Aktuell / 06.01.2016

Wer gut beschichtet, der gut fährt

Rollenketten werden beispielsweise in Landmaschinen verwendet. Neuartige Beschichtungen können den Verschleiß mindern und die Wartungsintervalle deutlich verlängern. © Iwis Antriebssysteme

Verschleiß und Energieverbrauch von Maschinen steigen drastisch an, wenn sie nicht optimal geschmiert werden. Doch oft ist eine ideale Schmierung gar nicht möglich, beispielsweise bei freilaufenden Motorradketten oder landwirtschaftlichen Maschinen. Für diese Einsatzbedingungen entwickeln Forscher im Projekt CHEOPS3 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.

 

In Motoren, Getrieben, Wälzlagern, überall dort, wo in Maschinen Oberflächen aneinander reiben, sorgen Schmierstoffe für einen geringen Verschleiß und halten den Energieverbrauch in Grenzen. Ideal gelingt dies, wenn ein Schmierfilm die Reibpartner vollständig voneinander trennt. Bei der Konstruktion von Maschinen wird in der Regel diese Vollschmierung angestrebt. Unter extremen Belastungen, etwa wenn ein Motor heiß läuft, kann der Schmierfilm versagen, was zu hoher Reibung und Schädigung des tribologischen Systems führen kann. Im Fokus des im Oktober 2015 gestarteten Forschungsprojekts CHEOPS³ (Charakterisierung von Effizienz optimierten Schicht-Schmierungs-Systemen) stehen jedoch Anwendungen, bei denen eine vollständige, sogenannte Überflutungsschmierung, ohnehin nicht möglich ist. Ziel der Forscher ist es, Gleitsysteme in Getrieben, Lagern und Ketten so zu optimieren, dass diese keine Schmierung durch extern zugeführte Schmierstoffe wie Öl oder Fett mehr benötigen.

Beschichtungen ermöglichen wartungsarmen Betrieb

Im Verbundprojekt CHEOPS3 konzentriert sich das Fraunhofer IWS auf die Entwicklung selbstschmierender Schichtsysteme auf Basis harter Kohlenstoffschichten. ©Frank Höhler/IWS

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 – mit minimalem oder ganz ohne Schmierstoffeinsatz - einen wartungsarmen und servicefreundlichen Dauerbetrieb ermöglichen sowie Lebensdauer und Energieeffizienz erhöhen. „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. Zur Verbesserung der Wartungsfreundlichkeit könnte beispielsweise das Nachschmieren einer so beschichteten Motorradkette entfallen; eine Initialschmierung würde ausreichen. Bei Erntemaschinen gibt es neben der wartungsärmeren Nutzung einen weiteren Vorteil: Je weniger Schmierstoffe die Maschinenteile benötigen, desto weniger können sie Erntegut, Boden und Grundwasser verschmutzen.

Die Koordination des Forschungsvorhabens liegt bei der Firma iwis motorsysteme aus München. Das Konsortium umfasst insgesamt zwölf Partner, die die gesamte Bandbreite der Wertschöpfungskette abbilden. Neben Komponenten- und Systemlieferanten sind auch Forschungsinstitute, Beschichtungsanlagenbauer, Lohnbeschichter und Endanwender vertreten.

Diamantähnliche Kohlenstoffschichten

„Damit die Gleitsysteme unter verschiedensten Lastbedingungen eine dauerhaft niedrige Reibung und einen vernachlässigbar kleinen Verschleiß aufweisen, müssen in erster Linie geeignete Schichtwerkstoffe gefunden werden, die eine ausreichende Selbstschmierung gewährleisten“, sagt Dr. Volker Weihnacht, Abteilungsleiter Kohlenstoffschichten und Projektleiter am Fraunhofer IWS Dresden. Das Institut entwickelt diamantartige tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C).

Diamantähnliche Beschichtungen verbinden eine außerordentliche Gleitfähigkeit mit Antihafteigenschaften, chemischer Stabilität und einer extremen Materialhärte. Sie werden bereits in Motorkomponenten eingesetzt und weiter erforscht. Im Projekt Pegasus II  beispielsweise arbeiten Wissenschaftler an der großtechnischen Nutzung für Antriebsstränge in Fahrzeugen. Bei diesen Maschinenkomponenten spielt jedoch Trockenreibung keine Rolle.

Nitridische Hartstoffschichten mit neuen Schmierstoffen kombinieren

Der zweite Schwerpunkt der Schichtentwicklung beruht auf nitridischen, triboaktiven Hartstoffschichten. Hierzu wird das am Institut für Oberflächentechnik (IOT) in zahlreichen Forschungsvorhaben erfolgreich entwickelte und erprobte Hartstoffschichtsystem (Cr,Al)N durch eine Zugabe von triboaktiven Elementen weiterentwickelt und an die Bedingungen unter Minimalmengenschmierung angepasst.

Im klassischen Tribokontakt überwiegt in nahezu allen technischen Anwendungen bis heute der Kontakt Stahl-Stahl. Beschichtete Oberflächen haben neue Eigenschaften – daraus ergeben sich neue Anforderungen an den Schmierstoff. Daher wird ein weiterer Schwerpunkt auf der Entwicklung adaptierter Schmierstoff-Formulierungen liegen, welche in der Lage sind, die Reibeigenschaften der Oberflächenbeschichtungen im Betrieb zu optimieren, erhöhten Verschleiß zu vermeiden und Wartungsintervalle deutlich zu verlängern.

Das Projekt startete am 01. Oktober 2015 und hat eine Laufzeit von drei Jahren. Es wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie mit insgesamt 7,2 Mio. Euro gefördert. Erste Ergebnisse erwarten die Forscher im Jahr 2017.

Verknüpfte Projekte

  • Die klassischen Methoden, Reibung zu minimieren, haben Ingenieure in der langen Entwicklungsgeschichte des Maschinenbaus im Wesentlichen ausgereizt. Weitere Optimierungen spielen sich meist im kleinen Prozentbereich ab. Jetzt können neuartige Beschichtungen aus diamantähnlichen, schwarz glänzenden Kohlenstoffverbindungen ihre Vorteile ausspielen. ... mehr

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben: Trocken- und minimalgeschmierte tribologische Systeme CHEOPS3

Laufzeit: 2015-2018

Förderkennzeichen: 03ET1286A-L

Adressen

Projektleitung,Steuer- und Antriebsketten
IWIS Motorsysteme, IWIS Antriebssysteme

Motorräder
BMW Group

Bogenzahnkupplungen für Schienenfahrzeuge
Henschel Antriebstechnik

Pumpen
KSB Aktiengesellschaft

Getriebe
Herzog hGears

Schichtentwickler
Institut für Oberflächentechnik der RWTH Aachen

Schichtentwickler
Fraunhofer IWS

Beschichtungsanlagen
VTD Vakuumtechnik Dresden

Schmierstoffe
Fuchs Schmierstoffe

Bewertung des tribologischen Potenzials
Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau FZG, TU München

Lohnbeschichter
H-O-T Härte- und Oberflächentechnik

Forschungsförderung

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