Der Trend zu mehr Kraftstoffeffizienz und CO2-Reduzierung infolge immer strengerer Gesetzesvorgaben und langfristig wohl wieder steigender Ölpreise wirkt sich auf das Design und die Herstellung neuer Fahrzeuggenerationen aus. Zu den augenfälligen Zeichen dieser Entwicklung gehören eine ausgefeiltere Aerodynamik, die Verwendung von leichten Aluminiumelementen und verbesserten Verbundwerkstoffen sowie kompaktere Motoren. Ähnliche Veränderungen gibt es aber auch bei weniger offensichtlichen Komponenten – und hier insbesondere beim Antriebsstrang: Dort sorgen auch neue Techniken und Fortschritte in der Lagertechnologie für Veränderungen.
Der Autor: Dietmar Seidel, Leiter technische Fachpresse Deutschland, SKF, Schweinfurt
Insbesondere bei Getrieben sind beträchtliche Leistungsverluste typisch. Bedingt werden sie durch die Reibung zwischen den Zahnrädern, Wellen, Lagern und dem Schmierstoff. Während radiale und axiale Verzahnungskräfte beispielsweise immer einen entsprechenden Leistungsverlust bei den Lagern zur Folge haben, lassen sich zusätzliche innere Verluste bei Kegelrollenlagern feststellen, die mit Vorspannung angestellt werden.
Ergo besteht die Herausforderung für die Hersteller von Lagern darin, neuartige Produkte zu entwickeln, die derartige Effekte eliminieren oder zumindest reduzieren und dabei sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Gebrauchsdauer wahren oder sogar steigern.
Mehr Wälzkörper bedeuten mehr Verluste
Einer der wichtigsten zu berücksichtigenden Parameter bei der Reduzierung von Leistungsverlusten ist der Drehmomentfluss durch das Getriebe und die Zahnkräfte: In diesem Kontext ist die Reaktion des Lagers ausschlaggebend für die Anzahl der belasteten Wälzkörper – und damit letztlich auch für das Reibungsmoment. Kurzum: Je mehr belastete Wälzkörper ein Lager enthält, desto größer ist das Reibmoment und desto höher das Potenzial für Leistungsverluste.
Die Neukonstruktion vorhandener Getriebe kann sich allerdings sehr langwierig und damit kostenaufwändig gestalten. Eine günstige Alternative, bevor man sich auf die kostspielige Entwicklung von Prototypen einlässt, ist die Verwendung von Getriebe-Simulationssoftware, wie sie SKF entwickelt hat: Damit kann schon im Computer ausgiebig experimentiert werden. Es lassen sich systematisch Schlüsselfaktoren ändern, die für Leistung, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz von Bedeutung sind.
Simulation zeigt Verbesserungspotenzial auf
Beispielsweise konnte SKF in Zusammenarbeit mit einem führenden OEM erfolgreich nachweisen, dass selbst in einem bereits vorhandenen 6-Gang-Schaltgetriebe noch viel Potenzial zu einer beträchtlichen Wirkungsgrad-Steigerung steckt. Wie sich herausstellte, waren Verbesserungen in den unterschiedlichsten Bereichen denkbar. Dazu gehörte auch der Austausch von Kegelrollenlagern durch anwendungsoptimierte, abgedichtete Rillenkugellager und Zylinderrollenlager: Mit einer Fest-Loslagerung an der Eingangswelle des Getriebes und den beiden Hauptwellen – welche ohne Vorspannung funktioniert – lässt sich der Leistungsverlust deutlich mindern.
Die Softwaresimulation dieser Änderungen zeigte, dass bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h (nach NEDC) insgesamt 179 W Verlustleistung eingespart werden: von ursprünglich 269 W auf nun noch 90 W Verlustleistung. Bei doppelt so hoher Geschwindigkeit beliefen sich die Einsparungen sogar auf 382 W. Rechnet man die Senkungen der Leistungsverluste in CO2-Emissionen um, dann entsprechen die Werte ca. 3 g/km bei einem Benzinmotor und über 2 g/km bei einem Dieselmotor. Um diese theoretischen Vorhersagen zu überprüfen, wurde sicherheitshalber ein entsprechend optimierter Getriebeprototyp gebaut – und dessen Konstruktion bestätigte tatsächlich, dass die Software-Prognosen auch in der Praxis Bestand hatten.
Hochgerechnetes Einsparpotenzial
Geht man von einer durchschnittlichen CO2-Reduzierung pro Fahrzeug um 2,5 g/km aus, von einer typischen Fahrzeug-Gebrauchsdauer von 200 000 km und davon, dass zwischen 2017 und 2024 rund 1,5 Mio. neue Getriebe gebaut werden, dann ließen sich so 750 000 t CO2-Ausstoß vermeiden. Und das sogar recht einfach: durch relativ geringfügige Konstruktionsänderungen der Getriebelager.
SKF, Tel.: 09721 56-0
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