Center of excellence in research 483

Projektbereich A: Systementwicklung und Konstruktion

GesamtübersichtDas Potenzial ingenieurkeramischer Werkstoffe zur Steigerung der Leistungsdichte, des Wirkungsgrades und der Funktionssicherheit in komplexen und vor allem hochbeanspruchten Maschinensystemen, wie z.B. in Fahrzeugen, Antriebssystemen, Getrieben oder Werkzeugmaschinen und Pumpen wurde bereits in den abgeschlossenen und der laufenden Förderphasen dieses SFBs herausgearbeitet und aufgezeigt. Dies ist und bleibt die zentrale Motivation für die Forschungsarbeiten im Projektbereich A und im gesamten SFB.

Die Notwendigkeit, dieses Potenzial durch geeignete Methoden und Prozesse nutzbar zu machen, ist durch die in den letzen Jahren zunehmende Forderung nach energieeffizienten und emmisionsarmen Maschinensystemen aktueller als je zuvor. Durch die zunehmenden Restriktionen zum Einsatz potenziell umwelt- und damit gesundheitsschädlicher Werkstoffe ergeben sich weitere Herausforderungen an die Systementwickler.

Hier kann der technisch und wirtschaftlich sinnvolle Einsatz der Ingenieurkeramik einen wesentlichen Beitrag zur Bewältigung dieser neuen Herausforderung liefern. Dies setzt jedoch voraus, dass die Ingenieurkeramik im Produktentstehungsprozess beherrschbar wird. Nur durch die Vernetzung des Expertenwissens von in der Konstruktion solcher Systeme mit funktionsbestimmenden Wirkstrukturen vertrauten Ingenieure mit dem Spezialwissen von Entwicklern keramischer Werkstoffe und dem Einsatz neuer bisher nicht etablierter Design- und Auslegungsmethoden kann dieses Ziel erreicht werden.

Der Projektbereich A „Systementwicklung und Konstruktion“ stellt sich dieser Herausforderung - der Schaffung der Grundlagen zur Nutzbarmachung des Potenzials keramischer Funktionswerkstoffe in Gleit- und Friktionssystemen durch die Erforschung und Verknüpfung geeigneter Entwicklungsmethoden an ausgewählten Systemen in der Entwicklungsprozessphase.

Dabei setzt der Projektbereich A seinen Schwerpunkt in der wissenschaftlichen Durchdringung der Konstruktions- und Erprobungsgrundlagen für die Konzept-, Gestaltungs- und Validierungsaktivität im Produktentstehungsprozess zur Entwicklung komplexer technischer Systeme unter Nutzung ingenieurkeramischer Werkstoffe in Gleit- und Friktionswirkstrukturen. Er orientiert sich hierbei insbesondere an den in der Konstruktionswissenschaft erarbeiteten grundlegenden Prozessen und Vorgehensweisen und adaptiert diese durch geeignete Modifikationen und Weiterentwicklungen an die hier vorliegenden komplexen Einflüsse, die aus der Nutzung der Ingenieurkeramik für Komponenten technischer Gleit- und Friktionssysteme entstehen.

Ziel des Projektbereiches ist es, aus einer exemplarischen Bearbeitung komplexer und für eine ganze Klasse von Anwendungen stehender technischer Systeme mit wissenschaftlichen Methoden grundlegende Erkenntnisse zum Produktentwicklungsprozess unter dem besonderen Gesichtspunkt der Nutzung ingenieurkeramischer Komponenten zu erforschen und diese in übertragbares Wissen zu überführen. Die Teilprojekte des Projektbereiches B „Werkstoff- und Wirkflächenentwicklung“ und C „Charakterisierung und Modellierung“ arbeiten auf den elementaren Gebieten des Kontaktes und der Grundbeanspruchungen mit vereinfachten Modellsystemen. Nur durch die wechselseitige Verknüpfung mit den auf der komplexeren Ebene der technischen Systeme mit einer größeren Anzahl von Komponenten und vielfältigen Randbedingungen und Wechselwirkungen angeordneten Arbeiten im Projektbereich A „Systementwicklung und Konstruktion“ kann die vorgestellte strategische Zielrichtung des Sonderforschungsbereiches erfolgreich umgesetzt werden. In der beantragten Förderphase werden im Projektbereich A mit dem Schwerpunkt Konzept-und Gestaltfindungs- sowie den Validierungsaktivitäten die erforschten Methoden und Modellbildungsansätze in einen ganzheitlichen Entwicklungsprozess für hochbeanspruchte Gleit- und Friktionssysteme integriert.

