Aus der Praxis für die Praxis bergen auch diese technisch hochentwickelten Systeme immer noch ausreichend Potential für weitere Verbesserungen, insbesondere im Hinblick auf Reibungsreduzierung. Einen möglichen Ansatzpunkt bieten hierbei die im Antriebsstrang und Verbrennungsmotor verbauten Wälzlager. Besonderes Augenmerk muss diesbezüglich auf die fliehkraftbelasteten Wälzlager gerichtet werden. Sie verursachen einerseits einen erheblichen Anteil an der Gesamtreibung der Aggregate. Andererseits sind die unter Fliehkraft auftretenden Phänomene bei Wälzlagern bisher nur wenig untersucht worden. In Planetenradgetrieben, wie beispielsweise dem aktuellen 8HP Automatikgetriebe von ZF, sind die Planetenradlagerungen durch hohe Zentripetalbeschleunigungen belastet. Derzeit werden Beschleunigungen bis zum „3 500 fachen“ [6] der Erdbeschleunigung erreicht mit steigender Tendenz bis hin zum „8 000 fachen“ [6]. Die stark zunehmenden Beschleunigungen sind vor allem der stetig gestiegenen Gangzahl der Getriebe bei gleichbleibendem Bauraum geschuldet. Diese Rahmenbedingungen machen es unumgänglich, dass weitere notwendige Radsätze ineinander integriert werden müssen und so der außenliegende Radsatz große Achsabstände besitzt, was zwangsweise zu höheren Zentripetalbeschleunigungen auf die Wälzlagerungen führt. [6] Im Verbrennungsmotor erfahren die Pleuellagerungen hohe Zentripetalbeschleunigungen. Allerdings sind die Pleuellagerungen zumindest im Bereich der Kraftfahrzeugmotoren meist nicht mit Wälzlagern sondern mit Gleitlagern ausgestattet, obwohl Pleuellagerungen bis in die 1960er Jahre ursprünglich vornehmlich mit Wälzlagern realisiert worden sind. [8] Bereits E. S ACHS hat sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts Gedanken über die Gestaltung von wälzgelagerten Pleueln gemacht [4] und auch heute noch werden wälzgelagerte Pleuel im Bereich der Zweitaktmotoren in Serie eingesetzt. Bisherige wissenschaftliche Erkenntnisse Die Untersuchungen in diesem Bereich stehen im Wesentlichen alle unter dem Zeichen der Reibungsreduzierung und somit der Verbrauchsbeziehungsweise Schadstoffreduzierung im Antriebsstrang. M. S CHWA- DERLAPP, der Ansätze zur Kraftstoffeinsparung im Verbrennungsmotor untersucht, empfiehlt konstruktive Maßnahmen im Bereich des Thermomanagements, des Systems Kolbengruppe/ Zylinder und der Kurbelwellenlagerung, wobei er die Kurbelwellenlagerung nach dem System Kolbengruppe/ Zylinder als zweitstärksten Beitragsleister bezüglich Gesamtreibung einstuft. [5] In experimentellen Untersuchungen, siehe Bild 1, konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Wälzlagern als Kurbelwellenlager bei einer mittleren Öltemperatur von 48 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 diesbezüglich auf die fliehkraftbelasteten Wälzlager gerichtet werden. Sie verursachen einerseits einen großen Anteil an der Gesamtreibung der Aggregate. Andererseits sind die unter Fliehkraft auftretenden Phänomene bei Wälzlagern bisher nur wenig untersucht worden. In Planetenradgetrieben, wie beispielsweise dem aktuellen 8HP Automatikgetriebe von ZF, sind die Planetenradlagerungen durch hohe Zentripetalbeschleunigungen belastet. Derzeit werden Beschleunigungen bis zum 3 500-fachen [6] der Erdbeschleunigung erreicht mit steigender Tendenz bis hin zum 8 000-fachen [6]. Die stark zunehmenden Beschleunigungen sind vor allem der stetig gestiegenen Gangzahl der Getriebe bei gleichbleibendem Bauraum geschuldet. [6] Diese Rahmenbedingungen machen es unumgänglich, dass weitere notwendige Radsätze ineinander integriert werden müssen und so der außenliegende Radsatz große Achsabstände besitzt, was zwangsweise zu höheren Zentripetalbeschleunigungen auf die Wälzlagerungen führt. [6] Im Verbrennungsmotor erfahren die Pleuellagerungen hohe Zentripetalbeschleunigungen. Allerdings sind die Pleuellagerungen zumindest im Bereich der Kraftfahrzeugmotoren meist nicht mit Wälzlagern sondern mit Gleitlagern ausgestattet, obwohl Pleuellagerungen bis in die 1960er Jahre ursprünglich vornehmlich mit Wälzlagern realisiert worden sind. [8] Bereits E. S ACHS hat sich zu Beginn des 20. Jahrhunderts Gedanken über die Gestaltung von wälzgelagerten Pleueln gemacht [4] und auch heute noch werden wälzgelagerte Pleuel im Bereich der Zweitaktmotoren in Serie eingesetzt. Bisherige wissenschaftliche Erkenntnisse Die Untersuchungen in diesem Bereich stehen im Wesentlichen alle unter dem Zeichen der Reibungsreduzierung und somit der Verbrauchsbzw. Schadstoffreduzierung im Antriebsstrang. M. S CHWADERLAPP der Ansätze zur Kraftstoffeinsparung im Verbrennungsmotor untersucht, empfiehlt konstruktive Maßnahmen im Bereich des Thermomanagements, des Systems Kolbengruppe/ Zylinder und der Kurbelwellenlagerung, wobei