Neuartige Beschichtung spart Energie / 07.03.2017

PEGASUS II – Reibungsreduzierung in Antriebssystemen

Mit superharten Schichten aus tetraedrischem amorphem Kohlenstoff (ta-C) beschichtete Zahnräder / Getriebebauteile.
Mit superharten Schichten aus tetraedrischem amorphem Kohlenstoff (ta-C) beschichtete Zahnräder / Getriebebauteile. © Fraunhofer IWS Dresden

Durch die Beschichtung von Maschinenbauteilen mit diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (DLC) laufen Motoren, Getriebe und Lager leichter und ausdauernder. In Kombination mit speziellen Schmiermitteln können die beschichteten Oberflächen ungeahnt niedrige Reibungswerte erreichen. Das extrem harte Material mindert dadurch Energieverluste und Verschleiß. Diese Supraschmierfähigkeit wollen Wissenschaftler im interdisziplinären Forschungsvorhaben Pegasus II für den Automobilbereich nutzbar machen.

Die Forscher erwarten, dass sie mit DCL-Schichten bei Trocken- beziehungsweise Minimalmengenschmierung den Reibungsverlust von Lagern und Antrieben etwa halbieren können. Durch geringeren Verschleiß steigt außerdem die Haltbarkeit der Bauteile.

 

In dem Verbundprojekt arbeiten Forschungszentren, Universitäten sowie Automobil- und Zulieferunternehmen an Beschichtungsverfahren, die sich für die Großserie eignen. Ergänzend entwickeln sie angepasste Schmierstoffe, mit denen sich der quantenmechanische Effekt der Supraschmierfähigkeit erreichen lässt.
Sie erforschen, wie sich dieser Effekt bei Komponenten von Verbrennungsmotoren, hydraulischen Antriebs- und Arbeitsmaschinen, Kraftübertragungseinheiten sowie Lagern und Dichtungen nutzen lässt.

 

Von den Grundlagen zur Anwendung

Die Forscher bauen auf den Ergebnissen des vorangegangenen Pegasus-Projektes auf. Durch analytische Untersuchungen und Simulationen konnte dort ein besseres Verständnis von Beschichtung und Schmierung erreicht werden. Die Wissenschaftler hatten tribologische Versuchsreihen mit unterschiedlichen diamantartigen Kohlenstoffschichten und Schmierstoff-Additiv-Kombinationen durchgeführt. Mit Beschichtungsversuchen an einem Achsgetriebe hatten sie darüber hinaus gezeigt, dass sich komplexe Geometrien dauerhaft beschichten lassen. Praktische Untersuchungen mit diesem Bauteil belegten die Reibungsminderung der DLC beschichteten Oberflächen mit niederviskosen Schmiermittel.

 

Pegasus II führt diese Arbeiten fort. So zielen die beteiligten drei Fraunhofer Institute auf die Optimierung von Kohlenstoffschichten für Bauteile und Komponenten aus Stahl, Kunststoff sowie Elastomeren. Parallel sollen atomistische Simulationen das Verständnis der tribologischen Vorgänge erweitern.

 

Die neu entwickelten superharten Schichten bestehen aus tetraedrischem amorphem Kohlenstoff (ta-C). Sie sind deutlich härter als die bereits vielfaltig in der Industrie eingesetzten DLC-Schichten und besitzen wesentlich bessere Reibeigenschaften. Für die Herstellung dieser Schichten entwickelte das Fraunhofer IWS mit der Laser-Arc-Technologie ein industriereifes Verfahren.

 

Neue Werkstoffe mindern Verbrauch und Verschleiß

In den unterschiedlichen Teilprojekten tragen die Beteiligten dazu bei, das gemeinsame Ziel, den optimalen Superlubricity (SL-)-Effekt zu erreichen. Die Forscher beschichten tribologisch stark beanspruchte Automobilkomponenten und Bauteile sowie Hydraulikkomponenten mit optimierten ta-C-Schichten und testen diese in Verbindung mit ausgewählten Schmiermitteln.

