Aus Gründen des Umweltschutzes verzeichnet die Elektrofahrzeugbranche in den letzten Jahren ein starkes Wachstum.
In China erreichte die Zahl der Elektrofahrzeuge im Jahr 2021 2,132 Millionen. Gegenüber 418.000 Einheiten im Jahr 2016 ist die Produktion von Elektrofahrzeugen innerhalb von nur fünf Jahren um das rund 5,1-Fache gestiegen. Eine vertiefte Analyse der künftigen Marktnachfrage finden Sie in den aktuellen Markttrends bei Elektrofahrzeugen.
Unterschiede im Antriebssystem zwischen Elektro- und Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor
Der größte Unterschied zwischen Elektrofahrzeugen und herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor liegt im Antriebssystem.
Das System eines Verbrennerfahrzeugs umfasst eine große Zahl beweglicher Komponenten, darunter Zahnräder, Kolben, Ventile und Kurbelwellen.
Sein Funktionsprinzip beruht darauf, dass der Kraftstoff im Verbrennungsmotor verbrannt wird und dabei Energie erzeugt; der Ablauf wird über das Getriebe gesteuert.
Demgegenüber nutzt das System eines Elektrofahrzeugs elektrische Energie; der Antrieb erfolgt über den Elektromotor, dessen Drehzahl durch den Regler gesteuert wird.
Wie bekannt, steigt mit der Anzahl der beweglichen Teile im System eines Verbrennerfahrzeugs auch die Zahl der Komponenten, die Verschleiß verursachen und im schlimmsten Fall zu einem Fahrzeugausfall führen können.
Im Gegensatz dazu besitzt das System eines Elektrofahrzeugs weniger bewegliche Teile; das wichtigste davon ist die auf der Motorwelle eingesetzte Lagerkugel.
Aus dieser Perspektive ist das System eines Elektrofahrzeugs dem konventionellen System eines Verbrennerfahrzeugs überlegen.
Darüber hinaus bestimmt bei Elektrofahrzeugen die Qualität der Lager auf der Motorwelle unmittelbar die Leistungsfähigkeit des Fahrzeugs.
Warum Keramiklager Stahlkäfigen überlegen sind
Im Allgemeinen bestehen die herkömmlichen Wälzkörper – Kugeln und Rollen – auf den Motorwellen von Elektrofahrzeugen aus Stahl. Es gibt jedoch eine bessere Alternative.
Im Vergleich zu Stahllagernbieten Keramiken eine höhere Effizienz. Keramiklager, erhältlich als Vollkeramik- oder Hybridausführung -Ausführungen haben höchste Priorität.
Insbesondere Keramiklager aus Siliziumnitrid (Si3N4) sind ein zusätzlicher Vorteil für die Elektromobilität.
Fortschrittliche Fertigung von Si3N4-Keramiklagern
Bei Keramiklagern aus Si3N4 verfügt LILY Bearing über mehr als 20 Jahre Fertigungserfahrung.
Bei der Herstellung von Keramikkugeln wurde unverarbeitetes Siliziumnitrid-Pulver (Si3N4) aufbereitet und seine Eigenschaften, darunter Partikelgröße, Dichte, Symmetrie sowie Feuchte usw., sorgfältig untersucht.
Im Vergleich zu anderen keramischen Werkstoffen, bleibt Siliziumnitrid die optimale Wahl für Hochgeschwindigkeitsanwendungen in Elektrofahrzeugen.
Nach Zugabe eines chemischen Bindemittels wurde das Pulver zu Rohlingen geformt, bevor Schleifen, Gleitschleifen und Polieren erfolgten.
Die Kugeln wurden einem Verfahren namens „heißisostatisches Pressen (HIP)“ unterzogen, bei dem Druck und Wärme gleichzeitig wirken.
Ein solches Verfahren kann die Härte und Zähigkeit von Keramiklagern verbessern und dazu beitragen, Ermüdungserscheinungen im Wälzkontakt zu verhindern.
Durch dieses Verfahren neigen Keramiklager selbst unter extremen Bedingungen nicht so leicht zu Abplatzungen, Brüchen oder Ausfällen.