er die Kurbelwellenlagerung nach dem System Kolbengruppe/ Zylinder als zweitstärksten Beitragsleister bezüglich Gesamtreibung einstuft. [5] In experimentellen Untersuchungen, siehe Abbildung 1, konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Wälzlagern als Kurbelwellenlager bei einer mittleren Öltemperatur von 90 °C gegenüber Gleitlagern eine Reibungsabsenkung von 55 % erzielt. Weiter zeigt sich, dass die Reibungsreduzierung durch Wälzlager bei niedrigeren Temperaturen stärker ausgeprägt ist als bei hohen. [5] Durch weitere Sekundäreffekte, wie die Absenkung der Ölpumpenleistung aufgrund eines geringeren erforderlichen Ölvolumenstroms, kann C. T IEMANN in einem Testfahrzeug mit voll wälzgelagerter Kurbelwelle einen um 5,4 % reduzierten Kraftstoffverbrauch im NEFZ nachweisen. Neben dem reinen Einsparpotential zeigt C. T IEMANN , dass eine wälzgelagerte Kurbelwelle auch in modernen Verbren- Abbildung 1: Potenzial einer Wälzlagerung bei Kurbelwellen nach [5] 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 140 °C Öltemperatur Reibmitteldruck 0,1 bar 2000 min -1 Gleitlagerung Wälzlagerung -72 % -55 % -41 % Wird von der GfT eingerichtet! Nr. Vortrag/ 3 nungsmotoren realisierbar ist und dass der wälzgelagerte Kurbeltrieb ein gutes Kosten- Nutzen-Verhältnis aufweist. [9] Weiterführende Untersuchungen von J. VON H OLLEN an einem Kurbeltriebprüfstand, der wie ein geschleppter Einzylindermotor aufgebaut ist, haben ebenfalls grundsätzlich das Einsparpotential eines wälzgelagerten Kurbeltriebs bestätigt. Allerdings kommt J. VON H OLLEN zu dem Ergebnis, dass sich bei höheren Motordrehzahlen, im verwendeten Prüfaufbau bei 1 500 min -1 , bei einem rein mit der Massenkraft des Lagers selbst belasteten Prüflager, das Einsparpotential der wälzgelagerten Pleuel aufhebt. Dies wird auf die durch die inneren Massenkräfte ansteigende Reibung zurückgeführt. [10] In der Anwendung als Planetenradlager weisen fliehkraftbelastete Wälzlager gerade im Bereich hoher Drehzahlen große Reibungsverluste auf, siehe Abbildung 2 a). Abbildung 2: a) Aufteilung des berechneten Verlustmoments in Einzelverlustquellen im Getriebe ZF 8HP70 als Funktion der Antriebsdrehzahl (7. Gang, 100° C) nach [1] b) Vergleich des Reibungsmoments zweier unterschiedlicher Planetenradlager bei reiner Zentrifugalbeschleunigung nach [3] Da sich dieses Reibungsverhalten grundsätzlich in allen Getriebegängen bis auf die Direktgänge wiederspiegelt [1], untersucht V. A UL das Potential von Käfigbeschichtungen zur Reibungsabsenkung von fliehkraftbelasteten Wälzlagern. Er erzielt nach ersten Umrechnungen mit einem kugelgestrahlten und manganphosphatierten Käfig Reibungsabsenkung für das Gesamtgetriebe von ca. 2,5 %. [1] Die Reibungswerte sind am gesamten Planetenträger ermittelt worden, da der Aufwand für die direkte Messung am Planetenrad als zu hoch eingeschätzt wird. [1] 0 % 50 % 100 % Antriebsdrehzahl in min -1 Verlustkomponente: A B C E D Lagerreibung durch Fliehkraft a) Fliehkraft D E C B Ausführung A (Nadel Ø 2 mm, C=12,7 kN, C 0 =17 kN) Ausführung B (Nadel Ø 2,5 mm, C=14,3 kN, C 0 =17 kN) 0 50 100 Reibung % Käfigreibung Nadeln - Gleitreibung Nadeln - Rollreibung b) Käfig Gleiten Käfig Gleiten Rollen Rollen Bild 2: a) Aufteilung des berechneten Verlustmoments in Einzelverlustquellen im Getriebe ZF 8HP70 als Funktion der Antriebsdrehzahl (7. Gang, 100 °C) nach [1] b) Vergleich des Reibungsmoments zweier unterschiedlicher Planetenradlager bei reiner Zentrifugalbeschleunigung nach [3] Bild 1: Potenzial einer Wälzlagerung bei Kurbelwellen nach [5] T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 48 Aus der Praxis für die Praxis 90 °C gegenüber Gleitlagern eine Reibungsabsenkung von 55 % erzielt. [5] Weiter zeigt sich, dass die Reibungsreduzierung durch Wälzlager bei niedrigeren Temperaturen stärker ausgeprägt ist als bei hohen. [5] Durch weitere Sekundäreffekte, wie die Absenkung der Ölpumpenleistung aufgrund eines geringeren erforderlichen Ölvolumenstroms, kann C. T IEMANN in einem Testfahrzeug mit voll wälzgelagerter Kurbelwelle einen um 5,4 % reduzierten Kraftstoffverbrauch im NEFZ nachweisen. [9] Neben dem reinen Einsparpotential zeigt C. T IEMANN , dass eine wälzgelagerte Kurbelwelle auch in modernen Verbrennungsmotoren realisierbar ist und dass der wälzgelagerte Kurbeltrieb ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweist. [9] Weiterführende Untersuchungen von J. VON H OLLEN an einem Kurbeltriebprüfstand, der wie ein geschleppter Einzylindermotor aufgebaut ist, haben ebenfalls grundsätzlich das Einsparpotential eines wälzgelagerten Kurbeltriebs bestätigt. Allerdings kommt J. VON H OLLEN zu dem Ergebnis, dass sich bei höheren Motordrehzahlen, im verwendeten Prüfaufbau