Im Rahmen der bisherigen Förderung konnten bereits umfangreiche Erkenntnisse auf dem Gebiet der konstruktiven Grundlagen und Prozesse erarbeitet werden, die exemplarisch in einigen Gestaltungsrichtlinien und Konstruktionsregeln in den Arbeitsberichten und den Neuanträgen der TP aufgeführt sind. Ferner wurden zur Erfassung der Komplexität der Friktionssysteme mit keramischen Komponenten die konstruktiven Parameter und systembegründeten Wechselwirkungen erfasst und in einer ersten “concept-map“ dargestellt. Hierin sind bisher über 400 Parameter und Einflussgrößen beschrieben. Ebenfalls konnten in diesem Rahmen die bisher erarbeiteten Konstruktions- und Gestaltungsrichtlinien, Dimensionierungs- und Validierungsprozesse eingeordnet werden. Diese Vorarbeiten sind die Grundlagen für die in der beantragten Förderphase geplante ganzheitliche Beschreibung des Entwicklungsprozesses für technische Gleit- und Friktionssysteme auf Basis ingenieurkeramischer Werkstoffe.

Die Teilprojekte A1 und A2 arbeiten weiterhin auf Grundlage der gewählten Demonstratorsysteme - nass- und trockenlaufende Kraftfahrzeugkupplung - an komplexen geschmierten und ungeschmierten Friktionssystemen mit keramischen Komponenten. Das Teilprojekt A4 mit dem Demonstratorsystem „Hochdruckpumpe für Ottomotoren mit Direkteinspritzung“ deckt das Gebiet komplexer Gleitsysteme ab. Das Teilprojekt A7 beschäftigt sich mit der Auslegung und Modellierung von „keramischen Walzwerkzeugen“ und deren Validierung in einer Prüfstandsanlage. Das neue Teilprojekt A8 entwickelt die methodische Basis (Ontologie und Wissensakquisition) für das Keramikkonstruktionsinformationssystem (K-Kis), das auf Grundlage existierender informationstechnischer Lösungen dann aufgebaut wird. Ferner verallgemeinert und verknüpft TP A8 in Zusammenarbeit mit den Teilprojekten des sfb die erarbeiteten Methoden und Erkenntnisse zur Entwicklung von Gleit- und Friktionssystemen mit ingenieurkeramischen Werkstoffen zum keramikspezifischen Entwicklungsprozess.

Das Teilprojekt A1 erarbeitet Methoden zur keramikgerechten Gestaltung und Validierung nasslaufender Friktionssysteme am Beispiel eines Umschlingungstriebes (CVT-Demonstrator mit hoher Pressung, niedriger Gleitgeschwindigkeit) und einer Lamellenkupplung (niedrige Pressung, hohe Gleitgeschwindigkeit). Hierbei konnte in den abgeschlossenen Förderphasen bereits das erhebliche Potenzial des Einsatzes keramischer Komponenten in CVT-Getrieben aufgezeigt werden. Darüber hinaus wurde in der laufenden Förderphase zusätzliches Potenzial zur Erhöhung des CVT Wirkungsgrades durch die höhere Steifigkeit der Keramik durch Untersuchung einer Modellkette mit keramischen Wirkflächen aufgezeigt. Mit dem in der laufenden Förderphase neu aufgenommenen Demonstrator „nasslaufende Lamellenkupplung“ konnten erfolgreich die Möglichkeiten des Friktionssystemdesigns durch die hohe mechanische Beanspruchbarkeit und den hohen Verschleißwiderstand erforscht werden. Der wesentliche Konstruktionsfreiheitsgrad, der durch den Einsatz der Keramik in der nasslaufenden Lamellenkupplung gewonnen wird, ist eine sehr freie Gestaltung der zur Kühlung notwendigen Öldurchströmung, Es wurde nachgewiesen, dass wesentliche Steigerungen der Leistungsdichte durch die keramikgerechte Gestaltung der Demonstratorsysteme und die daraus ermöglichte Integration keramischer Friktionswerkstoffe erreicht werden können. Durch die Untersuchung der gewählten Demonstratorsysteme unter den komplexen Anwendungsrandbedingungen auf Bauteilebene werden die Erkenntnisse aus den zugeordneten B- und C-Teilprojekten im System überprüft und die Ergebnisse in den Entwicklungsprozess der beteiligten Projekte zurückgekoppelt. In der beantragten Förderphase liegt ein Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeiten des Teilprojektes in der wissenschaftlichen Durchdringung der für den Wärmeabtransport wesentlichen Wirkmechanismen der Öldurchströmung der keramischen Friktionselemente im Kupplungsaggregat, um daraus Grundlagen für die keramikgerechte Gestaltung zu erarbeiten. Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Projektbereich C und B werden Methoden zum zielgerichteten Design von Mikronutungen abgeleitet und die Wechselwirkungen zwischen Mikro- und Makronutungen erforscht. Durch tribologische Untersuchungen auf Bauteil- und Aggregatebene werden die Auslegungs- und Gestaltungsregeln vervollständigt und in einer verallgemeinerten Form in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt A8 in das K-KIS integriert.

