Diamonds Are a Diffs Best Friends
Etwas Energie geht im Antrieb jedes Autos durch Reibung verloren. Das ist vor allem in Zeiten der Suche nach Effizienzsteigerung ein ärgerlicher Zustand. Jetzt weckt eine neuartige Oberflächenbeschichtung das Interesse der Entwickler
München, 5. November 2012 – Etwas Energie geht im Antrieb jedes Autos durch Reibung verloren. Das ist vor allem in Zeiten der Suche nach Effizienzsteigerung ein ärgerlicher Zustand. Jetzt weckt eine neuartige Oberflächenbeschichtung das Interesse der Entwickler. Jahrzehntelang näherte sich der Fortschritt bei der Reibungsreduzierung in verschiedenen Lagerbauarten, Verzahnungstypen und bei den diversen Schmiermitteln asymptotisch der Nullinie. Sprich, viel mehr als ein paar Zehntel Prozent schienen kaum mehr zu holen bei der Konstruktion von Lagern in Motoren, Getrieben und Achsen. Man musste hinnehmen, dass ein unerfreulicher Anteil der Bewegungsenergie des Motors auf ihrem Weg zu den Antriebsrädern in Wärme umgewandelt wird. Natürlich hat man auch die Materialkombinationen in Gleitlagern und Getriebezahnrädern wiederholt unter der Lupe gehabt – und mittlerweile weitgehend ausgereizt. Doch genau in diesem Bereich zeichnet sich nun ein großer Sprung ab.
Bewegung wird zu Wärme
Bereits 1991 hat man zunächst in der Theorie eine Materialeigenschaft von Kohlenstoff postuliert, welche die Reibung zwischen den Bauteilen stark senken kann: Superlubricity. In der Theorie sollte sie auftreten, wenn Kohlenstoffschichten in einem bestimmten Winkel ihrer Kristallgitterstruktur aufeinander gleiten. Der Widerstand zwischen den Schichten sollte dann am geringsten werden, wenn sich ihre auf atomarer Ebene rillenförmigen Oberflächen am wenigsten miteinander verzahnen können. Diese Supraschmierfähigkeit konnte in der Folge experimentell bestätigt werden und 2005 gelang es japanischen Forschern, diamantähnliche Kohlenstoffschichten (DLC: Diamond-Like Carbon) zu entwickeln, die Potenzial zu einer technisch Anwendung dieser Reibungsreduzierung aufwiesen. „Diamantähnlich“ bedeutet aber auch, dass diese Schichten äußerst stabil sind und sie damit die Haltbarkeit der Bauteile erhöhen können.
Diamonds Are a Diffs Best Friends (5 Bilder)
Der Endantrieb eines BMW X5. Von vorn (im Bild der runde Flansch rechts) bringt die Kardanwelle die Kraft vom Getriebe, über die Antriebswellen, die an den Flanschen im Bild oben und unten abgehen, wird sie weiter zu den Rädern geleitet. Im Endantrieb vorn das Kegelrad, das Tellerrad ist in diesem Schittmodell leider schlecht zu erkennen.
Kein Wunder, dass da Ingenieure aus der Automobilbranche aufhorchten. Aktuell beteiligen sie sich am Projekt „Pegasus“ mit dem Ziel, den Superlubricity-Effekt technisch nutzbar zu machen: Unter Leitung von BMW arbeiten sieben Unternehmen und Forschungseinrichtungen gemeinsam an der Entwicklung von superschmierfähigen Schichten, daran, wie man diese auf Bauteile bekommt und an entsprechend angepassten Schmiermitteln. Vor allem Motor und Antriebsstrang sollen damit reibungsärmer laufen lernen.
Gleiten auf atomarer Ebene
Was heißt das? Idealzustand herrscht, wenn die Reibungsflächen etwa in Lagern oder von Zahnflanken vollständig durch einen Schmierfilm getrennt sind. Dann schwimmt das Bauteil im Lager auf einer Ölschicht, der Verschleiß geht gegen Null. Dieses Optimum stellt sich aber nur ein, wenn genügend und geeignetes Schmiermittel vorhanden ist, die Gleitflächen hinreichend glatt sind und auch eine gewisse Gleitgeschwindigkeit zwischen den Reibungsflächen gegeben ist. Andernfalls befinden sich die Reibpaarungen im Gebiet der Misch- bzw. der Festkörper- oder der Grenzreibung. Dann sinkt die Effizienz stark ab, der Verschleiß erhöht sich kräftig. In der Praxis wäre das etwa bei jedem ganz normalen Anlassen des Motors, besonders eklatant natürlich beim Kaltstart oder bei Überhitzung und nicht zuletzt bei stark gealtertem Motoröl der Fall.
Gerade in solchen kritischen Zuständen können DLC-beschichtete Oberflächen helfen, Reibungsverluste deutlich zu minimieren. Das gilt natürlich auch in Situationen, in denen es bei unbeschichteten Materialien durch Schmierstoffmangel oder Überhitzung des Schmiermittels normalerweise zu Schäden kommt. DLC könnte die so genannten Notlaufeigenschaften der Bauteile deutlich verbessern. Prinzipiell gilt: Verringert sich die Reibung, erhöht dies die Lebensdauer der Komponenten und vermindert den Energie- und Schmierstoffverbrauch.
Testobjekt Hypoidantrieb
Um das Verhalten der beschichteten Teile und die Auswirkungen verschiedener Schmiermittel abschätzen zu können, wurde ein Praxisversuch an einem Endantrieb eines Fahrzeugs durchgeführt. Im Endantrieb verzweigt sich die Antriebskraft von der Kardan- auf die beiden Antriebswellen zu den Antriebsrädern. Die Winkelverzahnung zwischen Kegel- und Tellerrad in diesem Bauteil ist heute fast immer als Hypoidantrieb, also mit versetzten Achsen ausgeführt, um Laufruhe, hohe Belastbarkeit und gleichzeitige Platzersparnis zu nutzen. Der Endantrieb ist insofern ein perfektes Studienobjekt, als im Hypoidantrieb außer dem Druck bei der Abwälzbewegung der Zähne durch den Achsversatz auch eine Gleitbewegung zwischen den Zahnflanken auftritt. Er erkauft seine Vorteile also durch erhöhte Reibung (anders ausgedrückt, durch einen geringeren Wirkungsgrad) und würde ohne ein speziell additiviertes und dadurch besonders tragfähiges Öl („Hypoidöl“) nicht lange halten.