Warum Kugellager überall um uns herum sind

Jun 11, 2023

Ian Sullivan für die Deseret News

Ich erinnere mich, als ich das Fahrradfahren lernte – fünf Jahre alt, 90 cm groß. Anfangs war das Fahrrad schwer und unhandlich und ich bin mehr als einmal auf den Asphalt gekracht. Aber dann verstand ich es – wie man balanciert, in die Pedale tritt und lenkt – und ich flog. Mir wurde klar, dass ich mein Leben praktisch als stationäres Objekt verbracht hatte, aber jetzt hatte ich Räder und meine eigene Geschwindigkeit. Ich könnte mich im Kreis drehen oder schnell geradeaus fahren. Es fühlte sich wie Freiheit an. Es fühlte sich wie Magie an.

Damals stellte ich mich nicht in Frage, wie es sein konnte, dass ein Fünfjähriger mit sehr wenig Anstrengung und Zurückhaltung wie ein Vogel herumflitzen konnte. Ich hielt es für selbstverständlich. Fahrräder gab es, deshalb bin ich damit gefahren. Zum Spass. Weil ich es konnte. Als mein Fahrrad eine Panne hatte, außer einem platten Reifen, wusste ich nicht, wie ich es reparieren sollte. Irgendwann würde ich mir ein neues besorgen. Ich wusste nichts von der Maschine und der Art und Weise, wie die Magie tatsächlich funktionierte.

Als ich 19 war, zog ich von zu Hause weg, um aufs College zu gehen. Da ich kein Auto hatte, brauchte ich ein Fahrrad. Gegenüber vom Campus gab es einen Fahrradladen. Ich ging hinein und sagte dem langhaarigen Mechaniker, dass ich ein Fahrrad wollte, das sich bei hohen Geschwindigkeiten gut drehen lässt und nicht kaputt geht. Er brachte einen Motobécane heraus, rot und schwarz, hergestellt in Frankreich. Ich bin damit gefahren und habe mich verliebt.

Der Mechaniker warnte mich jedoch vor einer Panne des Fahrrads. Er sagte: „Das ist ein gutes Fahrrad mit guten Komponenten, aber selbst die besten Fahrräder müssen gewartet werden.“

Fahrräder, sagte er mir, seien bei weitem das effizienteste Fortbewegungsmittel, weil sie leicht seien und auf Kugellagern rollten. Alle beweglichen Teile – die Räder, die Pedale und die Kurbel, die Lenksäule – sie alle drehen sich auf Kugellagern.

„Man kann sie nicht sehen“, sagte er. „Sie sind im Inneren versteckt – Ringe aus Stahlkugeln, die sich in Donut-förmigen Schalen drehen, oder es ist eher so, als wären sie zwischen zwei Seiten eines Bagels eingeklemmt.“

Er hielt seine Hände, als würde er einen Bagel zusammenhalten. „Zu eng und die Bälle drehen sich nicht. Zu locker und die Bälle wackeln. Aber dazwischen gibt es einen magischen Punkt, an dem es keine Reibung gibt.“

Er hob ein Vorderrad auf, das auf der Bank lag, sagte mir, ich solle es an der Achse festhalten – mit einer Hand auf jeder Seite – und drehte es.

Er sagte: „Ein Typ hat dieses Rad hergebracht, weil es wackelte, weil es lose Lager hatte.“

Das Rad in meinen Händen fühlte sich an, als würde es sich auf Butter drehen – lautlos, ohne Vibrationen – als würde es niemals aufhören.

„Ich habe die Lager eingestellt“, sagte er. "Jetzt ist es gut."

Er sagte mir, dass die Lager in meinem Fahrrad vorerst auch in Ordnung seien, aber irgendwann würden sie alle nicht mehr richtig ausgerichtet sein und müssten angepasst werden.

„Es ist einfach so“, sagte er, „also ist es an der Zeit, dass Sie lernen, sich zurechtzufinden.“

Ich kaufte das Fahrrad und ein paar Werkzeuge, die ich seiner Meinung nach brauchte.

