NSK: Bestmögliche Abdichtung – geringe Reibung

Bei der Entwicklung von Dichtungssystemen für Wälzlager und Linearsysteme kommt es zu Zielkonflikten, da Anforderungen an die Dichtungen oftmals konträr zueinander sind. Die Ziele sind bestmögliche Abdichtung bei geringer Reibung, Rückhaltewirkung der Schmierstoffe und Schutz vor Schmutzeintrag.

NSK verfügt über diverse Dichtungssysteme zur Bewältigung anwendungsspezifischer Herausforderungen.Dichtungen für dynamische Anwendungen haben in Antriebselementen immer eine zweifache Funktion. Sie sollen verhindern, dass Verunreinigungen ins Innere der Komponenten dringen, und zugleich dafür sorgen, dass kein Schmierstoff (Öl, Fett) austreten kann. Außerdem sollen sie bei sehr guter Dichtwirkung so wenig Reibung wie möglich erzeugen, um ein Höchstmaß an Energieeffizienz zu ermöglichen.
 

Zielkonflikt: Gute Dichtwirkung – geringe Reibung
Aus Sicht der Entwicklung (und der Physik) sind dies durchaus Zielkonflikte, die sowohl für Komponenten der Lineartechnik, d.h. für Kugelgewindetrieben und Rollenführungen, gelten als auch für Wälzlager. Mit Hilfe von Simulationen und auf der Basis eines umfassenden Engineering-Know-hows lässt sich dieser Zielkonflikt aber sehr gut lösen, wie von NSK entwickelte Dichtsysteme zeigen. 

A1: Dichtungskonzept für geringen Schmiermittelaustrag
Bei der Entwicklung der A1-Dichtung stand das Ziel im Vordergrund, bei Kugelgewindetrieben für Schwerlastanwendungen den Schmiermittelaustrag aus der Mutter zu reduzieren, ohne die Reibung signifikant zu erhöhen. Dieses Ziel wurde erreicht und wird in Verbindung mit den Schwerlast-Kugelgewindetrieben der HTF-Serie angeboten.
Neben den offenkundigen Umweltaspekten  hat das A1-Dichtungskonzept hohen ökonomi-schen Nutzen. Denn bei Schwerlast-Anwendungen verwendet man Schmiermittel mit EP-Additiven, die hohen Betriebsdrücken standhalten. Diese Additive führen dazu, dass die Kosten für die Herstellung des Schmiermittels vergleichsweise hoch ist. Deshalb senkt ein geringer Austrag die „Total Cost of Ownership“ für den Betreiber.

Die Betriebskosten verringern sich noch weiter, weil die Wartungs- bzw. Schmierintervalle der mit A1-Dichtungen ausgestatteten Schwerlastspindeln verringert werden können. Ihr sehr gutes Fettrückhaltevermögen wirkt dauerhaft einer Mangelschmierung entgegen. Und in einer sauberen Produktionsumgebung (z.B. in Spritzgieß-Anwendungen, wo Schwerlast-Kugelgewindetriebe häufig eingesetzt werden, um hydraulische Antriebe zu ersetzen) gehört ein geringer Fettaustrag zu den Eigenschaften, die der Anwender fordert.

V1: Dichtung für die Bearbeitung von abrasiven Werkstoffen
Ein weiteres Dichtungskonzept wurde individuell für einen Kunden entwickelt, der hochwertige Werkzeugmaschinen baut. Diese Maschinen verarbeiten immer häufiger Graphit, der bei der Bearbeitung sehr feine und hoch abrasive Stäube freisetzt, sowie Keramik- und andere Sinterwerkstoffe. Hier besteht die Gefahr, dass die freigesetzten Partikel konventionelle Dichtungen beschädigen bzw. zerstören und in der Folge auch Führungswagen und Schiene. Deshalb gilt es zu verhindern, dass Verschmutzungen an den Wälzkontakt zwischen Führungselement und Schlitten geraten.

NSK entwickelte für die Rollenführungen der RA-Serie die V1-Dichtung, die aus einem extrem abrasionsfesten Werkstoff hergestellt wird und deren Dichtlippe sich spaltfrei an das Profil der Rollenführung anschmiegt. Dieses Design schafft – in Kombination mit einem Abdeckband – die Voraussetzung für eine präzise „Aufgabenteilung“ von Abstreifen und Abdichten.

Das Ergebnis: Das Eindringen von Partikeln wurde im Vergleich zu einer Standarddichtung um das Zehnfache reduziert. Auch das Fettrückhaltevermögen konnte deutlich gesteigert werden.