bei 1 500 min -1 , bei einem rein mit der Massenkraft des Lagers selbst belasteten Prüflager, das Einsparpotential des wälzgelagerten Pleuel aufhebt. Dies wird auf die durch die inneren Massenkräfte ansteigende Reibung zurückgeführt. [10] In der Anwendung als Planetenradlager weisen fliehkraftbelastete Wälzlager gerade im Bereich hoher Drehzahlen große Reibungsverluste auf, siehe Bild 2 a). Da sich dieses Reibungsverhalten grundsätzlich in allen Getriebegängen bis auf die Direktgänge wiederspiegelt [1], untersucht V. A UL das Potential von Käfigbeschichtungen zur Reibungsabsenkung von fliehkraftbelasteten Wälzlagern. Er erzielt nach ersten Umrechnungen mit einem kugelgestrahlten und manganphosphatierten Käfig Reibungsabsenkung für das Gesamtgetriebe von circa 2,5 %. [1] Die Reibungswerte sind am gesamten Planetenträger ermittelt worden, da der Aufwand für die direkte Messung am Planetenrad als zu hoch eingeschätzt wurde. [1] Weitere Untersuchungen von A. P ABST zeigen, dass das Reibungsverhalten fliehkraftbelasteter Lager auch stark von der Ausführung der Wälzkörpergeometrie abhängig ist. Anhand der durchgeführten Berechnungen, siehe Bild 2 b), wird ersichtlich, dass der gewählte Wälzkörperdurchmesser einen wesentlichen Einfluss auf das Reibungsmoment fliehkraftbelasteter Lager hat. Wälzkörper größeren Durchmessers, also mit höherer Masse, verursachen höhere Reibung. [3] Herausforderungen für experimentelle Untersuchungen Die dargelegten Forschungsergebnisse zeigen, dass im Bereich der Planetengetriebe aufgrund fehlender Prüfmöglichkeiten die Reibung am Planetenradlager bisher nur durch Vergleichsmessungen abgeschätzt werden kann. Andererseits ist bis heute nicht abschließend geklärt, ob und inwiefern durch wälzgelagerte Pleuellagerungen eine Reibungsreduzierung im Verbrennungsmotor erzielt werden kann. Ausschlaggebend hierfür sind sicherlich auch die komplizierten Belastungs- und Bewegungsverhältnisse der Pleuellager. Zusätzlich zu der für Wälzlager üblichen Rotation des Wälzkörpersatzes um die eigene Achse, bewegen sich die Pleuellagerungen selbst auf einer Kreisbahn und erfahren so hohe Zentripetalbeschleunigungen, die unter anderem die inneren kinematischen Vorgänge stark beeinflussen. Aufgrund der Kinematik eines Kurbeltriebs unterliegt die Rotationgeschwindigkeit überdies einer Schwankung, der sich zudem die Drehungleichförmigkeit infolge des Verbrennungsprozesses überlagert. Neben den kinematisch bedingten Lasten erfahren die Lagerstellen Verkippungen aufgrund der Nachgiebigkeit von Kurbelwelle und Gehäuse. Zu all den bereits genannten Aspekten kommt noch hinzu, dass Antriebsaggregate im Fahrzeugbereich nicht wenige feste Betriebspunkte besitzen, sondern kontinuierlich unterschiedliche Last- und Drehzahlkollektive durchlaufen. Eine sehr ähnliche Belastungssituation findet sich auch bei Planetenradlagerungen von Planetenradgetrieben, Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 49 Bild 3: Untersuchungsmethodik T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 49 Aus der Praxis für die Praxis wobei hier allerdings abweichende kinematische Koppelungen vorliegen. Dadurch unterliegen die Bewegungen nicht so starken Schwankungen und somit variieren die Lagerbelastungen weniger stark. Die Vielzahl der Anforderungen und deren anspruchsvoller Charakter erschwert die Analyse der Effekte fliehkraftbelasteter Wälzlagerungen. Neben den Prüfobjekten müssen auch die Analysewerkzeuge - Prüfaufbauten - genannte Anforderungen ertragen beziehungsweise nachbilden können. Daher wird eine Untersuchungsmethodik gemäß Bild 3 verfolgt. Die Anforderungen aus der Anwendung werden auf Komponentenversuche abstrahiert. So kann der Einfluss der einzelnen Anforderungen auf die Zielgrößen Reibungsmoment und Axialschub untersucht werden. Durch die anwendungsunabhängigen Komponentenversuche lassen sich allgemeingültige Erkenntnisse erzielen, die für alle fliehkraftbelasteten Wälzlager zutreffen. Aus diesen Ergebnissen können wiederum Auslegungsregeln und Gestaltungshinweise abgeleitet werden, die zu wesentlichen Verbesserungen in der Anwendung führen können. Wälzlagerschleuderprüfstand (WSP) Mit dem WSP ist es möglich die Prüflinge, dies sind vorwiegend Nadelkränze, mit einer Zentripetalbeschleunigung bis zum 3 000-fachen der Erdbeschleunigung zu beaufschlagen. Die Relativdrehzahl der Prüflinge um ihre eigene Achse kann bis zu 9 000 min -1 betragen und kann unabhängig von der vorliegenden Zentripetalbeschleunigung eingestellt werden. Durch Schmierkanäle kann der Prüfling mit Schmieröl im Bereich von 0,05 l/ min bis maximal 4 l/ min versorgt werden. Das Schmieröl kann zusätzlich in einem Temperaturbereich von 30 °C bis 120 °C variiert werden. Der in einem Bunker