Ich kann mich nicht erinnern, wie lange es danach dauerte oder warum ich begann, das Fahrrad auseinanderzunehmen, aber irgendwann war das Fahrrad in Einzelteile zerlegt und ich hatte hundert kleine Stahlkugeln, die auf meinem Küchenboden herumrollten. Ich hatte eine perfekt funktionierende Maschine ins Chaos gestürzt und dachte: „Das könnte kein gutes Ende nehmen.“

Es stellt sich heraus, dass sich überall um uns herum Kugellager befinden, in all unseren Rädern und Motoren. Wir sehen sie nicht in Aktion, weil sie verborgen und vom Design umschlossen sind. Aber sie sind hier, in unseren Ventilatoren, Staubsaugern und Düsentriebwerken sowie in unseren Fahrrädern, Autos und Lastwagen. Sie sind im wahrsten Sinne des Wortes, wie wir leben. Ohne Kugellager käme die Zivilisation, wie wir sie kennen, zu einem lautstarken Stillstand. Und doch geben wir ihnen sehr wenig Anerkennung oder Respekt. Wir denken nicht darüber nach, woher sie kamen oder wie sie hierher kamen. Wir wissen nicht, dass wir von ihnen abhängig sind.

Es gibt viele Arten von Lagern. Manche verfügen über Kugeln oder Rollenelemente, andere nicht. Allen gemeinsam ist ihre Funktion, die Reibung zu reduzieren. Das ist es, was wir heute brauchen und wollen – weniger Reibung, und zwar in mehr als einer Hinsicht – aber für den größten Teil der Menschheitsgeschichte war Reibung kein Problem, nicht etwas, das verringert oder überwunden werden musste. Früher war Reibung eine gute Sache. So konnten wir beim Gehen verhindern, dass wir ausrutschten. So haben wir unsere Feuer gemacht.

Doch dann, vor etwa 10.000 Jahren, begannen die Menschen, große Steine ​​über den Boden zu bewegen, um heilige, megalithische Denkmäler zu errichten. Wir sprechen von Steinen in der Größe von Elefanten und Walen, die oft viele Meilen transportiert wurden, um Strukturen zu errichten, die die Erde mit dem Himmel verbanden, Strukturen mit magischen Kräften. Zu diesem Zeitpunkt wurde die Reibung zum ersten Mal zum Problem und es begann unsere Abhängigkeit von Lagern.

Sie waren Steinzeitmenschen, das heißt, sie hatten nur Steinwerkzeuge, mit denen sie arbeiten konnten. Pferde waren noch nicht domestiziert. Die riesigen Felsbrocken, die sie bewegten und platzierten, stehen noch immer überall in Afrika, Europa, Asien und auf Inseln im Pazifischen Ozean. Niemand weiß genau, warum sie es getan haben, weil sie die Dinge nicht aufgeschrieben haben. Damals gab es keine geschriebene Sprache. Wir wissen also auch nicht genau, wie sie es gemacht haben, aber es scheint nur eine Möglichkeit zu geben.

Denken Sie an Stonehenge, das vor 4.600 Jahren auf dem Gebiet der heutigen Salisbury Plain in England erbaut wurde. Die hohen Menhire im Außenring sind 13 Fuß hoch und sieben Fuß breit, 1,20 m dick, wiegen jeweils bis zu 30 Tonnen und stammen aus einem 15 Meilen entfernten Steinbruch.

Stellen Sie sich vor, wir stehen vor 4.600 Jahren im Steinbruch und betrachten einen der auf dem Boden liegenden Steine ​​– 13 Fuß lang, 30 Tonnen – und fragen uns, wie wir ihn auch nur einen Fuß bewegen sollen, geschweige denn 24 Kilometer.