Sie gelten als „luft- und raumfahrttauglich“. Tatsächlich spielt der keramische Werkstoff selbst dabei eine entscheidende Rolle.
Er bietet klare Vorteile, über die andere Werkstoffe nicht verfügen.
Wesentliche Vorteile von Si3N4-Keramiklagern in Elektrofahrzeugen
Geringes Gewicht
Bei Wälzlagern gilt: Je geringer das Gewicht, desto besser. Keramiklager aus Si3N4 sind hierfür die beste Wahl.
Si3N4 ist leichter als Stahl, und die Laufringe von Keramiklagern wiegen weniger als die Hälfte vergleichbarer Stahlringe.
Entwickler von Elektrofahrzeugen bevorzugen daher Wälzlager mit möglichst geringem Gewicht.
Hohe Steifigkeit und hohe Festigkeit
Keramiklager sind nicht nur leichter als Stahl, sondern auch fester und härter.
Keramiklager sind doppelt so hart wie Stahlwälzlager, über 60 % härter als Stahlwälzlager und deutlich weniger verformungsanfällig.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil im Hinblick auf Lebensdauer und Wirkungsgrad von Wälzlagern.
Geringe Reibung
Im Vergleich zu Stahlwälzlagern erzeugen die Kugeln in Keramiklagern aus Si3N4 innerhalb des Lagerverbunds weniger Reibung und damit auch weniger Wärme.
Das bedeutet einen geringeren Schmierstoffbedarf, weniger Verschleiß, niedrigere Laufbahnbeanspruchung und geringere Betriebstemperaturen.
Hohe Temperaturbeständigkeit
Keramiklager können auch hohen Temperaturen standhalten.
Selbst bei Betriebstemperaturen von über 1.000 °C kommt es nicht zu einer nennenswerten thermisch bedingten Ausdehnung.
Solche Temperaturen liegen weit über den Anforderungen im automobilen Betrieb.
Elektrische Isolierung
Gerade für Elektrofahrzeuge ist die elektrische Isolierwirkung von Si3N4-Keramiklagern ein weiterer, und vermutlich einer der größten, Vorteile.
Streuströme können den Lagerschaden beschleunigen; elektrisch widerstandsfähige Lagerwerkstoffe helfen daher, unnötige Ausfälle zu vermeiden.
Wie bekannt, ist Siliziumnitrid (Si3N4) elektrisch isolierend, was in nahezu allen Wälzlageranwendungen ein Vorteil ist.
Wenn in Fahrzeugen hohe Spannungen Elektromotoren antreiben, kann es durch Streuströme leicht zu elektrischer Ausmagerung im Lagerinneren kommen, was letztlich zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann.
Werden Stahlwälzlager eingesetzt, bleibt in der Regel nur die Beschichtung des Stahls mit einem Isoliermaterial. Das erhöht die Komplexität des Fertigungsprozesses und birgt zudem das Risiko von Verunreinigungen.
Im Automobilbau lassen sich bei hohen Stückzahlen und großen Volumina aufwendige Fertigungsverfahren kaum wirtschaftlich umsetzen; daher sind Si3N4-Keramiklager die erste Wahl.
Darüber hinaus zeichnet sich Siliziumnitrid durch seine materialbedingt integrierten Eigenschaften aus.
Lange Lebensdauer
Im Vergleich zu Stahlwälzlagern erreichen Keramiklager eine längere Lebensdauer.
Mit Keramiklagern lassen sich die hohen Kosten und der unnötige Materialverbrauch vermeiden, die durch den häufigen Austausch von Stahlwälzlagern entstehen.
Bei Elektrofahrzeugen können Keramiklager dazu beitragen, die Lebensdauer des Fahrzeugs zu erhalten und zu verlängern sowie höhere Reichweiten zu ermöglichen.
Fazit
Si3N4-Keramiklager können aufgrund ihrer materialbedingten Vorteile die nachhaltige und gesunde Entwicklung der Elektrofahrzeugindustrie maßgeblich fördern. Eine sachgerechte Lagerwartung trägt zudem entscheidend zu ihrer langfristigen Betriebssicherheit bei.
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