aufgebaute Prüfstand, siehe Bild 4 a), besitzt eine Gesamtmasse von 16 t und eine Gesamtprüffläche von 22 m 2 . Die Prüfeinheit ist unter einer dicken Stahlhaube vollständig gekapselt, Bild 4 b). Das Funktionsprinzip des Prüfstands, Bild 5, beruht auf einem einfachen, offenen Planetengetriebe. Indem das in der Mitte befindliche Sonnenzahnrad angetrieben wird, drehen sich auch die beiden äußeren Planetenzahnräder und somit die Prüflinge um ihre eigene Achse. Wird zusätzlich der Planetenträger, die Verbindung der beiden Planetenräder, um die eigene Achse gedreht, so beschreiben die Planetenräder samt Prüflingen eine Kreisbewegung, die bei den Prüflingen eine Zentripetalbeschleunigung induziert. In Bild 6 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung des Prüfstands dargestellt. Die Hauptwelle (1) und die Nabe (2), die durch einen Querpressverband miteinander verbunden sind, nehmen die zwei Prüfpatronen (3) mit den 50 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 Wird von der GfT eingerichtet! Nr. Vortrag/ 5 beschleunigung eingestellt werden. Durch Schmierkanäle kann der Prüfling mit Schmieröl im Bereich von 0,05 l/ min bis maximal 4 l/ min versorgt werden. Das Schmieröl kann zusätzlich in einem Temperaturbereich von 30 °C bis 120 °C variiert Abbildung 4: Wälzlagerschleuderprüfstand a) Außensicht; b) Innensicht; c) Ölversorgungseinheit Der in einem Bunker aufgebaute Prüfstand, siehe Abbildung 4 a), besitzt eine Gesamtmasse von 16 t und eine Gesamtprüffläche von 22 m². Die Prüfeinheit ist unter einer dicken Stahlhaube vollständig gekapselt, Abbildung 4 b). Das Funktionsprinzip des Prüfstands, Abbildung 5, beruht auf einem einfachen, offenen Planetengetriebe. Indem das in der Mitte befindliche Sonnenzahnrad angetrieben wird, drehen sich auch die beiden äußeren Planetenzahnräder und somit die Prüflinge um ihre eigene Achse. Wird zusätzlich der Planetenträger, die Verbindung der beiden Planetenräder, um die eigene Achse gedreht, so beschreiben die Planetenräder samt Prüflingen eine Kreisbewegung, die bei den Prüflingen eine Zentripetalbeschleunigung induziert. In Abbildung 6 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung des Prüfstands dargestellt. Die Hauptwelle (1) und die Nabe (2), die durch einen gestuften Querpressverband miteinander verbunden sind, nehmen die zwei Prüfpatronen (3) mit den Prüflingen (4) auf. Die beiden Patronen sind um 180° versetzt angeordnet. Die Hauptwelle (1) in Verbindung mit der Nabe (2) entsprechen daher dem Planetenträger aus Abbildung 5. Da der prüfstand Umlaufdrehzahl Zentripetalbeschleunigung Relativdrehzahl Prüfling Prüfling Bild 5: Funktionsprinzip Wälzlagerschleuderprüfstand Prüflingen (4) auf. Die beiden Patronen sind um 180° versetzt angeordnet. Die Hauptwelle (1) in Verbindung mit der Nabe (2) entsprechen daher dem Planetenträger aus Bild 5. Da der Elektromotor 1 über den Riementrieb (10) die Hauptwelle antreibt, bestimmt er die Geschwindigkeit der Planeten auf der Kreisbahn und somit die Zentripetalbeschleunigung. Um auch eine Relativdrehzahl der Prüflinge (4) um die eigene Achse realisieren zu können besitzen die Prüflingswellen zwei Planetenzahnräder (5). Diese werden von den Sonnenzahnrädern (6) angetrieben. Die Sonnenzahnräder wiederum sind auf den Hohlwellen (7) befestigt, die von Elektromotor 2 über einen Riementrieb (8/ 9) angetrieben Bild 4: Wälzlagerschleuderprüfstand a) Außensicht; b) Innensicht; c) Ölversorgungseinheit T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 50 Aus der Praxis für die Praxis werden. Die Patronen (3) werden mit Hilfe einer hochvorgespannten Schraubenverbindung an der Nabe (2) befestigt, sodass ein einfacher Prüflagerwechsel möglich ist. Weil die Motoren 1 und 2 unabhängig voneinander betrieben werden können, liegt zwischen Relativdrehzahl und Zentripetalbeschleunigung keine kinematische Zwangsbedingung vor. Hierdurch können die beiden Parameter in statistischen Versuchsplänen frei variiert werden und es ist somit auch möglich eine S TRIBECK -Kurve im Fliehkraftfeld abzufahren. Hierdurch kann erstmals experimentell überprüft werden, ob der Lagerkäfig, der durch die wirkende Zentripetalbeschleunigung an die Lauffläche des Lageraußenringes gepresst wird und dort hohe Reibung verursacht, sich wirklich - wie in der Fachwelt vermutet [7] - wie ein hydrodynamisches Gleitlager verhält; das heißt bei ausreichender Relativdrehzahl zwischen Käfig und Außenring einen hydrodynamischen Schmierfilm ausbildet und so die Lagerreibung reduziert. Neben den Prüflingen beinhalten die Patronen auch die komplette Sensorik, sodass alle Messdaten in unmittelbarer Nähe des Prüflings erfasst werden können. Gemessen wird das Lagerreibungsmoment, die Lagertemperatur in der