Das Teilprojekt A2 erarbeitet Methoden zur keramikgerechten Gestaltung und Validierung ungeschmierter, trockenlaufender Friktionssysteme am Beispiel einer komplexen „Fahrzeugkupplung“ (Demonstrator Trockenkupplung). Kennzeichnende Merkmale dieses Friktionssystems sind variable Gleitgeschwindigkeiten, mittlere Flächenpressungen und hohe spezifische Energieeinträge. Mit einem ersten Prototypen einer Kupplungsscheibe mit Teilbelägen auf Basis monolithischer Keramiken konnte in einem umfangreichen Untersuchungsprogramm das hohe Leistungspotenzial der monolithischen Keramiken in trockenen Kupplungssystemen erstmals aufgezeigt werden. Darauf aufbauend wurde in einer kompletten Neukonstruktion die zweite Generation eines Demonstrators entwickelt, aufgebaut und in wesentlichen Bereichen erprobt. Die Validierungsmethoden für dieses System wurden im Bereich der Systemsimulation neu geschaffen und im Bereich der experimentellen Untersuchungen in die Prüfkategorien IV und III erweitert. Mit den wissenschaftlichen Untersuchungen von Kupplungsgesamtsystemen auf Basis monolithischer keramischer Werkstoffe, die in der beantragten Förderphase auf die Prüfkategorien II und I ausgeweitet werden, soll die Grundlage für neue hoch integrierte und leistungsfähige Antriebsstrangkonzepte geschaffen werden. In der beantragten Förderphase ist ein Schwerpunkt der Arbeiten die Analyse des tribologischen Verhaltens trockenlaufender Friktionssysteme mit ingenieurkeramischen Werkstoffen im bisher noch nicht betrachteten Bereich des Dauerschlupfes. Ziel ist es, die Grundlagen zu schaffen, um das Potenzial der Ingenieurkeramik in schlupfgeregelten Kupplungen aufzuzeigen und so weitere Einsatzmöglichkeiten zu erschließen. Die Untersuchungen auf Gesamtsystemebene – insbesondere mit den Wechselwirkungen des Gegenmaterials Stahl und seiner Auswirkungen auf das Systemdesign - sind zum Aufzeigen des Leistungspotenzials der Keramik unter realistischen Beanspruchungsbedingungen erforderlich. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der Untersuchung der Übertragbarkeit der Ergebnisse tribologischer und systemorientierter Experimente in den unterschiedlichen Prüfkategorien. Daraus werden geeignete Versuchsmethoden und –prozesse zur Validation der Keramik in trockenlaufenden Friktionssystemen abgeleitet und in den keramikspezifischen Produktentwicklungsprozess integriert. In der Projektgruppe Friktionssysteme wird unter Leitung des TP A8 die Ontologie erarbeitet und das Wissen zur Konzipierung, Gestaltung und Erprobung in verallgemeinerter Form beschrieben und in das K-KIS integriert.

