triboman«: reduktion von reibung und verschleiss in motoren

Forschungsergebnisse
Prof. Dr. Matthias Scherge l Telefon +49 761 5142-206 l [email protected]
»Triboman«: Reduktion von Reibung
und VerschleiSS in Motoren
Nachdem in den vergangenen Jahren hauptsächlich die Ver-
Reibung bei gleichzeitig geringem Verschleiß aufweist. Mithilfe
brennung im Mittelpunkt der Motor-Forschung stand, haben
der Kollegen des Fraunhofer IWU sollen die so gewonnenen
die Forderungen nach Kraftstoffeinsparung und Verringerung
Zylinder präzisionsendbearbeitet werden, um einerseits das
der CO2-Emission in jüngster Zeit Reibungsphänomene wieder in
Honen zu ersetzen und andererseits den Einlauf teilweise schon
den Fokus der Entwickler gerückt. Dabei haben sich zwei Prob-
während der Fertigung vorwegzunehmen. Das Verfahren, das
lemkreise herauskristallisiert: Erstens kann nur eine ganzheitliche
auch für Wellen entwickelt wurde, nennen wir »energetisch
Optimierung des mechanischen Systems einen signifikanten
gesteuerte Endbearbeitung«. Alternativ zu spanender Endbe-
Beitrag leisten und zweitens müssen dazu die physikalischen
arbeitung arbeitet das Fraunhofer IPT am Laserumschmelzen
und chemischen Grundlagen verstanden sein.
von Tribowerkstoffen. Auch hier soll nanokristallines Gefüge
entstehen, das im Reibkontakt zügig zu geringer Reibung führt.
Zur tribologischen Optimierung eines Motors sind grundsätzlich
Nicht alle Teile des Motors werden allerdings endbearbeitet,
drei Stellhebel nutzbar. Als stärkster tribologischer Hebel ist
beispielsweise Kolbenringe. Zur Reibungsreduktion werden diese
der motorische Einlauf zu nennen. Hier können Reibung und
Teile daher am Fraunhofer IST mit diamantartigem Kohlenstoff
Verschleiß durch eine Steuerung der Belastung, wie Drehzahl
(DLC) be­schichtet.
und Last, eingestellt werden. Der Hersteller hat hier leider wenig
Handhabe, da die Belastungssteuerung hauptsächlich in den
Messung von Reibung und Verschleiß
Händen des Autofahrers liegt. Der zweite Optimierungshebel ist
Zum Nachweis der Reibungsreduktion erfolgen im MikroTribo-
die Auslegung des Öls und seiner Additive. Hierzu ist das Zusam-
logie Centrum μTC des Fraunhofer IWM Motorprüfstandsun-
menwirken der Motorhersteller mit den Öl- und Additivfirmen
tersuchungen, bei denen im laufenden Aggregat neben den
notwendig, was oftmals an Regelungen zur Geheimhaltung
Reibungsverlusten auch der Verschleiß der Bauteile gemessen
scheitert. Bleibt als dritter Hebel die mechanische Endbearbei-
wird. Abbildung 1 zeigt einen Einzylinderforschungsmotor, mit
tung, mit der eine Vorkonditionierung der Motorteile möglich ist.
dem die Reibungsverluste bestimmt werden können. Durch
Nutzung der Radionuklidtechnik kann ebenso der Verschleiß
Mechanische Endbearbeitung und Beschichtung
kontinuierlich gemessen werden. Die neuen AlSi-Legierungen
Der mechanischen Endbearbeitung haben sich fünf Fraunhofer-
ergaben Verschleißraten, die kleiner als 10 Nanometer pro
Institute in dem internen Projekt Triboman gewidmet. Das
Stunde sind.
Fraunhofer IFAM hat für Aluminiumsilizium(AlSi)-Leichtbau­
zylinder eine neuartige untereutektische Legierung entwickelt.
Abbildung 2 zeigt die Laufspuren des Kolbenrings im AlSi-
Das Material hat ein feinkristallines Gefüge, welches im Zuge
Zylinder. Das besondere daran ist, dass, anders als bei den
des Einlaufs schnell und stabil nanokristallin wird und wenig
herkömmlichen übereutektischen Legierungen, nicht der Einlauf
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM l Wöhlerstraße 11 l 79108 Freiburg l www.iwm.fraunhofer.de
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0,5 mm
Laserumgeschmolzene AlSi-Legierung.
für die Herstellung der nanokristallinen Struktur notwendig
physikalisch-chemische Analytik ein. Systeme mit ultrakleinen
ist. Das neue System ist also stabil und weniger empfindlich
Verschleißraten zeigen neben der nanokristallinen Struktur auch
gegenüber äußeren Einflussgrößen. Greifen alle geplanten­Maß-
deutliche Veränderungen der chemischen Eigenschaften des ober-
nahmen, erwarten die Mikrotribologinnen und Mikrotribologen
flächennahen Materials, die auf Reaktionen der AlSi-Legierung
eine Reibungsverringerung von bis zu 10 Prozent.
mit Additivbestandteilen des Öls deuten. Derartige Änderungen
wurden mit der Photoelektronenspektroskopie nachgewiesen.
Zur Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften
setzen wir neben der hochgenauen Verschleißmessung auch
Prof. Dr. Matthias Scherge
µm
3
µm
2
3
1
2
0
1
0
Profiltiefe in µm
1
Profiltiefe in µm
-1
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-2
-1
-2
1 Einzylinderforschungsmotor zur Messung von Reibung und
0
1
2
3
4
Verschleiß.
0
1
0
1
2
3
4
5
6
Länge in mm
2 Dreidimensionale Darstellung der Verschleißspur des Kolbenrings.
5
6
EininAbtrag
Länge
mm von rund 1,5 µm führt bei einer Laufzeit von 150 h zu
­einer Verschleißrate von 10 nm/h.
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM l Wöhlerstraße 11 l 79108 Freiburg l www.iwm.fraunhofer.de
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