Aktuell / 06.04.2017

Reibung in Motoren und Antrieben reduzieren

Beschichtete Schlepphebel ermöglichen einen reibungsärmeren Ventilantrieb im Motor. © Schaeffler Technologies

Autos werden sparsamer, Antriebe effizienter und ihre Komponenten verschleißen weniger. Das wird möglich durch Beschichtungen, Mikrostrukturen und Schmierstoffe, die Forscher von 12 Instituten und Unternehmen im Projekt PEGASUS II entwickelten, um die Reibung in Motoren und Getrieben stark zu reduzieren.

Bei der Abschlussveranstaltung des Verbundprojekts am 17. März 2017 in Herzogenaurach stellten Experten von Forschungszentren, Universitäten sowie Automobil- und Zulieferunternehmen vor, welche Energie- und Kosteneinsparungen durch Reibungsreduzierung und Supraschmierung erreicht werden können. Bei einigen Entwicklungen ist bereits der Transfer in die industrielle Serienproduktion erfolgt.

Schwerpunkt des Projekts PEGASUS II - Progressiver Energieeffizienz-Gewinn in Antriebssystemen durch Schichtwerkstoffe und Schmierstoffe war die Reibungsreduzierung im Fahrzeug. In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Verbundprojekt erarbeiteten die Forscher neue Erkenntnisse zu den Grundlagen der Tribologie (Reibungslehre); diese setzten sie fachübergreifend dazu ein, Reibung und Verschleiß zu verringern.

Gemeinsam entwickelten sie ultraharte Beschichtungen und dazu passende Schmierstoffe, um den theoretisch vorhergesagten Effekt der Supraschmierung zu nutzen. Außerdem erforschten sie mikrostrukturierte, tribologisch wirksame Oberflächen. Die Forscher untersuchten, wie sie damit Komponenten von Verbrennungsmotoren, hydraulischen Antriebs- und Arbeitsmaschinen, Kraftübertragungseinheiten sowie Dichtungen und Lager verbessern können.
Die Forschungsergebnisse wurden erfolgreich in die Praxis übertragen. Mit einem neuen großserientauglichen Verfahren werden Antriebs-Komponenten wie Zahnräder, Lager und Lagerdichtungen, Zylinderlaufbahnen, Kolbenringe, Kipphebel oder Tassenstößel beschichtet und bereits in Serie produziert. Der kombinierte Einsatz von Leichtlauf-Schmierstoffen, superharter Beschichtungen und Oberflächenstrukturen macht Motoren und Antriebe sparsamer, die CO2-Bilanz von Fahrzeugen verbessert sich.

Neue Beschichtungen, Mikrostrukturen und Schmierstoffe senken Verbrauch und Verschleiß

Dieser Abgasturbolader mit Luftlagerung wurde im Rahmen des Forschungsprojekts PEGASUS II entwickelt. Mit diesem Prototyp wurde das Wirkungsgradniveau moderner Hocheffizienzturbolader bereits fast erreicht. © Bosch Mahle Turbo Systems
Mikrostrukturen am Radialwellendichtring © Freudenberg Sealing Technologies
In dieser Hartstoffbeschichtungsanlage werden Komponenten mit ta-C-Schichten veredelt. Links im Bild ist das vom Fraunhofer IWS entwickelte Laser-Arc-Modul zu sehen. © VTD Vakuumtechnik Dresden

Die Forscher veredelten die Oberfläche von tribologisch stark beanspruchten Automobil- und Hydraulikkomponenten mit superharten Schichten aus sogenanntem tetraedrischem amorphem Kohlenstoff (ta-C) und testeten diese in Verbindung mit ausgewählten Schmiermitteln. Das Fraunhofer IWS entwickelte das Laser-Arc-Verfahren zur Herstellung dieser Schichten zur Industriereife. Die Firma VTD Vakuumtechnik Dresden stellt diese Hartstoffbeschichtungsanlage her. Die ta-C-Schichten sind deutlich härter als die bisher in der Industrie eingesetzten konventionellen Diamond-Like-Carbon- (DLC) Schichten und besitzen wesentlich bessere Reibeigenschaften.
Bei der Tagung in Herzogenaurach stellten die Forscher der beteiligten 12 Einrichtungen den etwa 120 Fachteilnehmern ihre Ergebnisse vor. Sie hatten ihre Arbeit in sechs Schwerpunktthemen aufgeteilt: Tribologie, Motorkomponenten, Getriebe, Hydraulik, Dichtungen und Anlagentechnik. In diesen Bereichen erreichten die verschiedenen Arbeitsgruppen folgende Fortschritte:

