Leicht stabil und ohne Reibung

11.12.2010 von Michael Häßler

Diese Holzblöcke, wie sie noch in den sechziger Jahren üblich waren, brachten zwar ein ordentliches Gewicht auf die Waage, liefen unter Last aber relativ leicht und waren in mancherlei Hinsicht nicht viel schlechter als die damals „modernen“ Ausführungen aus Metall oder Kunststoff. 

Sie waren halt schwer und entwickelten sich gerade deswegen bei einem Manöver zur Gefahr. Mancher Segler dieser Zeit trug ein „blaues Auge“, das ihm bei der Halse vom fliegenden Backstagblock beigebracht wurde.

In den siebziger Jahren wurden dann die ersten Blöcke mit kugelgelagerten Rollen der staunenden Fachwelt präsentiert und die Branche warf teilweise fast identische Kopien eines prominenten amerikanischen Fabrikats auf den Markt.

Zeitweise war die Seglerwelt davon überzeugt, nicht einmal bei der Clubregatta eine Chance zu haben, wenn nicht auch noch die Flaggleine auf kugelgelagerten Scheiben lief. Solche Blöcke mutierten in den achtziger Jahren, der Boomzeit des Segelsports, schon fast zum Statussymbol. Selbst als Schlüsselanhänger wurden sie verwendet. Wer etwas auf sich hielt, trug einen Harken-Block am Schlüsselbund und konnte sich dadurch vom nichtsegelnden Normalbürger unterscheiden.

Wälzlager

Die Blöcke mit einfachen Kugellagern laufen bei leichten bis mittleren Lasten sensationell leicht, sind aber bei hohen Lasten, speziell bei großer Umdrehungszahl, eher störanfällig. Die Last konzentriert sich dabei auf wenige, im ungünstigsten Fall auf nur zwei Kugeln, die mit hoher Kraft gegen die benachbarten Kugeln gepresst werden. Dadurch entstehen innerhalb des Kugelpakets hohe Reibungskräfte. Diese werden durch Verschmutzungen zusätzlich erhöht. Weiterhin werden die Kugeln auf einer sehr kleinen Kontaktfläche belastet und verformt. Kugellager aus thermoplastischem Kunststoff, speziell mit kleinem Radius, sind zwar leicht, weisen aber nur vergleichweise geringe Arbeitslasten auf. 

Für höhere Lasten und hohe Umfangsgeschwindigkeiten geeigneter, aber auch schwerer, sind Blöcke mit Edelstahlkugeln, die in einer Lagerschale oder auf einer eingespritzten Schiene aus Edelstahl laufen. Solche Lager sind thermisch und mechanisch stabiler und führen punktuelle Wärme schneller ab.

Weiterhin steigt die Belastbarkeit eines Lagers mit seinem Durchmesser. Rollen, bei denen das Lager weit außerhalb des Rotationszentrums liegt, können potentiell höhere Lasten aufnehmen als solche, deren Kugeln weiter innen auf einer Achse laufen. Die Last verteilt sich auf mehrere Kugeln, sofern das Lager präzise gebaut ist. Präzise bedeutet, dass das Spiel zwischen den Kugeln gerade ausreichend ist um thermische und mechanische Verformungen auszugleichen. Zuviel Spiel bewirkt, dass die beiden primär belasteten Kugeln unter Lasteinwirkung auseinander und gegen die benachbarten Kugeln gepresst werden.

Grundsätzlich gelten diese Zusammenhänge auch für Nadellager. Dort wird die Last aber von vornherein auf eine größere Fläche verteilt.

Aufwändig gestaltete Blöcke für hohe Lasten haben zwei Lager. Ein vom Zentrum weit entferntes Nadellager mit großem Radius, das die radialen Kräfte aufnimmt und ein Kugelkranz zwischen Scheibe und Wangen, der als Axialrillenlager wirkt. Damit können hohe Arbeitslasten bei wenig Reibungsverlusten realisiert werden.

Genereller Nachteil eines Wälzlagers, unabhängig von dessen Ausführung, ist die Anfälligkeit bei Verschmutzung. Abrasive Partikel, wie beispielsweise Sandkörner, können die Oberfläche der Kugeln aufrauhen, wodurch die Reibung im Lager steigt und die Kugeln im Extremfall blockieren können.

