Experten-Forum Powertrain: Reibung in Antrieb und Fahrzeug 2020

Die nachhaltige Entwicklung der Mobilität in Richtung alternativer und elektrischer Antriebe beschäftigt nicht nur die Automobilhersteller, sondern auch die gesamte Zulieferkette. Durch die elektrischen und hybriden Antriebsformen verändern sich die Anforderungen an das Gesamtfahrzeug und damit auch an die Komponenten. CO₂-Reduzierung und verlängerte Reichweiten durch weniger Reibung und Gewichtseinsparungen stehen im Widerspruch zu höheren Fahrzeuggewichten, erhöhten Drehmomenten und dem Wunsch nach einem leisen Betrieb. In diesem Spannungsfeld setzt die Entwicklung eines reiboptimierten Radlagers der 3. Generation an.

Ziel des hier vorgestellten Projektes war es, ein Radlager mit geringer Reibung zu entwickeln, das einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der verschärften CO₂-Vorgaben leistet und beim Einsatz in einem EFahrzeug gleichzeitig eine Erhöhung der Reichweite ermöglicht.

Die Entwicklung des Radlagers erfolgte unter Beachtung des Gesamtsystems der Fahrzeugachse. Somit wurde der Einfluss der Umbauteile Radträger, Bremsscheibe sowie der Antriebswelle auf die Reibung des Radlagers berücksichtigt.

Für die methodische Bearbeitung wurde die „Design for Six Sigma“-Methode gewählt, welche eine strukturierte und effiziente Durchführung gewährleistete und die zugleich ein Pilotprojekt für die Produktentwicklung im Unternehmen Schaeffler darstellte.

Durch die erfolgreiche Validierung des Radlagers wurde die Serienreife bereits nachgewiesen. Neben der erzielten geringen Reibung zeichnet sich das neu entwickelte Radlager insbesondere durch hohe Lebensdauer, überzeugenden Fahrkomfort und gute Akustik aus.

Anhand von Simulationen wurde abschließend bei Einsatz eines Radlagers mit optimierter Reibung nicht nur eine signifikante CO₂-Einsparung bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nachgewiesen, sondern auch eine Reichweitenerhöhung bei E-Fahrzeugen. Das Design leistet dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Kostenreduzierung für den OEM, da Überschreitungen der gesetzlichen CO₂-Vorgaben mit Strafzahlungen verbunden sind.

False-Brinelling-Schäden, welche bspw. während des Transportes bei widrigen Umgebungsbedingungen in Radlagern entstehen, können zu einer erhöhten Geräuschemission und zur Lebensdauerreduzierung der Radlager führen. Um die Qualität, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Fahrzeuglagerungen zu erhöhen, sollten solche Schäden vermieden oder auf ein unschädliches Maß reduziert werden. Im Folgenden wird eine Prüfmethode vorgestellt, mit welcher die Eignung von Schmierfetten unter praxisnahen False-Brinelling-Bedingungen geprüft werden kann. Außerdem werden Versuchsergebnisse ausgewählten Schmierfetteigenschaften gegenübergestellt, so dass Empfehlungen für die Schmierfettauswahl und Schmierfettentwicklung gegeben werden können. Für ein tieferes Verständnis über die dominierenden Verschleißmechanismen beim False-Brinelling werden ein transientes 3D-FE-Simulationsmodell sowie ein exemplarisches Ergebnis vorgestellt, mit welchem sich die kontaktmechanischen Vorgänge in den Berührungsstellen zwischen der Kugel und den Laufbahnen erklären lassen.

