Die Summe macht’s: Optimierte Lager machen Züge energieeffizienter

Im Bemühen um mehr Nachhaltigkeit zielt die Bahnindustrie darauf ab, ihre Energieeffizienz kontinuierlich zu steigern. Dafür gibt es viele naheliegende Ansätze: ein geringeres Wagengewicht, eine bessere Aerodynamik oder effizientere Klima- und Lüftungssysteme.

Neuer Hebel für mehr Energieeffizienz

Wie SKF ausführt, gibt es dabei allerdings ein Problem. „Die meisten dieser großen Stellhebel wurden bereits genutzt“, sagt Jan Babka, Global Manager Railway Application Competence bei SKF. „Deshalb müssen wir uns jetzt auf kleinere, weniger augenscheinliche Energieverlustquellen konzentrieren – etwa auf die Reibung in Achslagern.“

Dabei handelt es sich um ein klassisches Beispiel für einen „versteckten“ Energieverlust. Jedes Radlager eines Zuges erzeugt Reibung. Über ein gesamtes Streckennetz hinweg summieren sich diese Verluste zu einem erheblichen Energieverbrauch. Auf Grundlage einer aktuellen Pilotstudie hat SKF eine Plattform für reibungsarme Kegelrollenlager-Einheiten und Zylinderrollenlager-Einheiten entwickelt – die beiden am häufigsten in Radsatzlagern eingesetzten Bauarten. Babka arbeitet seit Jahrzehnten als Teil eines SKF-Expertenteams daran, die Reibung in Radsatzlagern von Schienenfahrzeugen zu reduzieren. Dadurch konnten bereits Vorteile wie verlängerte Wartungsintervalle erzielt werden. Neuere Konstruktionsverbesserungen konzentrieren sich nun darauf, die Reibung weiter zu senken und so kumulative Energieeinsparungen zu ermöglichen.

Radsatzlager für hohe Geschwindigkeiten

Ein neues Hochgeschwindigkeits-Radsatzlager, das die Reibung und damit den Energieverbrauch reduziere, ohne Kompromisse bei Zuverlässigkeit oder Wartungsintervallen einzugehen, soll das Messehighlight des Unternehmens auf der Innotrans 2026 in Berlin werden. Die hybride Ceramic Rolling Unit (CRU) nutzt Wälzkörper aus Siliziumnitrid, wodurch die Lagermasse um 15 bis 20 % reduziert wird.
Dadurch lassen sich laut SKF Stromschäden vermeiden und die Reibung im Vergleich zu herkömmlichen Lagern um mindestens 10 % senken. Weitere Vorteile seien eine deutlich längere Fettgebrauchsdauer beziehungsweise verlängerte Wartungsintervalle sowie niedrigere Lebenszykluskosten.

Bereits heute steht fest, führt SKF aus, dass spezielle Konstruktionsmerkmale wie eine optimierte Makrogeometrie, verbesserte Oberflächenbeschaffenheiten und eine optimierte Schmierstoffverteilung zur Verringerung der Reibungsverluste beitragen.

Weniger CO₂ als konventionelle Lösungen

„Diese Entwicklung basiert auf dem tiefen Verständnis von SKF für die physikalischen Vorgänge in Wälzlagern“, erklärt Jochen Baum, Railway Engineering Manager Europe & Africa bei SKF. „Wir verfügen über das Know-how, um solche Anpassungen vorzunehmen und die Leistungsfähigkeit der Komponenten gezielt zu verbessern.“ Das neue reibungsarme Lager eigne sich, außer für Hochgeschwindigkeitszüge, auch für U-Bahn-Systeme, die häufig rund um die Uhr im Einsatz sind. Die dort eingesparten Reibungsverluste können sich im Laufe der Zeit zu erheblichen Energieeinsparungen summieren. Darüber hinaus bieten die Lager eine längere Lebensdauer und geringere CO₂-Emissionen als konventionelle Lösungen.

Die Entwicklung einer entsprechenden Lösung erwies sich jedoch als anspruchsvoll. Zum einen gibt es derzeit kein standardisiertes Prüfverfahren zur Bestimmung des Reibmoments von Eisenbahnlagern. Zum anderen ist das Verhalten von Schmierfett in Lagern von Natur aus schwer vorhersehbar. Zudem lassen sich Prüfmethoden aus anderen Branchen – beispielsweise der Automobilindustrie – aufgrund unterschiedlicher Lagerkonstruktionen und Toleranzanforderungen nicht direkt auf den Bahnsektor übertragen.

