| Titel | Reibungsreduzierung durch Oberflächenbeschichtungen unter elastohydrodynamischen (EHD) Schmierungsbedingungen |
| Autor | Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann, Karsten Stahl, Klaus Michaelis, Michael Hinterstoißer, Josef Mayer |
| Infos zum Autor | Autorenanschrift: RWTH Aachen University / Institut für Oberflächentechnik (IOT) Kackertstraße 15, 52072 Aachen M.Sc. Tobias Brögelmann Tel.: +49 (0) 241 80 96512 Fax: +49 (0) 241 80 92264 Email: broegelmann@iot.rwth-aachen.de Kirsten Bobzin, Tobias Brögelmann Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen University, Kackertstr. 15, 52072 Aachen Karsten Stahl, Klaus Michaelis, Michael Hinterstoißer, Josef Mayer Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) der TU München, Boltzmannstr. 15, 85748 Garching |
| Inhalt | Zusammenfassung Aus der zunehmenden Sensibilisierung für die Folgen des globalen Klimawandels leiten sich die gesellschaftliche Notwendigkeit und der politische Wille zur nachhaltigen Reduzierung der Emissionen klimaschädlicher Gase ab. Insbesondere in den Bereichen Mobilität und Verkehrstechnologie kann eine umweltfreundliche und effiziente Antriebstechnik durch Reduzierung der mechanischen Verluste und durch Einsparungen in der Nutzung fossiler Energieträger zur Verringerung der CO2-Emissionen beitragen. Mit Fokus auf den Automotive Sektor weist neben dem Einsatz alternativer Antriebskonzepte insbesondere die Minimierung der mechanischen Verluste reibungsbehafteter Komponenten im Automobilantriebsstrang massives Potenzial zur Zielerreichung auf. Infolge des periodischen oder kontinuierlichen Betriebs im Grenz- und Mischreibungsgebiet in Verbindung mit dem Einsatz der Start/ Stopp-Technologie können hierbei die zahlreichen Wälzkontakte im Getriebe und die Kurbelwellengleitstellen im Verbrennungsmotor genannt werden. Aus den Entwicklungen zur Effizienzsteigerung und der Umsetzung des "Downsizing" resultieren stetig steigende Anforderungen an die Komponenten in Getriebe und Verbrennungsmotor in puncto Reibungsreduzierung und Tragfähigkeit durch höhere Leistungsdichten und höhere lokale Belastungen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand in der Untersuchung der motor- und getriebeseitigen Möglichkeiten zur Reduzierung der mechanischen Verluste im Antriebsstrang durch Einsatz von PVD-Beschichtungen. Infolge der hohen spezifischen Lasten wurden die kohlenstoffbasierten Schichtsysteme "Gradiertes Zirkoniumkarbid" (ZrCg) und "Nanocomposite Zirkoniumkarbid" (nc-ZrC) sowie das nitridische Hartstoffschichtsystem (Cr,Al)N des Instituts für Oberflächentechnik (IOT) zur Reibungsreduzierung unter Schmierung erprobt. Neben grundlegenden Untersuchungen konnte anhand der beschichteten Realbauteile des Antriebsstrangs in praxisnahen Untersuchungen und Komponentenprüfständen das Potenzial zur Reibungsreduzierung und Effizienzsteigerung im Bereich der Grenz- und Mischreibung belegt werden. Darüber hinaus wurde erstmals auch bei vollständiger Trennung der Oberflächen im Bereich der Flüssigkeitsreibung (EHD) eine signifikante Reibungsreduzierung durch Einsatz des kohlenstoffbasierten PVD-Schichtsystems ZrCg des IOT sowohl unter Gleit- als auch unter Wälzbeanspruchung nachgewiesen. Abstract The increasing awareness for the consequences of climate change leads to the social necessity and political will to sustained reduction of greenhouse gas emissions. In particular, in the areas mobility and transport technology, an environmentally friendly and efficient drive and transmission technology can contribute to reducing mechanical losses which means decreased CO2 emissions through savings in fossil energy sources. Besides alternative drive concepts, minimization of mechanical losses of frictional components in automobile powertrain reveals huge potential for target achievement. Due to periodic or continuous operation under boundary and mixed-friction conditions in combination with with the use of start/stop technology, plain bearings of crankshaft in engines and numerous rolling contacts in transmission come into focus. Recent developments in efficiency improvement and "downsizing" lead to increasing demands on components in combustion engines and transmission regarding friction reduction and load capacity due to higher power densities and higher local loads. The objective of this work was to analyze the possibilities to reduce mechanical losses in powertrain by physical vapour deposition (PVD) coatings with special regard to transmission and engine. As a result of high specific loads, the carbon based coating "graded zirconium carbide" (ZrCg) and the nitride hard coating (Cr,Al)N of Surface Engineering Institute (IOT) were tested under lubrication regarding friction reduction. Besides basic tests, the potential of ZrCg and (Cr,Al)N coated powertrain components for friction reduction and efficiency improvement under boundary and mixed-friction conditions was proved in application-related tests and component test-rigs. Furthermore, for the first time a significant friction reduction was observed under fluid friction conditions (complete surface separation under elastohydrodynamic conditions (EHD)) when using the carbon based coating ZrCg of IOT under sliding as well as under rolling load. |
| Datum | 2014 |