Um zukünftige gesetzlich vorgegebene CO₂-Emissionsziele für die gesamte Fahrzeugflotte zu erreichen, müssen die Antriebsstränge der Fahrzeuge optimiert werden. Der aktuell von vielen OEMs eingeschlagene Hauptpfad geht in Richtung einer verstärkten Elektrifizierung. Dabei ergeben sich konzeptionelle und finanzielle Hürden. Wichtige Parameter sind dabei neben anderen das Nutzungsverhalten der Fahrzeugkunden, das Fahrzeuggewicht sowie die Kosten für den Antriebsstrang. Für einige Antriebsstrangkonzepte ist die Nachhaltigkeit der Geschäftsmodelle und/oder die Kundenakzeptanz fraglich. So vereint ein „Plug-In Hybrid Electric Vehicle“ (PHEV) die Komplexität eines vollen verbrennungsmotorischen und elektrischen Antriebs. Bei einem „Battery Electric Vehicle“ (BEV) sind Kosten, Materialverfügbarkeit und Infrastruktursituation die großen Herausforderungen. Somit müssen zumindest in näherer Zukunft die Antriebsstränge mit Verbrennungsmotor ihren Anteil zur CO₂-Reduzierung beitragen. Dafür müssen die Verbrennungsmotoren weiter optimiert werden. Hierfür gibt es verschiedenste technische Lösungsansätze. Optimierte Brennverfahren (z.B. Miller Brennverfahren), Hochdruck-Direkteinspritzung, variable Verdichtung, Hybridisierung, Thermomanagement und Reibungsreduzierung sind nur einige ausgewählte Beispiele, die im Falle eines ottomotorischen Antriebs implementiert werden können. Hinter jeder Maßnahme verbirgt sich neben dem jeweiligen CO₂-Reduzierungspotential ein Einfluss auf die Kosten des Antriebsstrangs. Außerdem verhalten sich ausgewählte Maßnahmen synergetisch während andere zu teilweisen Löschungseffekten führen. Dieser Beitrag stellt die Methodik zur Bewertung von CO₂-Reduzierungsmaßnahmen vor dem vorher erläuterten Hintergrund des Kosteneinflusses dar. Am Beispiel ausgewählter Antriebsstränge wird diese Bewertung durchgeführt und speziell die Reibungsreduzierung in den Fokus gestellt.

The use of a converter in variable-speed drives leads to parasitic effects like additional losses or electrical bearing currents. Damages due to fluting or WEC formation or a bad electromagnetic compatibility of the drive can be the result of too high currents. Various remedies are presented which lead to a reduction of the bearing currents. A good protection against circular currents is the use of insulating layers or a rolling bearing with ceramic rolling elements. In the case of high production volumes, a bearing with special plastic overmolded ring can be a more economical solution.

However, insulation is not a good protection against EDM currents and can even increase the risk of these currents in drives with gearboxes. Effective countermeasures are brushes or carbon fiber rings. To avoid additional components the integration in the bearing is of interest. Therefore, Schaeffler developed a so-called shunt bearing that combines an electrically conductive element with a high-speed ball bearing to save space. Another integrated remedy is the use of a conductive grease. However, in e-mobility such greases are faced to high demands. Extensive testing of such grease candidates together with a rolling bearing manufacturer is advisable, also due to the lack of long-term experience.

The creation of a design process against bearing-current-related damages is a basic prerequisite for an assessment of the necessity and effectiveness of remedies. The presented validation concept explains the steps required for this.

Die Reduzierung der CO₂-Emissionen ist der dominierende Treiber bei der Antriebsstrangentwicklung. Vor diesem Hintergrund werden zunehmend elektrifizierte Antriebe mit Verbrennungsmotoren erwartet, die im realen Fahrbetrieb besonders effizient sind. Solche Hybridantriebe weisen eine erhebliche Systemkomplexität auf, wobei der Verbrennungsmotor selbst je nach Betriebsstrategie sehr veränderlichen Betriebsbedingungen unterliegt. Für das Themenfeld „Reibungsreduzierung“ ergeben sich in diesem Zusammenhang besondere Herausforderungen und Fortschritte können dabei einen wichtigen Beitrag zur Steigerung des Gesamt-Wirkungsgrades im tagtäglichen Betrieb leisten.

