11.12.2009
Grundlagenforschungen zur Verlustleistungsminderung bei Zahnradgetrieben
Vortrag bei ATZ/MTZ-Konferenz - Reibungsminimierung 2009
Getriebe
Referent(in): Dr. Hans-Philipp Otto, Bernd-Robert Höhn, Klaus Michaels, TU München
Obwohl moderne mechanische Getriebe zur Drehmoment- und Drehzahlwandlung bereits hohe Wirkungsgarde aufweisen, ist eine weitere Reduzierung der auftretenden Verlustleistung nicht nur in automobilen Anwendungen, sondern auch im Industriegetriebesektor Fokus zahlreicher Forschungsaktivitäten.
Leerlaufverluste können, vor allem für den Einsatz bei niedrigen Betriebstemperaturen und bei häufigem Teillastbetrieb, durch den Einsatz von niedrig viskosen Schmierstoffen bei gleichzeitiger Zugabe von Viskositätsindexverbesserern zur Gewährleistung ausreichender Schmierfilmdicken deutlich reduziert werden. Abhängig von den Betriebsbedingungen lassen sich beispielsweise durch den Wechsel von ISO VG 150 zu ISO VG 100 bis zu 10 % der Leerlaufverluste einsparen.
Auch durch niedrige Öleintauchtiefen der Getriebekomponenten können die entstehenden Leerlaufverluste in Lagern und vor allem in Verzahnungen weiter reduziert werden. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Leerlaufverluste durch konsequent abgesenkte Ölstände halbieren lassen. Dabei ist jedoch auf hinreichende Wärmeabfuhr aus den Wälzkontakten durch ausreichende Kühlölversorgung zu achten. Potenziale bieten auch eine optimierte Getriebegehäuseinnengestaltung durch Benutzung von Ölleitblechen zur gezielten Ölführung. Dabei werden die Eintauchtiefe und damit das bewegte Ölvolumen reduziert, gleichzeitig lässt sich eine ausreichende Kühlölversorgung gewährleisten und die entstehenden Leerlaufverluste sinken deutlich.
Durch den Einsatz von reibungsreduzierenden Getriebeschmierstoffen lassen sich sowohl die lastabhängigen Verzahnungswie auch die Lagerverluste mindern. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Einsatz geeigneter Grundöle mit Zugabe von Friction Modifieren zur Einsparung von bis zu 20 % der lastabhängigen Verzahnungsverluste führt.
Verlustoptimierte Verzahnungsgeometrien (LowLoss-Verzahnungen) führen zu erheblichen Verlustleistungsminderungen aufgrund reduzierter Reibleistung im Zahneingriff. Durch Reduzierung der Gleitgeschwindigkeitsanteile auf der Zahnflanke lassen sich so die Verluste, bei gleicher Zahnflankentragfähigkeit, in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen um bis zu 70 % reduzieren.
Die lastabhängigen Lagerverluste lassen sich durch konsequenten Einsatz von nicht vorgespannten Lagerungen deutlich reduzieren. Dies bietet vor allem bei tiefen Betriebstemperaturen und bei in automobilen Anwendungen häufig vorzufindendem Teillastbereich große Einsparpotenziale.
Aus heutiger Sicht ist eine um bis zu 30 %tige Reduzierung der Getriebeverlustleistung in zukünftigen Lösungen realisierbar.
Dies bedarf jedoch weiterer Forschungsanstrengungen in den Bereichen verlustleistungsoptimierter Oberflächenstrukturen, reibungsmindernder Beschichtungen, Wärmemanagementstrategien im Gesamtantriebsstrang sowie der Erarbeitung von Simulationswerkzeugen zur Energieeffizienzbetrachtung im Gesamtantriebsstrang mit dem Fokus auf instationäre Betriebszustände.
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