Beschichtet läuft es wie geschmiert / 06.07.2016

Trocken- und minimalmengengeschmierte tribologische Systeme

Das Bild zeigt Rollenketten der Firma „iwis Antriebssysteme“. Sie werden beispielsweise in Landmaschinen verwendet. Neuartige Beschichtungen können den Verschleiß mindern und die Wartungsintervalle deutlich verlängern.
Rollenketten der Firma „iwis Antriebssysteme“ werden beispielsweise in Landmaschinen verwendet. Neuartige Beschichtungen können den Verschleiß mindern und die Wartungsintervalle deutlich verlängern. © Iwis Antriebssysteme

Antriebsketten und Lager in Bau- und Erntemaschinen sollen durch eine neuartige Beschichtung künftig fast ohne Schmierung funktionieren, ohne vorzeitig zu verschleißen. Durch neue Schichtsysteme wollen Forscher Reibung minimieren und Energieverluste im Antrieb halbieren.

Damit tribologische Systeme in Getrieben, Lagern und Ketten künftig keine oder nur eine minimale Schmierung durch Öle oder Fette benötigen, entwickeln die Wissenschaftler für verschiedene Werkstoffmaterialien geeignete Schichtsysteme wie DLC (diamond like carbon), Hybridschichten sowie Gleitlacke. Die zwölf Partner des Projekts „Charakterisierung von effizienzoptimierten Schicht-Schmierungssystemen (CHEOPS3)“ wollen durch konsequente Reibungsreduktion die Energie- und Ressourceneffizienz von Antrieben verbessern. Dazu tragen auch vereinfachte Bauteilegeometrie und nicht mehr notwendige Dichtungen bei teilweisem Verzicht auf Schmiermittel bei. Die Wissenschaftler erwarten, dass sich der Energieverlust um bis zur Hälfte reduziert und dass die Bauteile durch geringeren Verschleiß länger halten.

Verschleiß und Reibung minimieren, ohne zu schmieren

Verschleiß und Energieverbrauch von Maschinen steigen drastisch an, wenn sie nicht optimal geschmiert werden. Bei vielen Anwendungen ist eine ideale Schmierung jedoch gar nicht möglich, beispielsweise bei freilaufenden Motorradketten oder landwirtschaftlichen Maschinen. Für diese Einsatzbedingungen entwickeln die Forscher neuartige Beschichtungen und darauf angepasste Schmierstoffe. Die zwölf Projektpartner aus Industrie und Wissenschaft wollen einen langfristigen Verschleißschutz selbst bei minimaler Schmierung bis hin zur Trockenreibung erreichen, um so die Effizienz von Maschinen zu steigern.

Im Fokus des im Oktober 2015 gestarteten Forschungsprojekts stehen Anwendungen, bei denen eine vollständige Schmierung nicht möglich ist. Für den Betrieb von Motorrädern, Kreiselpumpen, Kettenförderaggregaten, Schienenfahrzeugkupplungen oder Erntegeräten entwickeln die Wissenschaftler diamantähnliche Beschichtungen (DLC Diamond like Carbon) sowie in einer zweiten Entwicklungslinie nitridische Hartstoffschichten. Die Werkstoffbeschichtungen sollen bei diesen Anwendungen einen wartungsarmen und servicefreundlichen Dauerbetrieb ermöglichen sowie Lebensdauer und Energieeffizienz erhöhen mit sehr wenig oder ganz ohne Schmierstoff. „Wir erhoffen uns, dass wir die Energieverluste durch Trockenreibung bzw. Minimalmengenschmierung im Idealfall um bis zu 50 % reduzieren können“ sagt Dr. Kai Arens, Projektleiter bei iwis motorsysteme. Bei einer entsprechend beschichteten Motorradkette würde eine Initialschmierung ausreichen; das Nachschmieren könnte entfallen. Bei Erntemaschinen gibt es neben der wartungsärmeren Nutzung einen weiteren Vorteil: Je weniger Schmierstoffe die Maschinenteile benötigen, desto weniger können in Boden und Grundwasser eingetragen werden.

Die Firma Iwis motorsysteme koordiniert das Forschungsvorhaben. Die zwölf Partner, die im Projekt arbeiten, bilden die gesamte Wertschöpfungskette ab. Neben Komponenten- und Systemlieferanten sind Forschungsinstitute, Beschichtungsanlagenbauer, Lohnbeschichter und Endanwender vertreten.

Diamantartige Kohlenstoffschichten

Einen Schwerpunkt in der Schichtentwicklung stellen diamantartige tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C) dar, die das Fraunhofer IWS aus Dresden entwickelt. Diamantähnliche Beschichtungen verbinden eine außerordentliche Gleitfähigkeit mit Antihafteigenschaften, chemischer Stabilität und einer extremen Materialhärte. Sie werden bereits in Motorkomponenten eingesetzt. Die Forscher greifen auf die Erfahrung aus den Fördervorhaben PEGASUS I und II zurück. Diese hatten sich damit beschäftigt, wie eine im Automobilbereich Supraschmierung maschinenbaulicher Teile durch diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC) und spezielle Schmiermittelkomponenten möglich wird. Bei diesen Maschinenkomponenten spielt jedoch Trockenreibung keine Rolle.

Nitridische Hartstoffschichten

Als alternative Beschichtung entwickelt das Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen nitridische, triboaktoive Hartstoffschichtsysteme (Cr,Al)N durch eine Zugabe von triboaktiven Elementen weiter, um sie an die Bedingungen in minimalmengengeschmierten oder trockenlaufenden Antriebssystemen anzupassen.

Im klassischen Tribokontakt überwiegt in nahezu allen technischen Anwendungen der Kontakt Stahl-Stahl. Beschichtete Oberflächen bringen neue Eigenschaften mit sich. Dadurch ergeben sich jedoch neue Anforderungen an den Schmierstoff. Daher werden adaptierter Schmierstoff-Formulierungen entwickelt, die die Reibeigenschaften der Oberflächenbeschichtungen im Betrieb optimieren und somit erhöhten Verschleiß vermeiden und Wartungsintervalle deutlich verlängern können.

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt: Charakterisierung von effizienzoptimierten Schicht-Schmierungssystemen (CHEOPS3)

Projektkoordination, Steuerketten
iwis motorsysteme 

Antriebsketten
iwis antriebssysteme 

Motorräder
BMW Group 

Bogenzahnkupplungen für Schienenfahrzeuge
Henschel Antriebstechnik 

Pumpen
KSB Aktiengesellschaft 

Getriebe
Herzog 

Schichtentwickler
RWTH IOT 

Schichtentwickler
Fraunhofer IWS 

Beschichtungsanlagen
VTD Vakuumtechnik 

Schmierstoffe
Fuchs Schmierstoffe 

Bewertung des tribologischen Potenzials
FZG TU München 

Lohnbeschichter
H-O-T

Förderkennzeichen
03ET1286A-M

Laufzeit

2015 – 2017

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.