In diesem Beitrag wird dazu das FEV Reibungsabschätzungstool FRET vorgestellt. Hiermit kann Frontloading in der Antriebsstrangentwicklung für das Themenfeld Reibung bereits in der frühen, digitalen Entwicklungsphase schnell und kostengünstig praktiziert werden. Darüber hinaus kann entwicklungsbegleitend flexibel auf kurzfristige Veränderungen oder geänderte Randbedingungen reagiert werden. Beispielhaft wird ein Konzept für einen reibungsoptimierten, elektrifizierten Verbrennungsmotor für den Hybridbetrieb eines Kompaktwagens vorgestellt.

Die moderne Motorenentwicklung verlangt nach immer flexibleren und dynamischeren Prozessen. Kernpunkte sind dabei Schnelligkeit und Präzision der Messmethoden. Porsche Engineering liefert hierfür eine innovative Entwicklungsmethode, die es ermöglicht, mit Hilfe eines Komponentenprüfstandes kostengünstig die Kolbenkühlung zu bewerten und zu optimieren. Mithilfe konventioneller Messtechnik werden Durchsatz, Druck und Temperatur gemessen und damit die Kühlleistung in einer Bewertungsmatrix in Relation zur Kolbenflächenleistung gesetzt. Mit einer Highspeed Kamera und einem Transparent-Kolben wird anschließend die Kühlungsqualität bewertet, indem Strahlausbreitung und Ölführung am Kolben gemessen werden. Ein spektroskopisches Messverfahren bewertet die thermische Kolbendurchdringung durch den Öl-Strahl und ermöglicht die Bewertung der Effizienz der Kolbenkühlung. All diese Untersuchungen können an einem Prüfaufbau in beliebiger Anzahl an Optimierungsschleifen schnell und leicht reproduzierbar durchgeführt werden, bevor der erste kostenintensive Vollmotor Dauerlauf gestartet wird.

Durch die Optimierungen können neben geometrischen Korrekturen an Kolben und Kühldüse, der Öldurchsatz und sogar das Kolbengewicht reduziert werden, um weiteres Potential zur CO₂ Einsparung umzusetzen.

Optimierungen des Tribosystems Kolbengruppe/Zylinderlaufbahn werden durch weiter verfeinerte Fertigungsverfahren der Gleitreibpartner sowie neue Schmierstoffe in Aussicht gestellt. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Paarung Kolbenring/Zylinderlaufbahn. Für die Prototypenentwicklung verspricht zudem eine neue, anwendungsnahe Prüfmöglichkeit eine rasche Beurteilung von modifizierten Kontaktpartnern zur energetischen Wirksamkeit. Damit ist es möglich bereits vor motorischer Validierung eine Vielzahl von Einflussfaktoren zu betrachten. Herausforderung der kosteneffizienten Überprüfung der Industrialisierbarkeit ist es, Funktionseigenschaften auf fertigungstechnisch kontrollierbare Messmerkmale zurückzuführen und somit Hindernisse der seriellen Verwertung frühzeitig zu identifizieren und möglichst vor weiterer Validierung zu überwinden. Im Rahmen dieses Beitrages wird ein schnelllaufendes, oszillierendes Tribometer zur kurbelwellenwinkelaufgelösten Untersuchung verwendet und mit umfassender Oberflächenanalytik kombiniert. Dabei werden Grenzen herkömmlicher Beurteilung von Laufflächen nach gängigen Normen (ISO4287, ISO13565, VDA2009, ISO 25178) aufgezeigt und durch skalenübergreifende topologische Analyse der Oberflächengestalt sinnvoll ergänzt. Damit erschließt sich eine neue Möglichkeit zur Auflösung aktueller Konflikte aus "vielversprechenden“ Modelltests und motorischen Untersuchungen aus der Prototypenfertigung gegenüber kosteneffizienter serieller Fertigungstechnik am Beispiel der Zylinderlaufbahn.

