Reibungsminimierung im Antriebsstrang 2015

Als innovationsstarker Zulieferer der Automobilindustrie bewegt iwis mit hochwertigen Kettentriebsystemen für Nockenwellen, Einspritzpumpen, Ausgleichswellen, Ölpumpen und Nebenaggregaten Motoren und Fahrzeuge aller Art. iwis ist Entwicklungs- und Systempartner sämtlicher namhafter Automobilhersteller, so dass iwis Motorsystemlösungen heute in beinahe jedem Fahrzeug auf den Straßen der Welt zu finden sind.

In dem vorliegenden Artikel wird ein neuartiger Ansatz zur Reibleistungsbestimmung im Gesamtsystem von Steuerkettentrieben vorgestellt. Zur Analyse des Einflusses unterschiedlicher Auslegungsparameter, wie z. B. des Nockenwellenverstellers, des Kettenspanners oder der Geometrie der Führungsschienen, wird eine Vorgehensweise zur Messung der Kräfte in den Aufhängungspunkten vorgeschlagen und diskutiert. Dadurch kann eine Zuordnung der Auswirkungen auf die Reibleistung einzelner Einflussgrößen im Gesamtsystem erfolgen.

In den letzten Jahrzehnten der Technologieentwicklung im Automobilbau wurden vermehrt Funktionen ins Fahrzeug integriert, die auf Messverfahren mit Ultraschall bzw. auf Schallpegeln im Ultraschallbereich beruhen. Wie dem Bild 1 beispielhaft zu entnehmen ist, wird Ultraschall nicht nur in der Fahrzeugausrüstung, sondern auch bei der Entwicklung und im Produktionsprozess, sowie im Service verwendet. Dabei ist der Fokus des Einsatzes von Ultraschallmessverfahren in der Regel bei der Überwachung und Diagnose von Parametern und Prozessgrößen realisiert, die mit optischen Messerfahren nicht oder nur schwer zugänglich sind.

Moderne Schmierstoffanforderungen werden immer stärker von den aktuellen Umweltgesetzgebungen und dem Bauteildesign bestimmt. Die Haupttriebkräfte für Neuentwicklungen sind kleinere Ölvolumina, größere Energieeffizienz der Verbrennung und der mechanischen Motorbauteile, geringere Umweltbelastung, Reduzierung der Wartungskosten und Ausfallspanne, längere Ölwechselintervalle usw.

Eine eigenentwickeltes Simulationspaket mit dem Namen SABRE-TEHL wurde genutzt, um den Effekt von niedrigviskosen Ölen und deren Einfluss auf Kurbelwellenlagerschalenmaterialieneigenschaften zu untersuchen und die thermoelastischen Schmierung (TEHL) zu analysieren. Die Modellierung des Verschleißes und der Oberflächenunebenheitskontakte basiert auf realen Messungen der Oberflächenrauheit, welche in die Software integriert wurden.

Das Ergebnis ergab das Potenzial für eine 22 – 24%ige Minderung der hydrodynamischen Gesamtverlustleistung für Kurbelwellenlagerschalen, die 0W-20 niedrigviskoses Öl verwenden. Jedoch wurde beim Einlaufprozess ein signifikanter Anstieg der Gesamtverlustleistung festgestellt, der auf einem erhöhten Oberflächenrauhigkeitskontakt durch die dünneren Ölfilme basiert. In diesem Zusammenhang zeigen polymerbeschichtete Lagerschalenoberflächen einen entscheidenden Leistungsvorteil, da sie eine signifikante Reduktion in der Oberflächenrauigkeit aufweisen und sich dadurch auf dem vergleichbaren Niveau in der Gesamtverlustleistung wie Aluminium-Zweistofflagerschalen, die mit 5W-30 Öl als Schmierstoff betrieben werden, bewegen. Daher konnte gezeigt werden, dass die Polymerlauflächenbeschichtung den Einlaufprozess bei der Verwendung von niedrigviskosen Ölen entscheidend verbessert und eine höhere Betriebssicherheit des Motors gewährt.

Die gesetzliche EU-Vorgabe für 2020/21, dass die PKW-Neuwagenflotte eines Herstellers in Europa einen Grenzwert von 95 g CO₂/km im Mittel nicht überschreiten darf, wird von den Herstellern vorrangig durch eine weitere Effizienzsteigerung der Verbrennungsmotoren mit dem Ziel einer Kraftstoffverbrauchsreduktion realisiert. Ein wichtiger Stellhebel ist hierbei die Reibungsreduzierung der Motoren. Betrachtet man die Reibungsverluste eines Motors ist festzustellen, dass die Reibung in der Kolbengruppe den größten Anteil an den Reibungsverlusten aufweist [1].

