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antriebstechnik 12/2015

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SIMULATION I SPECIAL 03

SIMULATION I SPECIAL 03 Drehzahlabhängige Dichtungs-Reibmomente im Vergleich: Während bei 3 000 m -1 zwei Standard-Dichtungen einen Kraftverlust von 30 W aufweisen, liegt der Kraftverlust von zwei optimierten Dichtungen lediglich bei 10 W und der entsprechenden CO 2 -Emissionsreduzierung auf Fahrzeugebene abgeschätzt werden. In der Entwurfsphase muss dies auf theoretischer Ebene geschehen. Zu diesem Zweck hat das Unternehmen SKF eine Software entwickelt, die es ermöglicht, das gesamte Getriebe als Modell abbilden zu lassen. Sie berechnet die Kräfte im Zahneingriff für ein gegebenes Drehmoment an der Eingangswelle. Unter Berücksichtigung der Biegelinie der Welle wird das Lagerverhalten hinsichtlich Lastzone, Hertzscher Pressung, Lagerlebensdauer und Reibungsmoment im Detail analysiert. Die entsprechenden Simulationen wurden auf ein seriengefertigtes 6-Gang-Schalt - getriebe mit Kegelrollenlagern angewendet, um Referenzwerte zu erhalten. Dabei erfolgten die Berechnungen sowohl bei 50 km/h als auch bei 100 km/h (gemäß NEFZ), um den sich ändernden Drehmomentfluss im Getriebe sowie die daraus resultierenden Lagerreaktionen zu berücksichtigen. Anschließend wurden die Reibmoment-Berechnungen mit einem mo difizierten Getriebe mit abgedichteten Rillen kugellagern als Festlager und Zylinderrollenlagern als Loslager wiederholt. Der Vergleich der einzelnen Reibmomente zeigte eine klare Reduzierung des Schleppmoments dank der kundenspezifisch optimierten Fest-/Loslagerung. Für die Beurteilung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO 2 -Emission ist der Leistungsverlust entscheidend. Die Leistungsverluste erhält man durch Multiplikation der zuvor berechneten Reibmomente mit den entsprechenden Wellendrehzahlen. Bei 50 km/h summierten sich die einzelnen Reibungswerte auf 269 W im Seriengetriebe, während das optimierte Getriebe lediglich 90 W Verlustleistung aufwies. Bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 100 km/h sind die Drehzahlen der Differenzialwelle und der beiden Hauptwellen doppelt so hoch wie im 3. Gang. Dies resultiert in höheren Leistungsverlusten der beteiligten Lager. Eine Aufsummierung der einzelnen Reibungswerte ergab 577 W für das Getriebe aus der heutigen Serie und lediglich 195 W für das Getriebe der nächsten Generation. Die ermittelten Leistungsverluste wurden nun in CO 2 -Emissionenswerte (g/km) umgerechnet. Dabei wurden die Fahrzeuggeschwindigkeit und der thermische Wirkungsgrad von Ottomotoren (geschätzter Mittelwert = 0,33) und Dieselmotoren (geschätzter Mittelwert = 0,41) berücksichtigt. Die Berechnung ergab je nach ausgewähltem Motortyp eine potenzielle Senkung der CO 2 -Emissionen um bis zu 3 g/km. 750 000 Tonnen weniger CO 2 Mit den ersten verfügbaren Lagerprototypen baute der OEM schließlich einen Demonstrator auf, dessen Schleppmoment gemessen und mit dem Seriengetriebe verglichen wurde. Der einzige Unterschied zwischen dem Seriengetriebe und dem optimierten Getriebe war der Ersatz der Kegelrollenlager durch Kugel- und Zylinderrollenlager in Kombination mit einer Reduzierung der Ölmenge zur Minimierung der Planschverluste insbesondere an der Differenzialwelle. Die Prüfergebnisse korrelierten gut mit den berechneten Werten: Bei dem verbesserten Getriebe fielen die CO 2 -Emissionen tatsächlich um bis zu 2,9 % niedriger aus. Beim Austausch der Kegelrollenlager durch Rillenkugellager mit ihrer bauartbedingt niedrigeren dynamischen Tragzahl wurden beidseitig abgedichtete Kugellager verwendet, um die Lagerlebensdauer zu erhöhen. Dafür entwickelte SKF eine reibungsminimierte Dichtung mit optimierter Dichtlippengeometrie. Sie ermöglicht eine weitere Senkung der Leistungsverluste. Mit der realistischen Annahme einer durchschnittlichen Fahrleistung pro Fahrzeug von 200 000 km und der weltweiten Fertigung von über 1,5 Mio. Getrieben des untersuchten Typs zwischen 2017 und 2024 könnten 750 000 t an CO 2 -Ausstoß vermieden werden. Dieses Ergebnis lässt sich allein durch die umsichtige Modifikation der La gerungen für die Getriebewellen realisieren. Die Tatsache, dass die Messungen am Demonstrator des OEMs das prognostizierte CO 2 -Reduktionspotenzial bestätigt haben, unterstreicht die Genauigkeit des benutzten Simulationsprogrammes. So hat das Projekt klar gezeigt, dass ein Wälzlagerhersteller wie SKF einen wesentlichen Beitrag zur weltweit angestrebten Senkung der CO 2 -Emissionen leisten kann. www.skf.com 56 antriebstechnik 12/2015

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