Im Bereich Konturhonen von hochpräzisen Zylinderformen in der Groß- und Kleinserie werden in den letzten Jahren immer mehr Ansprüche an den Verbrennungsmotor bzgl. einer ansprechenden Energieeffizienz gestellt. Die Firma NAGEL Maschinenund Werkzeugfabrik und die Firma Elgan Diamantwerkzeuge haben für die Anforderungen einen Honprozess zur Reduzierung von Reibung, Geräusch und Ölverbrauch entwickelt. Dabei wird durch den Honprozess eine Kontur in der Bohrung erzeugt, welche im montierten und betriebswarmen Zustand der Motoren eine möglichst zylindrische Form gewährleistet.

Im Zuge des Klimawandels wird im Verkehrssektor in Deutschland bis 2030 eine CO₂-Einsparung von 40-42 % angestrebt [1]. Von den 2017 emittierten 166 Millionen Tonnen CO₂-Äquivalenten im Verkehr, entfallen 36 % auf Nutzfahrzeuge [2]. Zur Umsetzung der Klimaziele im Nutzfahrzeugbereich ist laut Bundesumweltamt, neben der Einführung von alternativen Antrieben, auch eine Effizienzsteigerung im Antriebsstrang konventioneller Nutzfahrzeuge notwendig [3].

Für die Realisierung der in Paris definierten Klimaschutzziele wird die Optimierung des Verbrennungsmotors weiterhin eine tragende Rolle spielen. Sowohl für den Kleinmotor im Hybridantrieb als auch für den Großmotor in Nutzfahrzeugen und Baumaschinen hat eine Effizienzsteigerung höchste Priorität. Maßnahmen zur Reduktion der mechanischen Verluste werden typischerweise mit geschleppten Reibleistungsmessungen am Vollmotor (AVL Strip-down Analyse) bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass bis zu 50 % der Gesamtverluste im Tribosystem Kolben/Zylinderlaufbahn entstehen. Zur Analyse der Kolbengruppenreibung setzt AVL eine kurbelwinkelbasierte Reibkraftmessung am Einzylindermotor ein (AVL FRISC), aus der sich der Reibmitteldruck (FMEP) als Maß der Effizienz ableiten lässt. Zunächst wird auf diese und weitere Methoden der Reibungsanalyse eingegangen. Anschließend werden zum einen beispielhafte Messergebnisse erläutert, zum anderen werden begleitende Simulationsergebnisse vorgestellt, die für eine ausreichende Interpretation erforderlich sind. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass sowohl der Mischreibungsanteil in den Totpunkten als auch der (elasto)hydrodynamische Anteil bei hohen Kolbengeschwindigkeiten reduziert werden können. Um sämtliche Potentiale auszuschöpfen, muss jedoch der Blick auf das Gesamtsystem gerichtet werden und nicht auf einzelne Maßnahmen. Dass Einzelmaßnahmen ihre Wirkung verfehlen können, sobald weitere einflussnehmende Parameter falsch definiert sind, wird anhand eines Beispiels deutlich. Eine abschließende Studie zeigt zudem, dass sich die Kolbengruppenreibung im Spannungsfeld mit Ölverbrauch, Blow By und Verschleiß befindet, weshalb für eine detaillierte Analyse des Tribosystems kombinierte Messungen empfohlen werden. Um aus der Vielzahl an Parametern und Wechselwirkungen das bestmögliche Gesamtsystem zu erhalten setzt AVL auf eine zentrale Powertrain Datenbank (AVL PTDB), in der alle Kenntnisse und Ursache-Wirkungs-Ketten einfließen. Die direkte Verknüpfung zu einem Friction Prognosis & Optimization Tool (AVL FriPrO) liefert schnelle Reibungsprognosen zukünftiger Verbrennungsmotoren und ermöglicht die Definition eines sinnvollen Maßnahmenpaketes zur Steigerung der Effizienz.