Die CO₂-Emissionshürde von 95g/km ist nur mit erheblichem technischem Aufwand zu nehmen. Sowohl die Automobilhersteller als auch deren Zulieferer arbeiten daher unter Hochdruck an der Entwicklung von Systemen und Komponenten, um höhere CO₂-Einsparungen zu ermöglichen. So auch Freudenberg Sealing Technologies, die mit vielen dynamischen und damit kontaktierenden Dichtungen im gesamten Antriebsstrang vertreten sind. Diese verursachen nach NEDC (New European Driving Cycle) Reibungsverluste von mehreren 100 Watt und sind demzufolge Verursacher von einigen Gramm CO₂/km. Eine Optimierung dieser Dichtungen beinhaltet daher ein erhebliches Einsparpotenzial. Der Beitrag zeigt, mit welchen Produkten die CO₂-Emission im Antriebsstrang reduziert werden kann. Dabei wird sowohl auf direkte Effekte durch Reibungsminimierung am Bespiel verschiedener Wellendichtungs-Designs, als auch auf indirekte Effekte durch Leichtbaukomponenten eingegangen. Um eine quantitative Aussage zu den möglichen Einsparungen zu erhalten, werden am Beispiel von Simmerringen die Ergebnisse entsprechender Simulationen mit zugehörigen Prüfläufen und der Ermittlung von Koeffizienten für ein Berechnungsprogramm vorgestellt.

Weltweit strenger werdende Emissionsvorschriften sowie die Forderung von Gesellschaft und Kunden nach möglichst effizienten Motorkonzepten sind die Treiber der aktuellen Antriebsstrangentwicklung. Hierbei hat sich die Steigerung des Einspritzdrucks sowohl für Otto- als auch Diesel-DI Aggregate als effektives Instrument zur Erhöhung des Motorwirkungsgrades bei gleichzeitiger Senkung der ausgestoßenen, limitierten Schadstoffe – insbesondere der Partikelemission – erwiesen. Lagen die maximalen Einspritzdrücke vor wenigen Jahren noch bei unter 2000 bar für Dieselmotoren und unter 150 bar bei DI-Ottomotoren, werden heute schon Werte von 2500 bar beziehungsweise 350 bar in Serie erreicht.

Moderne Hochgeschwindigkeits-Dieselmotoren stellen immer höhere Anforderungen an die eingesetzten Motorkomponenten. Besonders die Kurbelwellen-Gleitlager müssen immer höheren maximalen Zylinderdrücken und den sich daraus ergebenden Belastungen standhalten, die durch die Pleuellager an die Kurbelwelle übertragen werden. Aufgrund dieser Belastungen und ihrer Auswirkung auf den Schmierfilm spielen Fresssicherheit und Abriebfestigkeit für Gleitlager eine immer entscheidendere Rolle in der modernen Motorentwicklung. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat MAHLE eine neue Hochleistungs-Polymer Beschichtung entwickelt, die mit Schmierstoff gefüllte Mikrokapseln enthält.

Turbocharger (TC) bearing friction mostly affects the “low speed” operation of the turbocharger and is therefore relevant for the transient response and part load emissions of modern combustion engines. Further optimization of TC friction has to be supported by sophisticated simulation tools to shorten developmental time and reducing the costs for prototyping and testing.

In this paper, a detailed analysis on the mechanical losses occurring in the bearing system of automotive turbochargers is presented. The measurement data is obtained using FEV’s unique test bench customized for TC bearing friction analysis. Friction losses have been measured experimentally up to rotational speeds of 120 000 1/min. Special focus was placed on the thrust bearing characteristics and its contribution to total friction losses. This information is used to validate a modern simulation tool. Furthermore, the current potential and limits of the existing simulation methods are described. The state-of-the-art simulation method shown in this paper is based on elastic-multi-body simulation and elasto-hydrodynamic bearing approaches. The aim is to investigate rotor dynamics, load bearing capacity and friction losses in an integrated simulation environment.

Mercedes-Benz gibt der Pkw-Dieseltechnik mit einer innovativen Technik erneut zu-kunftsweisende Impulse. Weltweit als Erster ersetzt der Dieselpionier aus Stuttgart die in Pkw-Dieselmotoren bislang üblichen Kolben aus Aluminium durch eine neu entwi-ckelte Hightech-Kolbengeneration aus Stahl. In Kombination mit einem Aluminium-kurbelgehäuse und der innovativen NANOSLIDE® Zylinderlaufbahntechnologie sind die Vorteile vor allem noch weniger Verbrauch und damit weniger CO₂-Emissionen.

Future engine development places crucial demand on understanding the details of components in order to provide maximum power output and maximum efficiency in terms of fuel consumption and CO2 emissions.