Lastzone und 180° versetzt in der lastfreien Zone sowie der möglicherweise auftretende Axialschub, siehe Bild 7. Der WSP ist so konstruiert, dass der Innenring des Prüflings fest auf der Welle gepasst ist und somit mit Wellengeschwindigkeit rotiert. Der Außenring hingegen ist stehend ausgeführt. Dennoch kann er auch frei rotieren, da er nicht in einem festen Lagergehäuse montiert ist, sondern nur von einer Biegefeder (Reibungsmomentsensor) in seiner Position gehalten wird, siehe Bild 7a). Entsteht im Lager ein Reibungsmoment, so verdreht sich der Außenring und spannt die Biegefeder. Die Biegefeder ist mit Dehnungsmessstreifen bestückt und misst so das Lagerreibungsmoment. In Ergänzung zum Reibungsmoment wird auch die Temperatur des Prüflings im Außenring gemessen, siehe Bild 7 b). Die Messung der Temperatur ist aufgrund unterschiedlicher Aspekte wichtig. Einerseits dient sie der Ermittlung von Beharrungszuständen während einer Prüfung und bildet somit einen wichtigen Kennwert für den Beginn einer Reibungsmessung, andererseits kann durch sie auf wichtige Kennwerte wie die Ölviskosität im Prüfling geschlossen werden. Durch die versetzte Anordnung der Sensoren können auch mögliche Temperaturunter- Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 51 Nr. Vortrag/ 6 wird von der GfT eingerichtet! Die Patronen (3) werden mit Hilfe einer hochvorgespannten Schraubenverbindung an der Nabe (2) befestigt, sodass ein einfacher Prüflagerwechsel möglich ist. Weil die Motoren 1 und 2 unabhängig voneinander betrieben werden können, liegt zwischen Relativdrehzahl und Zentripetalbeschleunigung keine kinematische Zwangsbedingung vor. Hierdurch können die beiden Parameter in statistischen Versuchsplänen frei variiert werden und es ist somit auch möglich eine S TRIBECK -Kurve im Fliehkraftfeld abzufahren. Hierdurch kann erstmals experimentell überprüft werden, ob der Lagerkäfig, der durch die wirkende Zentripetalbeschleunigung an die Lauffläche des Lageraußenringes gepresst wird und dort hohe Reibung verursacht, sich wirklich - wie in der Fachwelt vermutet [1, 7] - wie ein hydrodynamisches Gleitlager verhält. Das heißt bei ausreichender Relativdrehzahl zwischen Käfig und Außenring einen hydrodynamischen Schmierfilm ausbildet und so die Lagerreibung reduziert. Neben den Prüflingen beinhalten die Patronen auch die komplette Sensorik, sodass alle Messdaten in unmittelbarer Nähe des Prüflings erfasst werden können. Gemessen wird das Lagerreibungsmoment, die Lagertemperatur in der Lastzone und 180° versetzt in der lastfreien Zone sowie der möglicherweise auftretende Axialschub, siehe Abbildung 7. Der WSP ist so konstruiert, dass der Innenring des Prüflings fest auf der Welle gepasst ist und somit mit Wellengeschwindigkeit rotiert. Der Außenring hingegen ist stehend ausgeführt. Dennoch kann er auch frei rotieren, da er nicht in einem festen Lagergehäuse montiert ist, sondern nur von einer Biegefeder (Reibungsmomentsensor) in seiner Position gehalten wird, siehe Abbildung 7a). Entsteht im Lager ein Reibungsmoment, so verdreht sich der Außenring und spannt die Biegefeder. Die Biegefeder ist mit Dehnungsmessstreifen bestückt und misst so das Lagerreibungsmoment. In Ergänzung zum Reibungsmoment wird auch die Temperatur des Prüflings im Außenring gemessen, siehe Abbildung 7 b). Die Messung der Temperatur ist aufgrund unterschiedlicher Aspekte wichtig. Einerseits dient sie der Ermittlung von Beharrungszuständen während einer Prüfung und bildet somit einen wichtigen Kennwert für den Beginn einer Reibungsmessung, andererseits kann durch sie auf wichtige Kennwerte wie die Ölviskosität im Prüfling geschlossen werden. Durch die versetzte Anordnung der Sen- Telemetrie Öl-Drehdurchführung Motor 1 Motor 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Bild 6: vereinfachte Schnittdarstellung WSP Bild 7: Messprinzipien a) Reibungsmoment; b) Temperatur; c) Axialschub T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 51 Aus der Praxis für die Praxis schiede im Lager selbst beobachtet und die Unterschiede zwischen Lastzone und lastfreier Zone bewertet werden. Da der Außenring des Prüflings nicht nur frei rotieren kann, sondern sich auch axial frei bewegen kann, wird sich der Außenring bei auftretendem Axialschub in axialer Richtung verschieben. Die resultierende Axialkraft wird von drei, mit Dehnungsmessstreifen versehenen Biegefedern gemessen, die jeweils um 120° versetzt am Außenring angeordnet sind, siehe Bild 7 c). Die eigentliche Lagerlast wird bei dieser Prüfstandskonfiguration durch die Masse des Außenrings erzeugt. Der Außenring erfährt wie auch alle anderen Komponenten des Prüflings die jeweils anliegende Zentripetalbeschleunigung. Daher ergibt sich die Lagerlast aus dem