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Rollenketten der Firma „iwis Antriebssysteme“ werden beispielsweise in Landmaschinen verwendet. Neuartige Beschichtungen können den Verschleiß mindern und die Wartungsintervalle deutlich verlängern.
© Iwis Antriebssysteme
Werkstoffbeschichtung
05.01.2016

Beschichtet läuft es wie geschmiert

Verschleiß und Energieverbrauch von Maschinen steigen drastisch an, wenn sie nicht optimal geschmiert werden. In vielen Fällen ist eine ideale Schmierung jedoch 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 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 SchichtSchmierungsSystemen) stehen jedoch Anwendungen, bei denen eine vollständige, sogenannte Überflutungsschmierung, ohnehin nicht möglich ist. 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 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.

Einen Schwerpunkt in der Schichtentwicklung stellen diamantartige tetraedrisch amorphe Kohlenstoffschichten (ta-C), die vom Fraunhofer IWS aus Dresden entwickelt werden, dar. Diamantähnliche Beschichtungen verbinden eine außerordentliche Gleitfähigkeit mit Antihafteigenschaften, chemischer Stabilität und einer extremen Materialhärte. Sie werden bereits in Motorkomponenten eingesetzt und vielerorts wird weiter daran geforscht. In dem Forschungsprojekt Pegasus II  beispielsweise arbeiten Wissenschaftler an der großtechnischen Nutzung für Antriebsstränge in Fahrzeugen. Bei diesen Maschinenkomponenten spielt jedoch Trockenreibung keine Rolle.

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 führen jedoch zu neuen Anforderungen an den Schmierstoff, da sie neue Eigenschaften mit sich bringen. 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.

Erste Ergebnisse erwarten die Forscher im Jahr 2017.

(me)

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