Um den Anforderungen der zukünftigen CO₂- und Emissionsgesetzgebung gerecht zu werden, ist eine ganzheitliche Auslegung von Hybridantriebssträngen notwendig. In diesem Beitrag wird ein Ansatz präsentiert, der die thermischen Wirkungsgrade von Verbrennungsmotor, E-Motor, Batterie, Inverter, Getriebe und deren Interaktion berücksichtigt.

Für die Untersuchungen wird ein Gesamtfahrzeugmodell mit thermischen Effizienzmodellen auf Subsystemebene verwendet. Neben den thermischen Komponentenmodellen werden auch die Kühl- und Schmiersysteme der unterschiedlichen Kreisläufe modelliert, sodass auch die transiente Leistungsanforderung der Nebenverbraucher berücksichtigt wird. Eine Bewertung des Energieverbrauchs für die Fahrzeuginnenraumklimatisierung wird über ein thermisches Kabinen-Modell ermöglicht.

Vor der thermischen Systemoptimierung wird zunächst in der Systemabsicherung anhand eines beispielhaften Worst-Case-Szenarios die Kühlsystemperformance geprüft. Anschließend werden intelligente Regelstrategien für die elektrifizierten Nebenverbraucher entwickelt, um einen niedrigen Energieverbrauch, hohe Komponentenwirkungsgrade und thermische Sicherheit zu ermöglichen. Für die erforderliche Gesamtoptimierung der Regelsysteme wird exemplarisch eine Regelstrategie für eine elektrische Wasserpumpe und ein elektrisches Proportionalventil über den Ansatz der statistischen Versuchsplanung (engl.: Design of Experiments) definiert.

Abschließend werden die Unterschiede zwischen dem ganzheitlichen Auslegungsansatz und dem Ansatz ohne Berücksichtigung thermischer Einzelkomponentenwirkungsgrade im WLTC für unterschiedliche Umgebungstemperaturen inklusive aktivierter Innenraumklimatisierung vorgestellt.

Auch ein elektrischer Antriebsstrang benötigt – als letztlich mechanisch wirkendes System – Schmierstoffe und Kühlmedien: Getriebefluide, Schmierfette oder –öle für Wälzlager und flüssige Kühlmittel für E-Motor und Leistungselektronik.

Beim Design effizienter, kostenoptimierter elektrischer Antriebssysteme lässt sich ein Trend für künftige Konzepte erkennen – der "weitgehend integrierte elektrische Antriebsstrang", der wesentliche Vorteile in Hinsicht auf Gewicht, spezifische Leistung und Kosten bietet. Waren die Komponenten eines elektrischen Antriebssystems – Motor, Getriebe, Leistungselektronik – zunächst noch miteinander verbundene Einzelkomponenten, so soll heute alles in einem Gehäuse vereint sein. Damit eröffnen sich auch neue Anforderungen und Potentiale für das Design der Komponenten, von Bauraum und Kosten. Zwei Herausforderungen sollen in diesem Beitrag näher beleuchtet werden: Kühlung und Schmierung einer integrierten Antriebseinheit sowie das damit verbundene Thermomanagement.

Dieses Design eröffnet neue Perspektiven für Schmierstoffe: Statt die Einzelaggregate mit unterschiedlichen Flüssigkeiten zu versorgen, können die Komponenten des integrierten elektrischen Antriebsstrangs mit nur einem Multifunktionsfluid geschmiert und gekühlt werden.

Diese ausführliche Kurzfassung beschäftigt sich mit Untersuchungsergebnissen zu Wirkungsgrad und Wärmehaushalt eines BEV-Getriebes unter Einsatz wasserhaltiger Getriebefluide. Messungen am neu entwickelten FZG BEV-Getriebeprüfstand zeigen Wirkungsgrade von bis zu 99,6 % und das Potential zur drastischen Reduzierung der Getriebetemperatur durch Reduzierung der Leistungsverluste sowie aufgrund der hohen Wärmekapazität der wasserhaltigen Getriebefluide.