Leistungsgrenzen Trockenlauf
FVA 737 I, IGF-Nr. 18481 N
Das Streben nach immer grenzwertigerer Auslegung sowie der Steigerung der bauraum- und massenspezifischen Leistungsdichte führt zu permanent steigenden Anforderungen an die Reib- und Verschleißeigenschaften der Friktionspaarungen bzw. der Friktionssysteme. Um die steigenden Anforderungen erfüllen zu können, müssen sowohl die zulässige thermische und mechanische Beanspruchbarkeit bestehender Friktionspaarungen immer weiter ausgenutzt, als auch Friktionspaarungen mit deutlich höherer Leistungsfähigkeit entwickelt werden. Die Vielzahl möglicher Friktionspaarungen und der system- und anwendungsspezifische Einfluss auf die Leistungsgrenze erschwert jedoch die zielgerichtete, zeit- und kosteneffiziente Entwicklung von Kupplungen und Bremsen.
Innerhalb des Forschungsvorhabens FVA 737 I Leistungsgrenzen Trockenlauf wurde am IPEK – Institut für Produktentwicklung daher eine Methode zur sicheren und effizienten Ermittlung und Identifizierung der Leistungsgrenze von trockenlaufenden Friktionspaarungen oder –systemen entwickelt – je nach Phase in der Produktentwicklung. Die Leistungsgrenze wird hierbei immer unter Einbezug der Anwendung und der damit verbundenen Anforderungen an das tribologische Verhalten ermittelt. Hierfür wurde die anwendungsspezifische Leistungsgrenze, auf Basis der bisherigen Definition, definiert bzw. konkretisiert. Diese ist definiert als die Grenze, an der das tribologische Verhalten vom zulässigen Bereich in den unzulässigen Bereich wandert, wobei diese Grenze durch die Anwendung definiert ist. Die Identifizierung der Leistungsgrenze erfolgt anhand der Beurteilungskriterien Reibungszahl, Reibungszahlgradient und Verschleißkoeffizient. Deren Grenzwerte werden durch die Anwendung festgelegt und quantifiziert.
Die Methode wurde anhand von Friktionspaarungen mit organischen und sintermetallischen Friktionswerkstoffen entwickelt, welche in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Hiermit konnten die Übertragbarkeit und hohe Effektivität und Effizienz der Methode nachgewiesen werden. Im Regelfall sind experimentelle Untersuchungen mit nur vier Friktionspaarungen ausreichend, wodurch Entwicklungszeit und –kosten gespart werden können. In Abbildung 1 sind die Teilschritte der Methode dargestellt. Die Methode wurde zunächst auf Basis der Untersuchung von Friktionspaarungen mit organischen Friktionswerkstoffen entwickelt.
Dabei konnte gezeigt werden, dass die in der Literatur angegebenen Grenzwerte für organische Reibbeläge bezüglich der spezifischen Reibarbeit und spezifischen Reibleistung durch die mittlerweile eingesetzten Friktionspaarungen deutlich angehoben werden konnten, wobei diese als grobe Richtwerte zu verstehen sind, da die Anwendung nicht berücksichtigt wird. Es gelang ebenso, die Methode auf eine Friktionspaarung mit sintermetallischem Friktionswerkstoff zu übertragen und anzuwenden. Deren anwendungsspezifische Leistungsgrenze konnte ebenfalls ermittelt und identifiziert werden. Da die Methode anhand verschiedener Friktionspaarungen erarbeitet und zum Schluss auch angewandt wurde, sind darüber hinaus umfangreiche Erkenntnisse über das Reib- und Verschleißverhalten der eingesetzten Friktionspaarungen bekannt. Das tribologische Verhalten der Friktionspaarungen wurde für einen großen Parameterraum hinsichtlich der Gleitgeschwindigkeit und der nominellen Flächenpressung sowie der spezifischen Reibarbeit und der spezifischen Reibleistung untersucht und charakterisiert. Darüber hinaus wurden auch der Einfluss einer Anfederung der Reibbeläge, eine spanende Endbearbeitung der Funktionsflächen sowie der Einfluss des Einlaufprozesses auf das Reib- und Verschleißverhalten bzw. die Leistungsgrenze sowie die Oberflächenbeschaffenheit untersucht. Eine Anfederung brachte jedoch lediglich bei einem der untersuchten Reibbeläge eine Verbesserung im tribologischen Verhalten. Die vorangehende Oberflächenbehandlung führte zu einem höheren Reibungszahlniveau und einem geringeren Verschleiß im Einlaufprozess.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18481 BG der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