Produkt von Außenringmasse und Zentripetalbeschleunigung. Wälzlagerschleuderprüfstand plus (WSP plus ) Neben dem eigentlich resultierenden Gesamtreibungsmoment ist für eine genaue Analyse der Phänomene von Wälzlagern im Fliehkraftfeld auch von großer Bedeutung, welcher Anteil des Reibungsmoments durch die Fliehkräfte erzeugt wird. Um dies beurteilen zu können, muss das Reibungsmoment des Prüflings ohne Einwirkung der Fliehkraft bekannt sein. Aus der Differenz beider Werte kann direkt auf das durch die Zentripetalbeschleunigung verursachte Reibungsmoment geschlossen werden. Da die Ergebnisse von Reibungsuntersuchungen auf unterschiedlichen Prüfanlagen erfahrungsgemäß erheblichen Streuungen unterliegen ist es sinnvoll die erforderlichen Prüfungen mit dem gleichen Messverfahren durchzuführen, um zusätzliche Störeinflüsse zu minimieren. Eine Erweiterung des WSP um eine zusätzliche Prüfvorrichtung zum WSP plus erlaubt dies. Das Funktionsprinzip des WSP plus , siehe Bild 8, ist nahezu identisch zum WSP. Lediglich Hauptwelle und Nabe, also der Planetenträger, werden nicht angetrieben sondern festgesetzt. Hierdurch erfahren die Prüflinge keine Zentripetalbeschleunigung mehr und über Motor 2 werden die Sonnenzahnräder angetrieben, sodass die Lager um die eigene Achse rotieren. Da der Außenring der Prüflinge nun aber nicht mehr beschleunigt wird, erfahren die Prüflinge keine Lagerlast mehr. Die Lagerlast ist aber ein entscheidender Einflussparameter für das Reibungsmoment. Daher ist eine weitere Prüfvorrichtung konstruiert worden, die es erlaubt die Prüflinge auch bei Stillstand des Planetenträgers mit einer Radiallast zu beaufschlagen und dabei überdies das gleiche Messverfahren beizubehalten. Die wesentliche Herausforderung beim WSP plus besteht darin, die radiale Krafteinleitung so zu gestalten, dass die Krafteinleitung nicht die Messung selbst verfälscht. Versucht man die Lagerlast F PL über einen Adapter direkt am Außenring des Prüflings einzuleiten, siehe Bild 9 a), so ergibt sich bei Verdrehung des Außenringes durch das Lagerreibungsmoment ein Schrägzug, siehe Bild 9 b), da auch der Adapter um die Bewegung des Außenrings verdreht wird. 52 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 wird von der GfT eingerichtet! Planetenträgers mit einer Radiallast zu beaufschlagen und dabei überdies das gleiche Messverfahren beizubehalten. Die wesentliche Herausforderung beim besteht darin, die radiale Krafteinleitung so zu gestalten, dass die Krafteinleitung nicht die Messung selbst verfälscht. Versucht man die Laüber einen Adapter direkt am Außenring des Prüflings einzuleiten, siehe Abbildung 9 a), so ergibt sich bei Verdrehung des Außenringes durch das Lagerreibungsmoment ein Schrägzug, siehe Abbildung 9 b), da auch der Adapter um die Bewegung des Außenrings verdreht wird. Abbildung 9: Krafteinleitung direkt am Außenring a) Vor der Messung; b) Während der Messung in die beiden Raumvektoren F x und F y , so wird ersichtlich, dass F y dem anliegenden Reibungsmoment entgegenwirkt und somit die Auslenkung der Biegefeder vermindert. Dieses durch die Lagerlast verursachte Rückstellmoment würde folglich den Reibungsmesswert verfälschen. Zwar ist die Verdrehung des Außenrings bei den zu erwartenden Lagerreibungsmomenten sehr gering, sodass F y im Verhältnis zu F x vernachlässigbar klein wäre, aber da F PL um zwei Größenordnungen größer ist als F R würde dies zu einer nicht mehr akzeptablen Beeinflussung des Messergebnisses führen. F R F PL F R F PL F PL F y F x b) F radial F radial Bild 8: Funktionsprinzip WSP plus Nr. Vortrag/ 8 wird von der GfT eingerichtet! Planetenträgers mit einer Radiallast zu beaufschlagen und dabei überdies das gleiche Messverfahren beizubehalten. Die wesentliche Herausforderung beim WSP plus besteht darin, die radiale Krafteinleitung so zu gestalten, dass die Krafteinleitung nicht die Messung selbst verfälscht. Versucht man die Lagerlast F PL über einen Adapter direkt am Außenring des Prüflings einzuleiten, siehe Abbildung 9 a), so ergibt sich bei Verdrehung des Außenringes durch das Lagerreibungsmoment ein Schrägzug, siehe Abbildung 9 b), da auch der Adapter um die Bewegung des Außenrings verdreht wird. Abbildung 9: Krafteinleitung direkt am Außenring a) Vor der Messung; b) Während der Messung Zerlegt man F PL in die beiden Raumvektoren F x und F y , so wird ersichtlich, dass F y dem anliegenden Reibungsmoment entgegenwirkt und somit die Auslenkung der Biegefeder vermindert. Dieses durch die Lagerlast verursachte Rückstellmoment würde folglich den Reibungsmesswert verfälschen. Zwar ist die Verdrehung des Außenrings bei den zu erwartenden Lagerreibungsmomenten sehr gering, sodass F y im Verhältnis zu F x vernachlässigbar klein wäre, aber