Automobilantrieb: Kein Watt für Reibung

Skisportler bei den Olympischen Winterspielen in Sotschi und Automobil-Ingenieure haben den gleichen Feind: die Reibung. Leistungsverluste durch Reibung bekämpfen die „Wachser“ der Skirennfahrer mit Bügeleisen und Spezialwachs. Die Ingenieure setzen auf Simulationsverfahren, permanente Optimierung im Antriebsstrang, aber ebenso auf Oberflächenbeschichtung von Bauteilen. Geringerer Spritverbrauch lohnt ihren Einsatz.

Der Erfolg hat viele Väter, wie der Olympia-Triumph von Maria Höfl-Riesch in der Super-Kombi in diesen Tagen wieder einmal eindrucksvoll beweist. Die Skirennläuferin steht im Rampenlicht, die vielen fleißigen Helfer bleiben im Hintergrund. Dabei hätten auch sie eine Medaille verdient. Besonders der Wachser, der mit persönlichem Know-how und speziellen Wachssorten für den schnellen Ski sorgt, also die Reibung zwischen Ski und Schnee minimiert. Zum Team d[foto id=“500787″ size=“small“ position=“right“]er Automobil-Hersteller gehören die Ingenieure bei ihren Zulieferern, in den Engineering-Unternehmen und die Wissenschaftler an den Hochschulen. Ihre „Handwerkzeuge“ sind hoch komplizierte Simulations-Verfahren und Optimierungs-Prozesse, damit immer weniger Watt durch Reibung verloren geht und immer mehr Leistung vom Fahrzeugantrieb genutzt wird.

Jedes Watt zählt

Im Ringen um die Reduzierung der CO2-Emissionen zählt jedes Watt, das dem Antrieb zugutekommt. Denn 50 Prozent von der Motorleistung gehen durch Wärme und Reibung verloren. So ist allein durch die Minderung der Reibungsverluste der Wirkungsgrad des Motors deutlich zu erhöhen und der Kraftstoffverbrauch zu senken. Deshalb kommt einer Verringerung der Reibung von bewegten Teilen im Motor eine Schlüsselrolle zu.

Bei der Vielzahl von Motorteilen und -Baugruppen und der Komplexität der Aufgabe arbeiten Forschungsinstitute und Industrie Hand in Hand. Beispielsweise an dem ambitionierten Ziel, die Reibung im Gesamtantriebsstrang um 30 Prozent zu vermindern. Bei diesem geförderten Forschungsverbundprojekt kooperieren Wissenschaftler der Uni Kassel unter anderem mit der Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) und mehreren deutschen Hochschulen. Mit ihren Simulations-Programmen liefern die Kasseler vielen Autokonzernen und Zulieferern Ergebnisse für zielführende konstruktive Änderungen.

Ein drittel weniger Reibung

„Unsere Vision ist die Verminderung der mechanischen Reibungsverluste im Motor um 30 Prozent. Das würde den Normverbrauch eines typischen Pkw um etwa drei Prozent bis fünf Prozent reduzieren“, erklärt Professor Dr.-Ing. Adrian Rienäcker, geschäftsführender Direktor am Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik der Uni Kassel. Die Wissenschaftler im Bereich Maschinenelemente und Tribologie identifizierten probate Mittel zur Reibungsverminderung. So wurden beispielsweise bei den Hauptlagern der Kurbelwelle, die als Gleitlager ausgeführt sind, größere Lagerspiele und geringere Lagerbreiten als Verbesserung herausgearbeitet. Ebenso untersuchten sie, wie sich der Wechsel von Gleitlager auf Wälzlager (Kugellager) auswirkt. Die bisherigen simulationsbasierten Ergebnisse belegen, dass die Vision Wirklichkeit werden kann.

Was bedeutet das etwa beim Triebwerk des Motors? Zu ihm zählen die Kurbelwelle mit Gegengewichten, Kurbelwellenlager, Pleuel, Pleuellager, Kolben mit Ringen, Kolbenbolzen und der Schmierstoff. Mit konventionellen Maßnahmen lässt sich dort die Reibung bis 31 Prozent verringern, so der Kasseler Wissenschaftler. Bezogen auf den Gesamtmotor ließen sich damit die Reibungsverluste um zehn Prozent senken. Werden statt Gleitlager aber Wälzlager eingesetzt, [foto id=“500788″ size=“small“ position=“left“]so könnten die Leistungsverluste durch Reibung um 50 Prozent sinken.50 Prozent sind riesig, doch sie reduzieren leider nicht den Pkw-Verbrauch um den gleichen Wert. Bezogen auf den Gesamtmotor bedeuten sie, dass die Reibung um 18 Prozent reduziert werden kann, so Professor Rienäcker: „Doch die 18 Prozent eingesparte Reibung im Triebwerk bedeuten immerhin etwa 5,5 Prozent Verbrauchssenkung beim Pkw. Das bei uns untersuchte Modell verbraucht demnach im EU-Normtest kombiniert 0,43 Liter je 100 Kilometer weniger.

„Im Gleitlager werden die Oberflächen durch einen dünnen Schmierfilm getrennt. Die Gleitreibung der Materialpaarung verursacht Reibungsverluste, wenn das Lager in der Mischreibung betrieben wird. Die Wälzlager haben einen geringeren Reibungswiderstand als Gleitlager. Der ist bei ihnen auf die Wälzkörper wie Kugeln, Zylinder-, Kegel- und Tonnen-Rollen, die auf gehärtete Stahlflächen mit optimierter Schmierung abrollen, zurückzuführen.

Bei der Reibungsminderung bewegen sich die Vorteile der Wälzlagerung gegenüber Gleitlager durchweg im Bereich von etwa 50 Prozent, erklärt Automobilzulieferer Schaeffler. Die Herzogenauracher, die mit der Uni Kassel seit langem zusammenarbeiten, propagieren, die konventionellen Gleitlager im Motor durch reibungsärmere Wälzlager zu ersetzen. Wie ermittelt, senkt das die Reibung deutlich und somit den Kraftstoffverbrauch.

In der gleichen Größenordnung lassen sich Reibungsverluste durch Beschichtungen minimieren, wie Dr. Tim Hosenfeldt, Leiter Kompetenzzentrum Oberflächentechnik bei Schaeffler, erklärt. So sei es beispielsweise mit den kohlenstoffbasierten Schichtsystemen „Triondur“ gelungen, die Reibung im Ventiltrieb um 50 Prozent zu senken. Die Triondur-Schichtsysteme besitzen hervorragende Eigenschaften, wie niedrige Reibung und höchste Verschleißbeständigkeit, so Hosenfeldt. Der Mehrwert für die Automobilhersteller zeige sich in der raschen Marktverbreitung des Schichtsystems sowie in stetig steigenden Stückzahlen, die heute bereits bei mehr als 100 Millionen pro Jahr liegen.