Gleitlager

Ab einer gewissen Last bieten Wälzlager keinen Vorteil mehr gegenüber den robusteren Gleitlagern. Vor allem bei hohen statischen Lasten, wie diese beispielsweise an Fallscheiben, an Achter- oder Backstagen auftreten, sind Rollen mit Lagerbuchsen aus Bronze oder einem reibungsarmen Kunststoff besser geeignet. Oft handelt es sich dabei um einen Verbundstoff mit hohem Graphitanteil oder mit eingebetteten Partikel eines Polyolefins wie beispielsweise Teflon. Auch die althergebrachten, preisgünstigen und vor allem mechanisch robusten Tufnol-Scheiben eignen sich bestens für solche Zwecke, wenn man nicht das allerletzte Quentchen an Leistung einfordert oder mit jedem einzelnen Gramm kalkuliert. Gute Ausführungen besitzen Bronzeeinlagen an der Scheibe, die an den Wangen laufen, und haben eine Bronzebuchse als Lager.

Weniger ist mehr

Nachdem der Minimalismus (und auch der Preis) beispielsweise von der französischen Marke „Karver“ vor einigen Jahren auf die vorläufige Spitze getrieben wurde, lassen andere Hersteller jetzt sogar das Lager und die Scheibe ganz weg, was aber nicht zwangsweise bedeutet, dass die Beschläge deswegen weniger kosten. 

Im Prinzip wurde die alte Technik der scheibenlosen Holzblöcke in ein modernes Gewand aus hart eloxiertem Aluminium gesteckt. Die Befestigung aus Tauwerk verläuft bei diesen ringförmigen Kauschen über das kreisrunde Außenprofil und die „bewegliche“ Leine durch die zentrale Bohrung. Eine Technik, wie sie vielen Bodenseeseglern noch aus ihrer Vaurien-Zeit bekannt sein dürfte, als man die in den Bauvorschriften begrenzte Anzahl der Rollen mit Kauschen und Schäkeln überlistete. 

Die Materialpaarung aus der harten Oberfläche des Beschlags und der sehr glatten Dyneema-Leine sorgt für extrem wenig Reibung und das System zeichnet sich durch eine sehr hohe Festigkeit, extrem geringes Gewicht und das Nichtvorhandensein anfälliger Komponenten aus. Es bietet sich insbesondere dort an, wo hohe, vorwiegend statische Lasten auftreten und geringes Gewicht eine besondere Rolle spielt. Das ist beispielsweise beim Spinnaker-Barberholer der Fall.

Innere Reibung

Auch der relativ geringe Umschlingungswinkel bei dieser Anwendung spricht für eine solch einfache Lösung, weil dabei keine hohe innere Reibung in der Leine auftreten kann. Als solche wird die Reibung zwischen den Fasern bezeichnet, die innerhalb der Leine auftritt. Die innere Reibung ist um so höher, je kleiner der Radius ist, um die das Tauwerk gezogen wird. Deshalb läuft eine Talje auf großem Rollendurchmesser bei identischer Tauwerkstärke leichter als eine Talje auf kleinen Rollen.

Dyneema-Tauwerk ist oft  ein Schlauchgeflecht, also eine Seilkonstruktionen ohne Mantel, bei der die Garne nur lose verflochten sind. Der Querschnitt dieser Taue legt sich, ähnlich wie Gurtband, flach um eine Rolle und besitzt schon deswegen eine sehr geringe innere Reibung, braucht allerdings mehr seitlichen Platz auf der Scheibe als eine Tauwerkseele, die in einem relativ steifen, runden Mantel steckt. Daher ist das ideale Rollenprofil für abgemanteltes Dyneema-Tauwerk nicht rund sondern flach.

Belastbarkeit

Die Arbeitslast definiert die maximale Belastung, die ein Beschlag ohne bleibende Deformation übersteht. Wird diese überschritten, können Schäden entstehen, die die Funktion einschränken ohne dass der Beschlag in seiner statischen Funktion beeinträchtigt ist. Oft ist das Lager die Schwachstelle, die als Erstes kaputt geht oder der Befestigungsbügel, der verbogen wird. Erst bei Erreichen der Bruchlast reisst das Gehäuse, ein Niet oder ein Bolzen. 