da F PL um zwei Größenordnungen größer ist als F R würde dies zu einer nicht mehr akzeptablen Beeinflussung des Messergebnisses führen. Abhilfe schafft hierbei eine Konstruktion gemäß Abbildung 10 a). Die Konstruktion - im a) F R F PL F R F PL F PL F y F x b) F radial Bild 9: Krafteinleitung direkt am Außenring a) Vor der Messung; b) Während der Messung T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 52 Aus der Praxis für die Praxis Zerlegt man F PL in die beiden Raumvektoren F x und F y , so wird ersichtlich, dass F y dem anliegenden Reibungsmoment entgegenwirkt und somit die Auslenkung der Biegefeder vermindert. Dieses durch die Lagerlast verursachte Rückstellmoment würde folglich den Reibungsmesswert verfälschen. Zwar ist die Verdrehung des Außenrings bei den zu erwartenden Lagerreibungsmomenten sehr gering, sodass F y im Verhältnis zu F x vernachlässigbar klein wäre, aber da F PL um zwei Größenordnungen größer ist als F R würde dies zu einer nicht mehr akzeptablen Beeinflussung des Messergebnisses führen. Abhilfe schafft hierbei eine Konstruktion gemäß Bild 10 a). Die Konstruktion - im weiteren Hörnchen genannt - entspricht einem zum Prüfling konzentrisch verlaufenden Kreissegment. Die Außenfläche des Kreissegmentes ist als Lagerlaufbahn ausgeführt auf der zwei Lasteinleitungslager abrollen können. Die Lasteinleitungslager sind über einen Adapter mit der Kraftaufbringungseinheit verbunden. Tritt während der Prüfung ein Lagerreibungsmoment wie in Bild 10 b) auf, so kann sich der Außenring samt Hörnchen um den jeweiligen Winkelbetrag drehen, ohne dass ein Rückstellmoment durch die Lagerlast F PL erzeugt wird. Durch das Abrollen der Krafteinleitungslager auf dem Hörnchen bleibt die Lagerlast immer zum Zentrum des Prüflings ausgerichtet und ein Schrägzug kann vermieden werden. Um Einflüsse aus einem etwaigen Losbrechmoment an den Lasteinleitungslagern zu minimieren werden diese aktiv angetrieben. Hierdurch ist das Losbrechmoment nicht mehr zu überwinden, da sich die Lager während einer Prüfung kontinuierlich drehen. Der Antrieb der beiden Lager erfolgt so, dass sie jeweils gegenläufig rotieren, sodass sich die Reibungsmomente der Lasteinleitungslager gegenseitig aufheben und nicht zu einer Verdrehung des Außenringes führen. Das resultierende Moment der beiden Lager - infolge nicht exakt identischer Reibungsmomente - kann durch eine einmalige Kalibrierung ermittelt und gemäß einer Messunsicherheitsbetrachtung nach GUM als bekannt systematischer Messfehler berücksichtigt werden. Zusammenfassung und Ausblick Auch in den kommenden Jahren wird trotz neuer Technologien der klassische Antriebsstrang (Verbrennungsmotoren, Planetenradgetriebe) im Bereich des Automobilbaus eine wichtige Rolle spielen. Die dort eingesetzten Wälzlager, insbesondere Wälzlager im Fliehkraftfeld, können als wesentliche Beitragsleister für Reibungsverluste identifiziert werden und bieten somit erhebliches Potential für weitere Einsparungen. Trotz der vielversprechenden Ausgangslage macht vor allem die komplexe und vielschichtige Belastungssituation der Wälzlager unter hohen Zentripetalbeschleunigungen die Analyse der reibungsbeeinflussenden Vorgänge sehr schwierig. Mit dem Wälzlagerschleuderprüfstand (WSP) existiert erstmals ein Prüfstand, der es ermöglicht diese anspruchsvollen Vorgänge experimentell zu untersuchen. Ein wesentlicher Vorteil des WSP liegt in der anwendungsunabhängigen Untersuchung der Lager. Die hierdurch gewonnene Unabhängigkeit macht eine flexiblere Gestaltung der Prüfprozesse möglich. Die unmittelbare Integration der Messsensoren am Prüfling selbst ermöglicht zudem eine direkte Messung des Lagerreibungsmoments ohne zusätzliche Störeinflüsse. Durch die Erweiterung des WSP um den WSP plus ist es möglich mit dem gleichen Messsystem sowohl mit als auch ohne Fliehkrafteinfluss Versuche an den Prüflingen durchzuführen. So kann unter Minimierung möglicher Streueffekte direkt auf den Reibungsanteil der Fliehkraft am Gesamtlagerreibungsmoment geschlossen werden. Der WSP leistet daher einen wichtigen Beitrag zur weiteren Erforschung des Betriebsverhaltens von Wälzlagern im Fliehkraftfeld. Danksagung Die Autoren danken der Schaeffler Technologies AG & Co. KG für die Finanzierung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie für die Erlaubnis, die dargestellten Ergebnisse zu veröffentlichen. Für die Unterstützung in den frühen Phasen der Prüfstandsentwicklung danken die Autoren Herrn Max Roth aus dem Prüfstands- Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 53 minimieren werden diese aktiv angetrieben. Hierdurch ist das Losbrechmoment nicht mehr zu überwinden, da sich die Lager während einer Prüfung kontinuierlich drehen. Der Antrieb der beiden Lager