Welche Effizienzgewinne lassen sich im Antriebsstrang von Fahrzeugen durch DLC-Beschichtung und angepassten Schmierstoff erreichen? Diese Frage untersuchten die Wissenschaftler exemplarisch an einem Hinterachsgetriebe. Auf diese Komponente wirkt die gesamte Antriebsleistung und die Verluste sind durchaus nennenswert. Wie sich diese typischerweise zusammensetzen, zeigt Abb. 4: Bei 5.200 W Eingangsleistung gehen etwa 200 W, also etwa 4 % als Wärme verloren. Einen wesentlichen Anteil daran haben Antriebskegel- und Antriebstellerrad. Da ihre komplexe Geometrie zudem die größte Herausforderung für die eingesetzten Glättungs- und Beschichtungsprozesse darstellt, eignen sie sich gut für genauere Untersuchungen. Eingebaut in ein Originalgetriebe verglichen die Forscher ein Antriebskegelrad im Serienzustand mit zwei weiteren, die durch Feinbeziehungsweise Gleitschliff besonders geglättet waren, sowie mit einem DLC-beschichteten Funktionsmuster. Um gerade auch die Planschverluste zu analysieren, die durch die Bewegung der Bauteile im Schmierstoff entstehen, wurden Untersuchungen mit verschieden viskosen Ölen durchgeführt.

In welchem Maße die optimierten Oberflächen die Verlustleistung mindern, hängt erwartungsgemäß von den Betriebsbedingungen wie Drehzahl, Drehmoment und Temperatur ab. Die DLC-Beschichtung zeigt ihre Wirkung vor allem bei Festkörper-, Misch- und Grenzreibung. In Bereichen ohne Oberflächenkontakt bleibt sie wirkungslos, schadet aber auch nicht. Betrachtet man die Änderung der Verlustleistung, dann zeigt sich deutlich, dass die Oberflächen im Betriebspunkt 6000 U/min – 25 Nm – 50 °C noch überwiegend getrennt sind und die Beschichtung ihre Wirkung noch nicht entfalten kann. Bei höheren Temperaturen und steigenden Drehmomenten erhöht sich der Anteil des Festkörperkontakts und die DLC-Beschichtung kommt zum Tragen.

Durch ein dünnflüssigeres Achsöl können die Planschverluste gesenkt werden. Das zeigt sich vor allem bei niedrigen Lasten und hohen Drehzahlen. Dafür verschlechtert sich der Wirkungsgrad in Lastpunkten mit hohem Moment. In den Versuchen konnten bei allen Temperaturen nur Verbesserungen bei den höheren Drehzahlen mit niedrigeren Drehmomenten gemessen werden. Dort wurde die Verlustleistung um 7 – 18 % gesenkt.

Das Fazit der Untersuchung: Optimierte Oberflächen in Verbindung mit angepassten Schmierstoffen reduzieren die Verluste im Achsgetriebe deutlich. Als besonders wirkungsvoll erweist sich die Kombination von glatten, mit DLC beschichteten Oberflächen mit niederviskosen Schmierstoffen. Sie verbindet reduzierte Planschverluste bei hohen Drehzahlen mit geringen Lasten durch die Beschichtung im Hochlastbereich. In der Summe ergibt sich eine Reduktion der Verlustleistung zwischen 12 und 32 % in allen untersuchten Lastbereichen.

Die Beherrschung von Reibungskräften spielt im Fahrzeugbau eine zentrale Rolle. Einerseits sorgt Reibung erst dafür, dass die Reifen die Motorkraft auf die Straße bringen, Fahrzeuge nicht aus der Kurve getragen werden und dass Bremsen Wirkung zeigen. Andererseits, etwa im Achslager, steht Reibung für Mehrverbrauch und Verschleiß.

Die Reibung sinkt auf ein Minimum, wenn die Reibungsflächen vollständig durch einen Schmierfilm getrennt sind. Dies erfordert eine gute Versorgung mit Schmiermittel, eine hinreichende Glattheit der Flächen und auch eine gewisse Gleitgeschwindigkeit zwischen den Reibungsflächen. Ist eine dieser Bedingungen nicht erfüllt, befinden sich die Reibpaarungen im Gebiet der Misch- bzw. der Festkörper- oder der Grenzreibung, was in aller Regel mit einem relativ hohen Reibkoeffizienten und Verschleiß einhergeht. In dieser Situation spielen DLC beschichtete Oberflächen ihren Vorteil einer niedrigen Reibung aus. Durch DLC-Beschichtung können Gleitpaarungen mit ungünstigen Schmierungssituationen Reibverluste deutlich minimieren.