Wir haben ein Grundproblem: zu viel Reibung. Reibung entsteht dadurch, dass Oberflächen übereinander gleiten oder rollen – je mehr Oberfläche in Kontakt kommt, desto mehr Reibung entsteht. Wenn unser Stein die Form einer Kugel hätte, hätte er nicht viel Oberfläche, die den Boden berührt, und wir könnten ihn rollen, aber statt einer Kugel haben wir eine lange Platte. Es über den Boden zu schieben scheint unmöglich.

Unsere einzige Hoffnung besteht darin, die Kontaktfläche zwischen Gestein und Boden zu verringern. Vielleicht haben Sie die Antwort bereits gefunden: Wir verwenden glatte Baumstämme als Rollstifte unter dem Fels. Wir fällen einige Bäume mit unseren Steinäxten, glätten die Stämme und legen sie einen nach dem anderen unter den Felsen. Der Stein berührt den Boden nicht, er läuft auf den rollenden Baumstämmen – eine enorme Reduzierung der Reibung.

Wir glauben, dass sie es so gemacht haben. Wir wissen es nicht genau, aber die einzigen anderen Antworten sind Magie oder Außerirdische.

Dies waren die ersten Lager, der erste Schritt zur Überwindung der Reibungskräfte. Wir nennen sie jetzt Rollenlager und verwenden sie immer noch für Förderbänder.

Die zweite große Innovation zur Reibungsreduzierung war die Erfindung des Rads – oder ich sollte sagen die Erfindung des Rads und der Achse, weil diese immer zusammengehören. Die Stelle, an der sich das Rad um die Achse dreht, war das neue Lager. Wir nennen es jetzt Gleitlager.

Über Jahrtausende hinweg blieben die Methoden und Praktiken beim Radbau im Wesentlichen gleich. All dies änderte sich im Jahr 1869, als ein französischer Fahrradmechaniker namens Jules Suriray Kugellager für ein Fahrradlaufrad entwarf und baute. Das Fahrrad war ein großer Fortschritt in der Entwicklung der Lager und der Reduzierung der Reibung.

Es begann mit der 1817 erfundenen Laufmaschine. Sie ähnelte einem Fahrrad, hatte aber keine Pedale. Der Rahmen war aus Holz, die Räder waren aus Holz mit Gleitlagern. Um vorwärts oder rückwärts zu gehen, musste man mit den Füßen über den Boden gehen oder rennen. Die Franzosen nannten es Veloziped. Im Jahr 1860 hatten Velocipedes in Paris ziemlich schöne Rahmen aus leichter Stahllegierung. Im Laufe der nächsten Jahre kamen Pedale hinzu und das Fahrrad war geboren. Die frühen Fahrräder hatten große Vorderräder, weil sie so mit jeder Pedalumdrehung weiter und schneller fuhren.

Im Jahr 1869 gab es überall in Paris junge Männer, die Fahrradrennen fuhren. Die Leute nannten die Fahrräder „Knochenschüttler“, weil sie auf Kopfsteinpflasterstraßen so viel hämmerten und hüpften. Diese Schlag- und Sprungkräfte wirken zunächst auf das Gleitlager im Vorderrad und dann über den Stahlrahmen auf die Knochen des Fahrers.

Lager verschleißen, genau wie die unteren Wirbel. Die beweglichen Teile müssen als Einheit funktionieren – alles muss die richtige Form und Größe behalten und ausgerichtet sein –, während es sich über den Boden bewegt und den Kräften der Schwerkraft und Querbeschleunigungen ausgesetzt ist. Sie können damit beginnen, dass alles wirklich gut zusammenarbeitet, aber irgendwann wird durch die Reibung Wärme erzeugt, die zu einer Schwellung führt, die noch mehr Reibung verursacht … und das Gerät wird auseinanderfallen, besonders wenn es dabei zu Stößen und Sprüngen kommt.

Wir wissen, dass Suriray ein Schmied/Fahrradmechaniker in Paris war. Wir wissen, dass er ein Geschäft in der Nähe des Place de la République hatte. Doch leider ist sehr wenig über seine persönliche Geschichte oder die Entstehung seines Kugellagerdesigns bekannt.