Im Teilprojekt A4 wurde eine Hochdruckpumpe für Ottokraftstoff aufgebaut. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Verwendung ingenieurkeramischer Werkstoffe, besonders auch im mediengeschmierten Gleitsystem des Nocken/Gleitschuh-Kontakts von Hochdruckpumpen, einen Lösungsweg zur zuverlässigen, verschleiß- und reibungsarmen Umsetzung immer höherer geforderter Kraftstoffeinspritzdrücke darstellt. Im Rahmen der Arbeiten konnte die grundsätzliche Umsetzbarkeit einer mediengeschmierten Hochdruckpumpe für Ottokraftstoff mit Förderdrücken bis zu 500 bar bei niedrigen Reibungszahlen und geringem Verschleiß nachgewiesen werden. In der beantragten Förderphase wird das Teilprojekt A4 die Optimierung des Reibungs- und Verschleißverhaltens bei unterschiedlichen Medien vorantreiben. Insbesondere der Einsatz biogener Kraftstoffe stellt hier eine besondere Herausforderung dar, der durch den Einsatz von keramischen Gleitsystemen begegnet werden kann. Ein weiterer wichtiger Schwerpunkt ist die Erarbeitung und Verallgemeinerung von Konstruktions- und Gestaltungsrichtlinien für mediengeschmierte Gleitsysteme mit ingenieurkeramischen Werkstoffen und deren Integration in das K-KIS.

In Teilprojekt A7 werden Walzensysteme mit Keramikwalzen aus Siliciumnitrid erforscht. Ziel des Teilprojekts ist der Aufbau und die Vertiefung der bisher sehr lückenhaften Kenntnisse zur Anwendung von Ingenieurkeramik in Walzensystemen. Durch experimentelle und numerische Untersuchungen werden grundlegende Beziehungen zwischen Werkstoffeigenschaften und Einsatzverhalten im Systemprüfstand ermittelt. Um die Einsatzmöglichkeiten von Keramikkomponenten in der Umformtechnik zu erweitern, werden hierzu Untersuchungen und Modelle zur Schädigungsentwicklung von keramischen Drahtwalzen erarbeitet. Unter Berücksichtigung der zu erwartenden Belastungskollektive werden Methoden für die Qualifizierung und Verbesserung der Einsatzfähigkeit von Keramikwalzen für verschiedene Anwendungen erarbeitet. Ein wesentliches Ziel dieses Teilprojektes in der beantragten Entwicklunsprozessphase ist es, Richtlinien für den Einsatz von Keramikwalzen zu erarbeiten. Diesen Richtlinien liegen die mechanismenbasiert ermittelten Belastungsgrenzen der Werkstoffe hinsichtlich mechanischer, thermischer und tribologischer Belastung zugrunde. Es wird außerdem dargestellt, welche Werkstoffeigenschaften und -merkmale für eine signifikante Erweiterung der Belastungsgrenzen verbessert werden müssen. Dieses Wissen wird dann in enger Zusammenarbeit mit TP A8 aufbereitet und in verallgemeinerter Form im K-KIS dem Systementwickler zur Verfügung gestellt.

Das neu beantragte Teilprojekts A8 befasst sich mit der Entwicklung eines Werkzeuges zur Unterstützung des Konstrukteurs beim Auffinden problemspezifischer Informationen im methodischen Entwicklungsprozess von Gleit- und Friktionssystemen mit ingenieurkeramischen Werkstoffen. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt dabei in der Erstellung einer Ontologie (gemeinsames Begriffs- und Verständnismodell), der anschließenden Verknüpfung mit dem keramikspezifischen Produktentstehungsprozess und dem Aufbau des Keramik-Konstruktionsinformationssystems K-KIS. Diese Arbeiten erfolgen in einer engen Zusammenarbeit mit den anderen Teilprojekten und Projektgruppen des SFB. Zur Ontologieentwicklung werden strukturierte Interviews mit den einzelnen Teilprojekten geführt, ausgewertet und die Ergebnisse anschließend erneut in den Teilprojekten und Projektgruppen diskutiert. Die so erstellte Ontologie wird in den weiteren wissenschaftlichen Arbeiten des Teilprojektes zur expliziten Strukturierung des Wissens im SFB zu Konstruktion, Tribologie, Erprobung und Werkstoffauswahl für Gleit- und Friktionssysteme auf der Basis ingenieurkeramischer Werkstoffe genutzt. Sie wird damit gleichzeitig der Zugriffsteil auf das Keramik-Konstruktionsinformationssystem K-KIS für die Nutzer.