Konstruktive Einheit von Dichtung, Schmierung und Abdeckung
Besonders wirkungsvoll ist das V1-Dichtungskonzept, das inzwischen auch für Kugelgewindetriebe angeboten wird, in Kombination mit der optionalen K1-Schmiereinheit. Der Schmierstoff ist hier in einem imprägnierten Kunststoffmaterial inkorporiert, das beim Kontakt mit der Lauffläche geringe Ölmengen abgibt. So wird ein sehr ruhiger, reibungsarmer Lauf des Linearantriebs zusätzlich unterstützt. Untersuchungsreihen von NSK belegen, dass die K1-Schmiereinheit auch die Abdichtwirkung unterstützt.

Das dritte Konstruktionselement für diese Antriebselemente, die auch unter extremen Bedingun-gen und bei der Bearbeitung abrasiver Materialien eine hohe Lebensdauer und Ausfallsicherheit erreichen, ist das Abdeckband. Es verhindert die Ablagerung von Schmutz in den Befestigungs-bohrungen und sorgt zugleich für eine vollkommen gleichmäßige Fläche, auf der sich die Dichtung bewegt. Dies zeigt, dass Dichtungen für dynamische Anwendungen am besten in Kombination mit der Schmierung und der Abdeckung, d.h. den Laufflächen, betrachtet und konstruktiv aufeinander abgestimmt werden.

X1: Hohes Fettrückhaltevermögen und kein Verschmutzungseintrag
Ein weiteres Dichtungskonzept für Kugelgewindetriebe hat NSK speziell für den
Werkzeugmaschinenbau entwickelt. Dabei konnten die Konstrukteure auf das grundlegende Design der V1- und der A1-Dichtungskonzepte zurückgreifen.

Bei der X1-Dichtung wird die auch gegenüber der V1-Dichtung nochmals verbesserte Abdichtung u.a. dadurch erreicht, dass die beiden Grundfunktionen – Verhindern von Schmutzeintrag und von Schmierstoffaustrag – auf zwei separate Dichtelemente aufgeteilt wurden. Ein äußerer Abstreifer befreit die Spindel von Partikeln und verhindert somit, dass Verschmutzungen an den Wälzkontakt geraten. Eine zweite Dichtung hat ausschließlich die Aufgabe, das Schmierfett zurückzuhalten.
Das X1-Dichtungskonzept stellt somit einen neuen Meilenstein in der Dichtungsleistung für Kugelgewindetriebe.

Entwicklungsziele wurden übertroffen
In der Praxis wurden die im Pflichtenheft gesteckten Ziele übertroffen. Vorgenommen hatte man sich eine zehnfach höhere Abstreifwirkung. Gemessen wurde ein rund 32fach besserer Wert. Der Fettaustrag wurde ebenfalls signifikant verbessert: Es tritt weniger als ein Drittel der sonst üblichen Schmierfettmenge aus. Damit reduziert das Dichtungskonzept den Schmiermittelverbrauch. Da es sich durch eine geringe Reibung auszeichnet, unterstützt es auch die Leichtlaufeigenschaften und somit die Energieeffizienz von Präzisionsantrieben.

Für schnell laufende Kugellager: V-Dichtungen
Auch bei rotativen Lagern gibt es besonders wirksame und energieeffiziente Dichtungskonzepte. Hier kann NSK teilweise auf Synergieeffekte zurückgreifen, die aus der Entwicklung von Automotive-Wälzlagern resultieren, denn die Automobilindustrie unternimmt intensive und erfolgreiche Anstrengungen zur Reibungsreduzierung sämtlicher Antriebskomponenten.

Inwieweit Wälzlager dazu beitragen können, die Energieeffizienz von Elektroantrieben z.B. im Maschinenbau zu optimieren, zeigt NSK mit der berührungslosen V-Dichtung. Sie hat im Vergleich zu Lagern mit der üblicherweise eingesetzten Deckscheibe eine deutlich bessere Dichtwirkung. Durch den Einsatz einer berührungslosen Dichtung wird die Gesamtreibung des Lagers so gering wie möglich gehalten, da eine berührende Dichtung den Reibungsverlust mehr als verdoppeln kann.
 
Sealed Clean Walzenzapfenlager für Heavy Duty-Einsätze
Neben den bislang genannten Dichtungssystemen hat NSK noch weitere Dichtungssysteme entwickelt, die bei besonderen Einsatzbedingungen oder Anforderungen verwendet werden. Hierzu gehört die „Sealed Clean“-Technologie, die bei Heavy-Duty-Einsätzen z.B. in Baumaschinen, im Bergbau oder in der Stahlindustrie wirkungsvoll den Eintritt von Verunreinigungen in das Wälzlager verhindert.