Ich gehe davon aus oder stelle mir vor, dass junge Männer aus Paris Suriray ihre kaputten Fahrräder brachten und ihn baten, sie zu reparieren, damit sie noch schneller fuhren. Sie wollten einen Wettbewerbsvorteil. Suriray schaute sich die Fahrräder an und stellte fest, dass ihre Vorderradlager durch Reibung und Missbrauch abgenutzt waren. Wenn er die Reibung verringern könnte, würde das Fahrrad schneller fahren und länger halten.

Wir wissen, dass ein großes Rennen bevorstand – der 7. November 1869 – das erste Langstrecken-Radrennen über das Land, Paris nach Rouen, 80 Meilen. Suriray hat das Kugellager nicht erfunden, er war nur der erste Mensch, der ein Kugellager gebaut hat, das tatsächlich für ein Rad und eine Achse funktionierte. Er feilte die Stahlkugeln von Hand und fertigte dann mit einer Drehmaschine zwei runde Halbschalen an. Dann fand er heraus, wie er sie an Ort und Stelle halten konnte – nicht zu fest, nicht zu locker –, damit sich die Kugeln frei zwischen der Achse und dem Rad drehten . Sein Entwurf war einfach und er funktionierte sehr gut. Es ist im Grunde das gleiche Design, das wir heute verwenden. Es muss sich wirklich gut angefühlt haben, als er das Rad drehte. Es mag sich wie Magie angefühlt haben.

Einhundertzwanzig Fahrer erschienen zum Start des Rennens am Arc de Triomphe. Die Strecke führte über holprige Landstraßen mit Anstiegen, auf denen die Fahrräder geschoben werden mussten. James Moore, ein 20-jähriger Engländer auf dem Fahrrad von Suriray, wurde Erster, 15 Minuten vor dem zweiten und dritten Fahrer. Moore wurde berühmt und Suriray begann mit der Herstellung von Fahrradrädern mit Kugellagern.

Dann, im Jahr 1870, begann der Deutsch-Französische Krieg und Paris wurde zum Kriegsgebiet. Dort interessierte sich niemand mehr für Fahrräder.

Die Fahrradproduktion verlagerte sich nach Deutschland, England und in die USA. Kugellager wurden zu Standardteilen, aber ihre Herstellung war schwierig, insbesondere die Stahlkugeln, da sie einzeln von Hand geformt und gefeilt wurden. Dann, im Jahr 1883, erfand Friedrich Fischer, ein deutscher Fahrradhersteller, die Kugelschleifmaschine, die eine große Anzahl von Stahlkugeln mit hoher Präzision produzieren konnte, wobei die Abweichung nicht mehr als zwei Hundertstel Millimeter betrug.

Im Jahr 1890 sahen Fahrräder schon fast so aus wie heute und ließen sich auch so gut bedienen. Die Vorder- und Hinterräder waren gleich groß und hatten aufblasbare Gummireifen. Die Pedale befanden sich in der Mitte des Rahmens und waren mit einer Kette zum Hinterrad verbunden, und alle beweglichen Teile (außer den Bremsen) waren auf Kugellagern gelagert. Sie nannten es Sicherheitsfahrrad, weil es viel sicherer und einfacher zu fahren war als das Knochenschüttler.

Mitte der 1890er-Jahre breitete sich in Europa und den Vereinigten Staaten ein Fahrrad-Trend aus. Es gab Hunderte von Fahrradherstellern und Millionen von Menschen, die Fahrrad fuhren. Fahrräder gaben den Menschen, insbesondere den Frauen, ein neues Gefühl der Freiheit.

Frauen, die Fahrrad fuhren, forderten gleiche Rechte, etwa das Wahlrecht. Man könnte sagen, dass ihnen Kugellager zu Kopf stiegen – sie wollten in allen Teilen ihres Lebens frei und ohne Reibung sein, nicht nur, wenn sie Fahrrad fuhren.

