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antriebstechnik 12/2015

antriebstechnik 12/2015

Den CO 2 -Ausstoß

Den CO 2 -Ausstoß reduzieren Wälzlager ermöglichen eine Optimierung des Getriebe-Wirkungsgrades Thomas M. Wolf Aus Gründen des Umweltschutzes und der Energieeinsparung sollte der mechanische Wirkungsgrad von Antriebssträngen verbessert werden. Dabei sind auch die Wälzlager für die Getriebewellen zu berücksichtigen, denn sie erzeugen Reibung und verursachen entsprechende Leistungsverluste. Für Lagerhersteller besteht die Herausforderung in der Konzeption energieeffizienter Lager. SKF nutzt eine spezielle Software, die Potenziale zur Optimierung von Wälzlagern aufzeigt – wie die Praxis beweist. Thomas M. Wolf ist Manager Application Engineering Bearing Sales Germany im Bereich Automotive Market bei der SKF GmbH in Schweinfurt U m den Getriebewirkungsgrad durch Wälzlager zu optimieren, müssen die Wechselwirkungen zwischen Antriebsstrang und Fahrzeug bekannt sein. Denn zwischen Motor und Fahrzeug fungiert das Getriebe als Drehmoment- und Drehzahlwandler. Dabei wird die Getriebeeingangswelle, die über die Kupplung mit der Kurbelwelle verbunden ist, von einem motorspezifischen Drehzahl-Drehmoment-Verhältnis angetrieben. Der Kraftfluss im Getriebe erreicht schließlich das Differenzial mit den Antriebswellen zu den Rädern. Motor und Fahrzeugräder sind somit über das Getriebe miteinander verbunden. Die Getriebewellen werden demnach entweder vom Motor oder – im Schubbetrieb – vom Fahrzeug angetrieben. Die Herausforderung besteht darin, den bestmöglichen Wirkungsgrad für die Leistungsübertragung zu erreichen. Für die Simulation und Berechnung der Lagerreaktionen im Getriebe spielt der Drehmomentfluss eine zentrale Rolle, wie sich am Beispiel eines 6-Gang-Schaltgetriebes zeigen lässt: Der Drehmomentfluss bestimmt zusammen mit der axialen Position der Zahnräder auf den Wellen die 54 antriebstechnik 12/2015

SPECIAL I SIMULATION 01 Das Getriebe fungiert als Drehmoment- und Drehzahlwandler zwischen Motor und Fahrzeug 02 Mit der Simulationssoftware wird das Potenzial zur Leistungsverlustreduzierung ermittelt – links ein aktuelles Getriebe mit vorgespannten Kegelrollenlagern, rechts ein Getriebe der Zukunft mit Kugel- und Zylinderrollenlager Lastangriffslinie der Zahneingriffskräfte und damit auch die Lagerreaktionskräfte. Die Anzahl der belasteten Wälzkörper im Lager hängt vom Verhältnis zwischen axialer und radialer Belastung ab und ist entscheidend für das Reibungsmoment des Lagers. Als Faustregel gilt: je mehr belastete Wälz körper, desto höher das Reibungsmoment. Optimierungsprojekt am Seriengetriebe In einem konkreten Optimierungsprojekt hat SKF das Serien-Handschalt-Getriebe eines deutschen Automobilherstellers mit vier Wellen untersucht, die mit Kegelrollenlagern in X-Anordnung gelagert sind. Die Kegelrollenlager auf den Hauptwellen und der Differenzialwelle werden bei der Getriebemontage mit rund 4 kN axial vorgespannt. Aufgrund der Bauweise von Kegelrollen lagern bewirkt diese Vorspannung ein relativ hohes Schleppmoment als Folge der Gleitreibung zwischen den Rollenstirnseiten und dem Führungsbord des Innenrings. Die Vorspannung nimmt zwar mit steigender Betriebstemperatur ab, bleibt aber vergleichsweise hoch. Zusätzlich zur Vorspannung wirken Reaktionskräfte auf die Lager – eine Folge der im Zahneingriff wirkenden Radial-Axial- Kräfte. Bedingt durch den Druckwinkel im Kegelrollenlager induziert jedes radial belastete Kegelrollenlager zudem eine zusätzliche Axialkraft, welche vom jeweils anderen Lager aufgenommen wird. Das führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Leistungsverluste. Weitere Leistungsverluste entstehen durch Planschverluste im Kegelrollenlager. Um solche negativen Effekte zu eliminieren, lassen sich Kegelrollenlagerungen durch eine Fest- und Loslagerung ersetzen. Für die radiale und axiale Führung der Welle sind dabei Rillenkugellager vorgesehen. Auf der Kupplungsseite sitzt ein Zylinderrollenlager als Loslager zur Aufnahme der Radialkräfte. Bei diesem vorspannungsfreien Lagerungskonzept besteht die Möglichkeit zur Reduzierung der Leistungsverluste. Wesentliche Gründe dafür sind: Da die verwendeten Lagerarten keinen Druckwinkel aufweisen, treten keine künstlich induzierten Axialbelastungen auf. Dies vermeidet zusätzliche Nebenverluste in der Lageranordnung. Außerdem wird die Genauigkeit der Wellenführung in axialer Richtung unabhängig von der Betriebstemperatur und hängt im Wesentlichen vom Betriebsspiel des Kugellagers ab. Die größte Herausforderung besteht in der anwendungsgerechten Dimensionierung der Kugel- und Rollenlager, damit auch Marktanforderungen wie verlängerte Lagerlebens dauer und Robustheit erfüllt werden. Leistungsverluste runter – Effizienz rauf Vor dem Redesign eines Getriebes sollte das Optimierungspotenzial der von den Wälzlagern hervorgerufenen Leistungsverluste antriebstechnik 12/2015 55

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