA, LuK, FAG sowie IDAM und AFT.
So ist die Zentraleinheit mittels einer Zahnkette am automatisierten Schaltgetriebe angeflanscht und treibt die Vorderräder an. Dabei handelt es sich um einen flüssigkeitsgekühlten, 50 kW leistenden und 95 Nm starken Elektromotor, der von IDAM konzipiert und gefertigt wurde. Die Radnabenmotoren tragen die Bezeichnung „eWheel-Drive".
Sie bilden zusammen mit Radlager, Antrieb und Bremse eine kompakte Einheit und sind voll und ganz im Rad des Fahrzeugs integriert. dz