All dies änderte sich jedoch um die Jahrhundertwende, als die Massenproduktion erschwinglicher Automobile den Männern wieder das Steuer überließ.

Kugellager wurden in Automobilen und dann in Flugzeugen sowie in elektrischen Generatoren und Elektromotoren eingesetzt. Ohne Kugellager zur Reibungsreduzierung hätten sich die rotierenden Teile dieser neuen Maschinen erhitzt und wären festgefressen.

Auf diese Weise wurden Kugellager in unserer Kultur unverzichtbar – so wie Wasser in unserem Körper lebenswichtig ist. Ein Beispiel dafür wäre die Bombardierung von Schweinfurt im Zweiten Weltkrieg. Damals, 1943, produzierte die Stadt Schweinfurt etwa 50 Prozent der Kugellager, die sich in der Kriegsmaschinerie des Dritten Reiches drehten. Die Strategie bestand daher darin, die Kriegsmaschinerie durch Bombenangriffe auf die Kugellagerfabriken lahmzulegen.

Am Morgen des 17. August 1943 starteten 230 amerikanische B-17-Bomber von England aus über den Ärmelkanal in Richtung Schweinfurt, Deutschland. Die Bomber flogen in einer Formation, die sich über 20 Meilen erstreckte und den Himmel bedeckte. Als sie den Kontinent überquerten, wurden sie von deutschen Messerschmitt-Kampfflugzeugen abgefangen, die begannen, sie abzuschießen. Alle Flugzeuge hatten Kugellager, die ihre Propellerwellen umschlossen. Es war ein Kampf um, mit und um Kugellager.

Die Fabriken wurden getroffen, erlitten jedoch nur vorübergehende Schäden, während die Amerikaner etwa 20 Prozent ihrer Flugzeuge und Besatzungsmitglieder verloren – entweder getötet oder gefangen genommen. Offensichtlich war die Bombardierungsmission kein Erfolg gewesen. Also taten es die alliierten Streitkräfte immer wieder – insgesamt 22 Mal. Und doch hat die deutsche Kriegsmaschine nie unter Kugellagern gelitten.

Heute verfügen wir über erstklassige Lager, die sowohl auf Rollenzapfen und Rollenkegeln als auch auf Kugeln laufen. Wir haben sogar Lager, die mit Flüssigkeiten und Luft betrieben werden. Beispielsweise dreht sich die Disc in meinem Laptop auf einem Luftlager, bei dem keine festen Oberflächen in Kontakt kommen, wodurch die Reibung nahezu auf Null reduziert wird. Reibung ist heute kein lösbares Problem mehr.

Unser Problem ist jetzt, dass sich um uns herum zu viele Räder und Motoren drehen. Wir sind von ihnen und den fossilen Brennstoffen, die sie am Laufen halten, abhängig geworden – wir brauchen und wollen immer mehr, während Gletscher zurückgehen und Arten aussterben.

Was wir jetzt wirklich brauchen, ist eine neue Art der Haltung, eine, die rein konzeptueller Natur ist, eine Haltung, die zwei gegensätzliche Gedanken oder Überzeugungen – wie Wissenschaft und Religion oder wir und sie – auf eine Weise zusammenhalten kann, die sich ohne Reibung verbinden lässt. Jesus und Buddha dachten, dass Mitgefühl als konzeptionelle Haltung auf diese Weise funktionieren könnte, aber Mitgefühl scheint immer Mangelware zu sein oder nicht da zu sein, wenn man es braucht.

Es ist 46 Jahre her, seit ich auf dem College auf die verstreuten Stahlkugeln auf meinem Küchenboden starrte, und ich muss gestehen, dass ich die Kunst, mich zu orientieren und die perfekte Stelle zu finden – nicht zu eng, nicht zu locker – immer noch nicht beherrschen muss – aber ich arbeite daran.

Diese Geschichte erscheint in der Oktoberausgabe des Deseret Magazine. Erfahren Sie mehr über das Abonnieren.