Die AG Tribologie beschäftigte sich mit den grundlegenden Aspekten tribologischer Vorgänge, insbesondere hinsichtlich des Supraschmiereffektes, der durch eine Kombination von Kohlenstoffschichten mit spezifischen Schmierstoffarten entsteht. Mit Tribometer- und Prüfstandversuchen sowie atomistischen Simulationen legten sie die Grundlage für neue Werkzeuge zur Charakterisierung von Reibungs- und Verschleißvorgängen. Parallel verbesserten sie die Belastbarkeit schwer beanspruchter ta-C-Schichtsysteme sowie den reibungsmindernden Effekt der Schmierstoffe. Die Forscher fanden geeignete Paarungen von harten Kohlenstoffschichten und ausgewählten Schmierstoff-Zusammensetzungen. Neben dem Supraschmiereffekt untersuchten sie weitere Maßnahmen der Reibungsminderung, z.B. niedrigviskose Schmierstoffe, neuartige Grundöle und neue Additivkonzepte. Für einige Anwendungen können die Erkenntnisse direkt in Antriebssystemen umgesetzt werden.

Die Forscher der AG Getriebe untersuchten, wie die Reibung im Getriebe durch Beschichtung und neuartige Glättungsverfahren von Verzahnungen und Lagerlaufbahnen im Zusammenspiel mit innovativen, niedrigviskosen Schmierstoffen reduziert werden kann. Dabei ist zu berücksichtigen, dass eine niedrige Schmierstoffviskosität den Wirkungsgrad verbessert, Oberflächen und Schmierstoff jedoch stärker beansprucht werden. Reibungsreduzierende Vorbehandlung und gezielt eingesetzter Einlaufverschleiß führen zu wirkungsgradsteigernden und verschleißbeständigen Verzahnungsoberflächen. Diese Ergebnisse werden bei BMW und Schaeffler bereits umgesetzt.
Die Forscher untersuchten, welchen Einfluss verschiedene Oberflächenfertigungsverfahren und Beschichtungen auf Reibung und Schmierfilmaufbaus bei niedrigviskosen Ölen haben. Je niedrigviskoser ein Schmierstoff desto später erfolgt prinzipiell der Schmierfilmaufbau. Die damit verbundene längere Verweildauer in der Mischreibung erhöht zunächst die Neigung oberflächeninduzierter Schäden. Um Funktion und Lebensdauer der Lager bei Verwendung von niedrigviskosen Ölen zu gewährleisten, wird erforscht, wie Oberflächenstruktur und Beschichtung im Verbund mit niedrigviskosen Schmierstoffen Reibung und Verschleiß beeinflussen.

Einige der Entwicklungen der AG Motorkomponenten flossen bereits in die Fertigung ein. Die Reibung wird beispielsweise reduziert durch den Einsatz von luftgelagerten Turboladern, beschichteten Tassenstößeln und Schlepphebeln sowie einer veränderten Bearbeitung von Eisenspritzschichten für Zylinderlaufbahnen.

Die AG Hydraulik ersetzte bleihaltige Buntmetalle durch harte Kohlenstoffschichten. Insbesondere in Kombination mit einigen unkonventionellen Ölen konnte zusätzlich eine deutliche Reibungsreduzierung gegenüber mineralölbasierten Standardölen festgestellt werden. Dafür kombinierten die Forscher für einzelne Reibstellen verschiedene Schichten und Öle und untersuchten sie in Modellversuchen.