Simulation zeigt kritische Design-Punkte

Die Lösung liegt, so Babka, in der Kombination aus Simulation und präzisen Tests. „Mithilfe von Simulationen können wir verstehen, an welchen Stellen wir in das Design eingreifen müssen. Anschließend bestätigen Tests im Originalmaßstab, dass die Lösung auch unter realen Betriebsbedingungen funktioniert“, erklärt er.

„Das Achslager zählt nicht zu den größten Energieverbrauchern eines Schienenfahrzeugs. Betrachtet man jedoch den gesamten Lebenszyklus und eine komplette Fahrzeugflotte, ist sein Einfluss durchaus erheblich“, sagt Babka. „Hersteller von Schienenfahrzeugen dürfen die Reibung in Achslagern daher nicht vernachlässigen.“

Hochleistungskunststoff macht Lager leichter

Außer dem Radsatzlager hat das Unternehmen weitere Produkte entwickelt, mit denen die Reibung direkt an der Quelle reduziert werden sollen. Weil höhere Betriebsgeschwindigkeiten und kompaktere Antriebssysteme kleinere Lager erfordern, die auf begrenztem Bauraum die gleiche oder sogar eine höhere Leistung erbringen, hat SKF deshalb seine Zylinderrollenlager für Bahngetriebe mit einem Käfig aus PEEK (Polyetheretherketon) ausgestattet – einem Hochleistungskunststoff, der bis zu 90 % leichter ist als vergleichbare Messingkäfige.

In Kombination mit einem optimierten Design entstehen den Angaben zufolge leichtere und effizientere Lager, die dennoch den hohen dynamischen Belastungen im Bahnbetrieb standhalten. Simulationen und anwendungsspezifische Tests haben die Eignung der PEEK-Käfige für Bahngetriebe bestätigt, so das Unternehmen. Alle getesteten Varianten bestanden anspruchsvolle Prüfungen unter realitätsnahen dynamischen Lastbedingungen. Gleichzeitig tragen sie zur Verringerung von Reibung und Leistungsverlusten bei. „Sie wurden für einen zuverlässigen Betrieb und verlängerte Wartungsintervalle entwickelt und reduzieren Energieverluste, ohne zusätzliche Komplexität zu verursachen“, sagt Baum.

PEEK ist ein moderner, reibungsarmer Hochleistungspolymerwerkstoff, der seine mechanischen Eigenschaften auch unter anspruchsvollen Bedingungen beibehält, heißt es weiter. Er arbeitet zuverlässig in einem Temperaturbereich von -70 bis +240 °C. Ein weiterer Vorteil: Der Werkstoff ermöglicht den Verzicht auf Blei in diesen Produkten und leistet damit einen Beitrag zum Umweltschutz.

Modulare Schmierpumpe für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen

Darüber hinaus erweitert SKF sein Schmierungsportfolio um die Lincoln Progressive Lubrication Pump (PLP). Das ist den Angaben zufolge eine intelligente und modular aufgebaute Schmierpumpe, die für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen ausgelegt ist und hohe Zuverlässigkeit sowie große Flexibilität bietet. Sie können mit drei Pumpenelementen ausgestattet werden und lassen sich so individuell an verschiedene Anforderungen anpassen, führt das Unternehmen aus.

Aufgrund intelligenter Überwachungsfunktionen ermöglichen sie eine einfache Vernetzung sowie die Echtzeitüberwachung von Betriebszuständen und Diagnosedaten. Zudem seien die Pumpen leicht zu installieren, zu bedienen und zu warten. Sie eignen sich sowohl für den Einsatz an Bord von Fahrzeugen als auch für streckenseitige Anwendungen und sind mit Behältergrößen von 2 bis 20 l erhältlich.

Auf der Messe Innotrans 2026 in Berlin will SKF weitere Details zu seinen reibungsarmen Radsatzlagern vorstellen. Jan Babka, Jochen Baum und weitere Fachleute werden vor Ort erläutern, wie die neuen Produkte sowie das Know-how von SKF im Bereich Reibungsminimierung Bahnunternehmen dabei unterstützen können, ihren Energieverbrauch zu senken.

(Quelle: SKF)