 

Das Potenzial für eine technische Anwendung ist enorm: Mit relativ einfachen, umweltverträglichen Maßnahmen lassen sich Reibungsverluste bei technischen Anwendungen deutlich reduzieren. Beispielsweise sinkt der Verbrauch von Antrieben, wenn Kohlenstoffschichten etwa auf Kolbenringe oder Kolbenbolzen von Motoren aufgebracht werden. Über Reibungsminimierung und Verschleißschutz hinaus können beschichtete Oberflächen Bauteile auch vor Korrosion schützen.

 

Die Forschungsarbeit zum Themenkomplex konzentriert sich insbesondere auf folgende Schwerpunkte:

 

  • In interdisziplinärer Zusammenarbeit werden Tribokontakte im Ventiltrieb, in Lagern und Kettentrieben optimiert. Durch Reibungsoptimierung an Einzelkomponenten wie beispielsweise der Tassenstößel/Nockenwelle Paarung lässt sich der Motor energieeffizienter betreiben.
  • Die Anlagen zur Abscheidung von ta-C Schichten werden mit Blick auf eine Serienfertigung getestet und weiterentwickelt.
  • Der Superlubricity-Effekt wird an Stirn- und Kegelrädern getestet, dabei untersuchen die Forscher unter anderem an Planetenradsätzen aus PKW-Automatikgetrieben, wie wirksam und langzeitstabil die weiterentwickelten Kohlenstoff-/Schmierstoffsysteme und Oberflächenfinish-Verfahren sind.
  • Zur Umsetzung des Superlubricity (SL-)-Effekts zwischen bestimmten Kohlenstoffschichten und spezifischen Schmierstoffadditiven ist es erforderlich, die Kohlenstoffschichten lebensdauerstabil auf die Gleitkomponenten aufzubringen sowie die SL-aktiven Substanzen wirksam in den Schmierstoff einzubringen. Die Forscher identifizieren SL-aktive Substanzen und deren Wirkungsweise und integrieren sie in die Schmierstoffformulierungen.
  • Mit dem Ziel, die Reibleistungsverluste in einem Abgasturbolader zu minimieren, wird eine neuartige aerodynamische Lagerung des Rotors, eine Luftlagerung, entwickelt. Durch die Verwendung von Luft als Schmiermittel anstelle von Öl können die Reibungsverluste sehr stark reduziert werden.
  • Es werden reibungsreduzierende Dichtungslösungen für Komponenten bzw. Baugruppen aus den Bereichen Hydraulik und Pneumatik, gasgeschmierte Gleitringdichtungen, mangelgeschmierte Systeme und weitere dynamische Dichtsysteme entwickelt.
  • Auf Basis der experimentellen Ergebnisse werden Komponenten und Bauteile mit optimierten Kohlenstoffschichten versehen und mit ausgewählten Superlubricity-aktiven Schmiermitteln getestet.

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben
PEGASUS II - Progressiver Energieeffizienz-Gewinn in Antriebssystemen durch Schichtwerkstoffe und Schmierstoffe

Förderkennzeichen:
03ET1187A-I

Laufzeit:
01.05. 2013 – 31. 12. 2016

Projektbeteiligte

Betriebliche Umsetzung
Bayerische Motoren Werke

Herstellung ta-C basierter Schichtsysteme
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik

Optimierte Pumpen und Turbolader
Bosch Mahle Turbo Systems

Energieeffizienz hochbeanspruchter Maschinenkomponenten
Schaeffler Technologies

Technologie zur Herstellung gefilterter ta-C Schichten
VTD Vakuumtechnik Dresden

Getriebeoptimierung und Prüfstandsläufe
ZF Friedrichshafen

Schmierstoffkonzepte für Schichtsysteme
FUCHS Schmierstoffe

Elastomer-und Dichtungsentwicklung
Freudenberg Sealing Technologies

Nichtautomotive Anwendungen
Bosch Rexroth

Service

Supraschmierung im Automobil
BINE-Projektinfo 11/2012
(PDF, 4 Seiten, 1,0 MB)

Forschungsförderung

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