Ziel der Konstrukteure ist es, eine hohe Arbeitslast bei  Minimierung des Gewichts zu erreichen. Dabei kommen ihnen moderne Faserverbund-Werkstoffe entgegen, deren Leistungsgewicht deutlich unter dem von Leichtmetallen wie Aluminium oder gar Titan liegen kann, deren Verarbeitung aufwändig und teuer ist.

Laschings statt Schäkel

Vor allem durch die Verwendung von Laschings und anderen Tauwerkverbindungen sind die Blöcke nicht nur leichter geworden, sondern  können auch höher belastet werden. Der Schwachpunkt eines Blocks ist regelmäßig der Bolzen des Schäkels, der schon bei relativ geringer Last verbogen wird. Ein Lasching aus modernem Hochmodul-Tauwerk ist bei einem Bruchteil des Gewichts wesentlich fester und braucht keine mechanisch aufwändige Aufhängung. Solche Komponenten werden per Umschlingung befestigt, wofür schon eine hohle Achse ausreicht, durch die die Leine geführt wird.

Die Befestigung von Blöcken durch Laschings, beispielsweise an der Fußreling, ist von der Festigkeit her allen anderen Befestigungsarten überlegen, weil die Kraftlinien linear aufgefangen werden. Darüber hinaus ist es auch materialschonender als eine Metall-Metall-Verbindung, die hohe Punktlasten mit entsprechender Kerbwirkung verursacht und die Aluminiumreling zerkratzt.

Manche Beschlagshersteller sehen extra Bohrungen oder andere Befestigungsmöglichkeiten für Laschings an ihren Blöcken vor, wie das beispielsweise bei Harkens Carboblock oder bei Ronstan der Fall ist. Bei anderen Herstellern wird der Beschlag durch Umschlingung befestigt. Am effektivsten geschieht das durch eine Hohlachse hindurch, wodurch das Blockgehäuse selbst von den Hauptlasten befreit ist. 

Als Lasching nimmt man entweder eine dünne Leine die mehrfach geschoren wird oder eine gespleißte Tauwerkschlinge. Auch genähte Gurtbandschlaufen oder Tauwerkschäkel sind möglich. 

Wichtig ist, dass in der Verbindung keine scharfen Kanten vorkommen an denen das Lasching schamfielen könnte. Kann oder möchte man solche Kanten nicht abrunden, lassen sie sich relativ einfach mit Gurtband abpolstern oder, etwas primitiver, mit Tape abdecken. Auch Tauwerk, das wirksam vor schamfielen geschützt werden soll, lässt sich an den Kontaktstellen in einen Schutzmantel aus Gurtband einnähen. Weiterhin sind ummantelte Tauwerkskonstruktionen abriebfester als mantellose Schlauchgeflechte, auch wenn der Mantel nicht zur Zugfestigkeit beiträgt. Er trägt aber dazu bei, dass die lasttragende Seele im Tau intakt bleibt und vergrößert ihren Biegeradius.

Neue Materialien

Weshalb hat man das Thema „Block“ nicht schon früher so konsequent auf das Minimum reduziert? Die Antwort lautet wie immer: Weil die entsprechenden Grundlagen noch nicht bekannt waren oder es die Materialien, die solche Technik ermöglichen, noch nicht gab. 

Die Hauptinnovation kam durch Hochmodlfasern wie beispielsweise „Dyneema“ oder „Spectra“, die eine enorme Zugfestigkeit aufweisen, um enge Radien gebogen werden können, abriebfest sind und auch ohne Mantel dem Sonnenlicht ausgesetzt werden können. Mit dem Knick-und UV-empfindlichen Kevlar, dem Vorläufermaterial für hochfestes Tauwerk, waren viele solcher Anwendungen nicht möglich.

Polyestertauwerk ist weit von der Festigkeit moderner Hochmodulfasern entfernt und weist einen hohen Materialreck auf. Das ist auch der Grund, warum Fallen, Backstage und Trimmtaljen teilweise bis heute noch aus Drahttauwerk gefertigt werden.

Im Prinzip sind die Innovationen im High Tech-Bereich nichts anderes als altes Seemannshandwerk, dessen damalige Unzulänglichkeiten durch die Verwendung von modernem Tauwerk kompensiert werden.