erfolgt so, dass sie jeweils gegenläufig rotieren, sodass sich die Reibungsmomente der Lasteinleitungslager gegenseitig aufheben und nicht zu einer Verdrehung des Außenringes führen. Das resultierende Moment der beiden Lager - infolge nicht exakt identischer Reibungsmomente - kann durch eine einmalige Kalibrierung ermittelt und gemäß einer Messunsicherheitsbetrachtung nach GUM als bekannt systematischer Messfehler berücksichtigt werden. Zusammenfassung und Ausblick Auch in den kommenden Jahren wird trotz neuer Technologien der klassische Antriebsstrang (Verbrennungsmotoren, Planetenradgetriebe) im Bereich des Automobilbaus eine wichtige Rolle spielen. Die dort eingesetzten Wälzlager, insbesondere Wälzlager im Fliehkraftfeld, können als wesentliche Beitragsleister für Reibungsverluste identifiziert werden und bieten somit erhebliches Potential für weitere Einsparungen. Trotz der vielversprechenden Ausgangslage macht vor allem die komplexe und vielschichtige Belastungssituation der Wälzlager unter hohen Beschleunigungen die Analyse der reibungsbeeinflussenden Vorgänge sehr schwierig. Mit dem Wälzlagerschleuderprüfstand existiert erstmals ein Prüfstand, der es ermöglicht diese anspruchsvollen Vorgänge experimentell zu untersuchen. Ein wesentlicher Vorteil des WSP liegt in der anwendungsunabhängigen Untersuchung der Lager. Die hierdurch gewonnene Unabhängigkeit macht eine flexiblere Gestaltung der Prüfprozesse möglich. Die unmittelbare Integration der Messsensoren am Prüfling selbst ermöglicht zudem eine direkte Messung des Lagerreibungsmoments ohne zusätzliche Störeinflüsse. Durch die Erweiterung des WSP um den WSP plus ist es möglich mit dem gleichen Messsystem sowohl mit als auch ohne Fliehkrafteinfluss Versuche an den Prüflingen durchzuführen. So kann unter Minimierung möglicher Streueffekte direkt auf den Reibungsanteil der Fliehkraft am Gesamtlagerreibungsmoment geschlossen werden. Der Wälzlagerschleuderprüfstand leistet daher einen wichtigen Beitrag zur weiteren Erforschung von Wälzlager im Fliehkraftfeld. Danksagung Die Autoren danken der Schaeffler Technologies AG & Co. KG für die Finanzierung der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sowie für die Erlaubnis, die dargestellten Ergebnisse zu veröffentlichen. Für die Unterstützung in den frühen Phasen der Prüfstandsentwicklung danken die Autoren Herrn Max Roth aus dem Prüfstandsbau bei Schaeffler F R F PL F PL F R a) b) Abbildung 10: Krafteinleitung über Hilfskonstruktion a) Vor der Messung; b) Messung Bild 10: Krafteinleitung über Hilfskonstruktion a) Vor der Messung; b) Messung T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 53 Aus der Praxis für die Praxis bau bei Schaeffler Technologies AG & Co. KG. Besonders bedanken möchten sich die Autoren an dieser Stelle bei der Leitung und den Mitarbeitern der Zentralwerkstatt der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen- Nürnberg. Ohne ihren unermüdlichen Einsatz wäre die Umsetzung dieses außerordentlich komplexen Prüfaufbaus nicht möglich gewesen. Literatur [1] A UL , V.; K AZUTAKA , I.; G RANDERATH , P.: Reibungsreduzierung in Planetenradlagern durch Beschichtung von Käfigen. In: ATZlive (Hrsg.): Reibungsminimierung im Antriebsstrang. Wirtschaftliche Wege zu Effizienz und Fahrspaß. 3. ATZ-Fachtagung. 26.-27.11.2013, Esslingen am Neckar. [2] BMBF-Rahmenkonzept: „MaTech - Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts“. „ROLA- MOT-Erforschung des Einsatzes von Siliziummitrid- Wälzlagern in einem Ottomotor zur Herabsetzung der inneren Motorreibung mit dem Ziel der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO 2 -Emissionen“. Abschlussbericht. 2007. 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Jahrgang 5/ 2017 Anzeige Nutzen Sie auch unseren Internet-Novitäten-Service: www.expertverlag.de mit unserem kompletten Verlagsprogramm, über 800 lieferbare Titel aus Wirtschaft und Technik T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 54 Patentumschau Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 55 Lubricating oil composition for drawing aluminum pipes. Hosomi, Kazuhiro; Nomura, Masaharu (Sumitomo Light Metal Industries, Ltd., Japan) Jpn. Kokai Tokkyo Koho JP 206 199,875 (Cl. C10M169/ 04), 03.08.2006 (145: 191695a) Lubricating oil composition. Conroy, Michael J.; Thornhill, Michele A. (UK) U. S. Pat. Appl. Publ. US 2006 172,896 (Cl. 508-10; C10M169/ 04), 03.08.2006 (145: 191699e) Secondary and tertiary amines as friction modifiers for automatic transmission fluids. Tipton, Craig D.; Baker, Mark R.; Lahiri, Shreyasi; Abraham, William D.; Vickerman, Richard J.; Patterson, Suzanne M. (The Lubrizol Corporation, USA) U. S. Pat. Appl. Publ. 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