Keramik-Hybridlager: Fortschritt im Luftverkehr

Mit mehr als einem Jahrhundert Innovation in der Luft- und Raumfahrt hat Timken viele Innovationen in der Luftfahrt ermöglicht – von der Erfindung von Helikoptern bis zu den ersten Mond- und Marslandungen. Heute wenden Timken-Ingenieure ihr Spezialwissen in den Bereichen Reibungsmanagement, Kraftübertragung und Metallurgie an, um die Zuverlässigkeit in Anwendungen wie der Luftfeuerbekämpfung und Triebwerken für zivile Flugzeuge zu maximieren.

Jetzt verschieben Flugzeugkonstrukteure die Grenzen des Möglichen, um die Leistung zu optimieren und eine Effizienz der nächsten Stufe zu erreichen. Die Fähigkeiten von Timken in der Konstruktion und Herstellung von Hybrid-Zylinder- und Kegelrollenlagern werden die Leistung von Flugzeugen und Drehflüglern für eine neue Ära des Fliegens optimieren.

„Seit mehr als 120 Jahren haben wir Wissen über Reibung, Verschleiß, Schmierung und Lagerdesign im Zusammenhang mit dem Werkstoff Stahl gesammelt. Es lässt sich gut übersetzen, um die Eigenschaften von Siliziumnitrid zu verstehen – und wie wir mit beiden erfolgreich entwerfen und herstellen können.“

John Lowry
Leitender Luft- und Raumfahrtingenieur

Hybridlager für die Luft- und Raumfahrt: entscheidend für mehr Effizienz
Angetrieben von dem Wunsch, Energie, Kosten und die Umwelt zu sparen, wollen Luft- und Raumfahrtkunden aus jedem Flugzeugsystem und jeder Komponente die größtmögliche Effizienz herausholen. Luft- und Raumfahrtlager von Timken aus Stahl sind bereits sehr effizient. Um zukünftige Effizienzgewinne zu erzielen, erweitern Ingenieure das Angebot an Hybridlagertypen, die für den Markt verfügbar sind.

„Hybrid“-Lager werden so genannt, weil sie Stahlringe und keramische Wälzkörper kombinieren, während herkömmlichere Lager Stahl für beide verwenden. Das Siliziumnitrid der Keramikwalzen ist „lagerhaltig“ – die höchste verfügbare Qualität.

„Siliziumnitrid ist fast doppelt so hart wie Lagerstahl und hat zusätzliche Eigenschaften, die es leichter, stärker und besser für höhere Geschwindigkeiten geeignet machen“, sagt John Lowry, Chefingenieur für Luft- und Raumfahrt. „Es ist eine Keramik, die wirklich aggressiven Bedingungen standhält und sich gut in Wälzlagern bewährt.“

Experimente mit keramischen Wälzkörpern für Luft- und Raumfahrtlager reichen mehrere Jahrzehnte zurück, wobei NASA-Space-Shuttle-Triebwerke sie Anfang der 1990er Jahre verwendeten. Da sich der Wettlauf um die Entwicklung optimierter Lösungen beschleunigt, entsteht eine breitere Palette von Hybridlagertypen, um die Effizienz in Flugzeugtriebwerken, Generatoren und Anlassern sowie Getrieben für Drehflügler zu steigern.

Timken-Ingenieure haben kürzlich eng mit Herstellern von Verteidigungsflugzeugen zusammengearbeitet, um Hybrid-Rollenlager für verschiedene Anwendungen zu entwickeln, darunter die Entwicklung eines Flugzeugturbinentriebwerks, das deutlich leistungsstärker und effizienter als vorhandene Turbofans mit niedrigem Bypass ist.

Die Tribologie-Spezialisten von Timken spielten eine wichtige Rolle in der Forschung und Entwicklung, indem sie die Festigkeit von Keramikrollen im Vergleich zu einer Vielzahl von Stahlsorten testeten, die typischerweise zur Herstellung von Lagerkomponenten verwendet werden, die an Rollen angrenzen. Wie die Materialien interagieren, wirkt sich direkt auf die Leistung aus.

Der Timken-Unterschied: proprietäre Herstellungsprozesse
„Seit mehr als 120 Jahren haben wir Wissen über Reibung, Verschleiß, Schmierung und Lagerdesign im Zusammenhang mit Stahlwerkstoffen gesammelt“, bemerkt Lowry. „Es lässt sich gut übersetzen, um die Eigenschaften von Siliziumnitrid zu verstehen – und wie wir mit beiden erfolgreich entwerfen und herstellen können.“

Melissa Kerney, Leiterin des Luft- und Raumfahrtprogramms, sagt, dass das verwendete Siliziumnitrid die hochwertigste verfügbare Qualität ist und nach sehr hohen Standards verarbeitet wird.

„Die Differenzierung zum Erreichen eines Produkts in Luft- und Raumfahrtqualität erfolgt in zwei Phasen, beide in der Fertigung“, sagt sie.

Zunächst wird unter Verwendung des Siliziumnitridpulvers eine endkonturnahe „Rohlings“-Walze gebildet. Die Pulverformel bestimmt, wie das Material der Formung zu „Rohlingen“ standhält, die schließlich zu Keramikwalzen werden.

Zweitens fertigt Timken diese Rohlinge im eigenen Haus nach präzisen Anforderungen mit proprietären Schleif- und Superfinish-Prozessen.

„Es ist sehr herausfordernd“, sagt Kerney. „Siliziumnitrid ist viel stärker als Stahl und erfordert einen völlig anderen Ansatz für die Endbearbeitung, Messung und Inspektion. Wir nehmen unser Wissen über Materialwissenschaften und kombinieren es mit unserer Fertigungs- und Werkzeugkompetenz. Das Ergebnis sind extrem langlebige, zuverlässige Lager, die den Prüfanforderungen der Industrie entsprechen.“

Mit der Entwicklung und Fertigung von Hybridrollenlagern hat Timken in Fertigungskapazitäten investiert, um eine der branchenweit umfassendsten Produktlinien von Kegel- und Zylinderlagern mit Rollen aus Siliziumnitrid herzustellen. Timken beabsichtigt, bis 2023 die volle Produktion aufzunehmen, um Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie zu unterstützen.

Warum Luft- und Raumfahrt, und warum jetzt? Kerney sagt: „Es ist die schwierigste Anwendung, die Hybridlösungen benötigt, und wo Hybrid das größte Wertversprechen bietet.“

Ingenieure von Timken verwenden Keramik, um die Lagerleistung in vielen wichtigen Branchen zu verbessern. Erfahren Sie, wie eine spezielle verschleißfeste Beschichtung mit winzigen Keramikpartikeln die Effizienz von Windkraftanlagen und Landmaschinen verbessert.

Last Updated: 2023/06/21

Published: 2022/05/11