Following these requirements, AVL provides detailed piston group simulation capabilities in terms of piston and ring dynamics, strength, thermal loading, blow-by, lube oil consumption and friction losses. The highly complex system of the piston and rings is very sensitive to the equilibrium between the inertia-, gas- and friction forces incorporating the thermal expansion of each component. In addition, nearly the complete Stribeck-curve is reflected in the lubricating conditions during one engine cycle. Therefore continuous validation work is mandatory to ensure the model quality and accuracy. Using the AVL FRISC single-cylinder engine enables comprehensive validation through direct comparison of measured and simulated values and characteristics. This paper provides an overview of the successive measurement to simulation comparison and method development for the piston group simulation.

To identify the friction contribution of the piston group AVL uses a single-cylinder engine based on a floating liner concept. This engine has a newly developed sealing on top of the inner liner cylinder, which avoids the influence of pressure from the chamber. The measurement of the pure friction forces coming from the contact of the piston ring pack and the piston skirt with the liner is done under motored as well as fired conditions. Using this technology indicated friction force measurements are obtained with high absolute quality and good reproducibility. As a result AVL is capable to optimize a part matrix consisting of liner, piston and rings with different materials, surfaces, honing’s, coatings and part geometries with respect to the reduction of friction losses.

In this paper, various indicated friction force signals are presented which are resolved by stroke thus enabling further investigation and optimization of the piston – ring – liner system in more detail. Integration of the area beneath the friction – force curve yields the friction power due to the piston group. Doing this for different load and speed points enables to calculate the friction power for a specific driving cycle and show the differences caused by different piston group assemblies. Based on the maximum difference the impact on fuel consumption and CO2 emissions will be presented with an example.

In the past, our signal processing was capped at speeds of 2500 rpm for Diesel engines and 3000 rpm for Otto engines. Loads were restricted to around 100 bar. This limitation was due to an assumed resonance issue with amplitudes that falsify the signals in such a manner that make them unusable.

Nowadays operating our AVL FRISC up to 4500 rpm and at loads above 160 bar is possible. Results from accompanying vibration measurements are given here as Campbell diagrams to provide further insight. The data presented here show amplitudes over the frequency spectrum and vibration order lines (integer) as usual. But main reason for analyzing these diagrams is to detect resonance bands and evaluate their influence on the measurement signals.

Im Gegensatz zum Pkw-Segment, für den bis 2020 ein CO2-Flottenverbrauch von <95g/km festgeschrieben ist, werden die CO2-Emissionen für den Bereich Nutzfahrzeuge derzeit weder limitiert noch berichtet. Dieses Problem ist von der EU-Kommission erkannt worden und soll durch entsprechende Regularien zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen gelöst werden. Die Ziele orientieren sich dabei am Gesamtziel der Reduzierung von Treibhausgasemissionen für 2050 um 60% (verglichen mit 1990) für den gesamten Warentransport in der EU und werden nach den Vorstellungen der Kommission mittelfristig zu obligatorischen CO2-Limits führen, die bereits bis 2030 ihre Wirksamkeit zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen entfalten sollen [1].

Thermal Spraying is a coating technology known since the 20th century. Throughout the years, many different variants of thermal spraying have been developed and adapted for various applications. The most common applications of thermal spray coatings are wear reduction and improvements to the functionality of surfaces for various industries, e.g. wear and corrosion protection coatings on turbine blades in hydroelectric power plants [1], functional layers in solid electrolyte fuel cells [2] or absorption layers in fusion reactors [3].

Hybrid bedeutet die Kombination eines mechanischen konventionellen Antriebes und eines elektrischen Antriebes. Je nach Batteriekapazität gibt es autarke Hybride und sogenannte Plug-In Hybrids. Bedingt durch die Gesetzesvorgaben der EU bezüglich CO₂ Emission wird zukünftig der Plug-In Hybrid dominieren. Der Grund ist die Reduzierung der Emissionen abhängig von der rein elektrisch gefahrenen Strecke.

Die weitere Reduzierung der Reibleistung im Antriebsstrang ist ein wichtiger Bestandteil, um die scharfen CO₂-Vorgaben ab 2020 zu erfüllen. Dies ging aus vielen Vorträgen bei der 4. ATZlive-Tagung Reibungsminimierung im Antriebsstrang hervor, die am 1. und 2. Dezember 2015 in Esslingen am Neckar stattfand. Führende Tribologie-Experten gaben den rund 110 Teilnehmern Einblick in den aktuellen Stand ihrer Entwicklungen und neuesten Forschungsergebnisse aus den Bereichen Steuertriebe, Schmierstoffe, Lager- und Dichtsysteme, Kurbeltrieb und Beschichtungen.