Die AG Dichtungen untersuchte die Wirkung von Beschichtungen und Mikrostrukturen an dynamischen Dichtungen, denn auch die modernsten Radialwellendichtungen verursachen durch Reibung nicht vernachlässigbare Energie- und Effizienzverluste. Nicht nur beim klassischen Antrieb, sondern auch gerade bei zukünftigen E-Mobility-Lösungen bewirkt die Reduzierung der Reibung an den dynamischen Dichtstellen von Elektroantrieben, Getrieben und Radlagern direkt eine höhere Reichweite des Fahrzeugs. Um dieses Ziel zu erreichen, testeten die Ingenieure dazu unter anderem verschiedene beschichtete Elastomere unter Mangelschmierungsbedingungen. Das Beschichtungsverfahren für Radialwellendichtringe konnte auf industriellen Maßstab skaliert werden.
Die Forscher untersuchten, wie Mikrostrukturen und deren Form und Geometrieverhältnisse die Hydrodynamik in Dichtsystemen beeinflussen und damit zur Reibungsreduzierung beitragen. Für diese wenige Mikrometer kleinen Strukturen schufen sie softwarebasierte Simulationsmodelle, die solche mehrskalige und hochelastische Systeme abbilden können. Prüfstandstests dieser Strukturen am Radialwellendichtring konnten deren Wirkung bestätigen.

Die AG Anlagentechnik, speziell das Fraunhofer IWS, entwickelte eine modulare Plasmaquelle mit Plasmafilter für die Abscheidung reib- und verschleißreduzierender ta-C-Schichten im industriellen Maßstab. Die Plasmaquelle mit einer Beschichtungshöhe von 850 mm wurde steuerungstechnisch in eine industrielle PVD-Batch-Beschichtungsanlage integriert; das ermöglicht die Realisierung vollautomatischer Beschichtungsprozesse. Mit Einführung der Plasmafiltertechnik ist es gelungen, qualitativ hochwertige ta-C-Schichten im aufskalierten Maßstab herzustellen.
Die IHI Hauzer Techno Coating, assoziierter Pegasus-Projektpartner, entwickelte eine Technologie zur Herstellung von ta-C Schichten mittels Hochleistungsimpuls-Magnetronsputtern (High Power Impulse Magnetron Sputtering HIPIMS). Die auf diese Art produzierten ta-C Schichten können ohne eine Nachbehandlung industriell eingesetzt werden.

Großes Einsparpotenzial erwartet

Die Forscher erwarten, dass sich durch konsequente weitere Forschung und Entwicklung im Bereich Tribologie Energieverbrauch und Emissionen deutlich senken lassen. Die 2012 in Tribology International veröffentlichte Holmberg-Studie beziffert das in der Zeit von 2017 bis 2022 durch Reibungsreduzierung erreichbare Einsparpotenzial bei Automobilen auf bis zu 18 Prozent. In der Zeit von 2027 bis 2037 könnte sogar eine Verbrauchsreduzierung um bis zu 61 Prozent erreicht werden. Die Gesellschaft für Tribologie als technisch-wissenschaftlicher Fachverein schätzt, dass den Volkswirtschaften der Industrieländer aufgrund von Reibung und Verschleiß jährliche Verluste von 2 bis 7 Prozent des Bruttosozialprodukts entstehen. Das verdeutlicht, dass durch Verbesserungen im Bereich Tribologie Energie und Material eingespart werden können und Kosten für Produktion und Instandhaltung von Maschinen und Bauteilen sinken, ebenso produktions- und betriebsbedingter Ressourcenverbrauch.

Verknüpfte Projekte

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Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben
PEGASUS II

Förderkennzeichen:
03ET1187A-I

Laufzeit:
1. 5. 2013 – 31. 12. 2016

Projektbeteiligte

Antriebskomponenten
Bayerische Motoren Werke

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

Atomistische Tribosimulation des Supraschmiereffekts
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

Optimierte Pumpen und Turbolader
Bosch Mahle Turbo Systems

Energieeffizienz hochbeanspruchter Maschinenkomponenten
Schaeffler Technologies

Herstellung Beschichtungsanlagen für ta-C Schichten
VTD Vakuumtechnik Dresden

Getriebeoptimierung und Prüfstandsläufe
ZF Friedrichshafen

Schmierstoffkonzepte für Schichtsysteme
FUCHS Schmierstoffe

Optimierung dynamischer Dichtungen
Freudenberg Sealing Technologies

Plasmabeschichtung von Elastomeren
Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

Nichtautomotive Anwendungen
Bosch Rexroth

Herstellung und Entwicklung HIPIMS ta-C Schichtsysteme
IHI Hauzer Techno Coating