Teilprojekt A2
Kupplungsaggregat mit ingenieurkeramischen Friktionswerkstoffen unter Einsatzbedingungen mit hoher Beanspruchung
Prof. Dr.-Ing. Albert Albers
Institut für Produktentwicklung
Karlsruher Institut für Technologie
 Ziel des TP A2 ist die Erforschung von Entwicklungsmethoden und –werkzeugen zur keramikgerechten Gestaltung, Integration und Validierung ingenieurkeramischer Friktionswerkstoffe im ungeschmierten, trockenlaufenden Friktionssystem am Beispiel einer komplexen „Fahrzeugkupplung“ (Demonstrator Trockenkupplung). Kennzeichnende Merkmale dieses Friktionssystems wie variable Gleitgeschwindigkeiten, mittlere Flächenpressungen, variable spezifische Energieeinträge und spezifische Reibleistungen führen zu besonderen Herausforderungen im Design des Demonstratorsystems und der Interaktion zwischen Systementwicklungsprozess und Werkstoffentwicklungsprozess. Erforscht werden ausgewählte funktionsrelevante Friktionspaarungen (Ingenieurkeramik/Metall) und deren Realisierung in einem Gesamtsystem – hier Demonstrator Trockenkupplung - unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen an den trockenlaufenden, hochbeanspruchten Friktionskontakt in Hinblick auf das Leistungspotenzial (z.B. Reibungszahlniveau, -konstanz, Drehmomentkapazität), das Verschleißpotenzial (z.B. Funktionsverschleiß, Lebensdauer) und das Komfortverhalten (z.B. Reibungszahlgradient, Schwingungsverhalten). In der laufenden Förderphase wurde eine neue Designlösung sowohl für die Kupplungsscheibe (Träger der ingenieurkeramischen Friktionswerkstoffe) als auch des Gesamtkupplungssystems erarbeitet und erfolgreich erprobt. Der Gesamtsimulationsansatz „CoupAction“ wurde entsprechend den geplanten Arbeiten realisiert. Die thermo-mechanische Beanspruchung der Kupplungsscheiben mit ingenieurkeramischen Friktionswerkstoffen wurden ermittelt und an die Berechnungen mit dem Simulationswerkzeug STAU (TP C4) sequentiell gekoppelt. Im Bereich der experimentellen Arbeiten wurden neue Prüfkonzepte und Module zur Untersuchung des Friktionssystems unter beidseitigen Kontaktbeanspruchungen entwickelt. Damit wurden grundlegende Analysen an den aufgebauten Demonstratorsystemen durchgeführt. Die methodische Untersuchung der Übertragbarkeit zwischen den Prüfstufen wurde weiter gezielt vorangetrieben. Es zeigt sich, dass eine qualitative Übertragbarkeit zwischen den Prüfkategorien IV, V und VI gegeben ist, die für eine methodische Auswahl einer geeigneten Friktionspaarung in der frühen Phase des Entwicklungsprozesses notwendig ist. Auf der Basis der vorliegenden Ergebnisse soll in der Entwicklungsprozessphase ein Vorgehensmodell für die gezielte Friktionssystementwicklung von keramischen Friktionswerkstoffen aus der Kombination von Untersuchungsmethoden der Prüfkategorie VI bis Prüfkategorie I und den daraus ermittelbaren Einflussfaktoren entwickelt werden. Bezogen auf das Demonstratorsystem „Trockenkupplung“ zeigen die experimentellen Ergebnisse eine Steigerung der Leistungsdichte um 49%. Das angestrebte Reibungszahlniveau konnte mit der neu entwickelten Friktionspaarung EkasicF/C45E erreicht werden. Die experimentellen Untersuchungen haben gezeigt, dass unter realen Randbedingungen die Verschleißreserve des Kupplungssystems noch nicht ausreicht und das Reibungszahlgradientenverhalten (Schwingungsanregung) weiter verbessert werden muss. In der beantragten Förderphase soll durch konstruktive Konzepte und gemeinsam mit in TP B2 durchzuführenden Werkstoffentwicklungen das Reibungs- und VerschleißPotenzial auf das im Zielsystem notwendige, lebensdauerrelevante Maß gesteigert werden. Das Komfortverhalten soll durch einen Hybridansatz (Kombination keramischer und organischer Reibwerkstoffe) in einem System und durch eine mechatronische Kupplungsansteuerung zur aktiven Rupfschwingungsbekämpfung gelöst werden. Gleichzeitig wird die Vorgehensweisen zur Entwicklung des konstruktiven Hybridansatzes und der aktiven Steuerung in Methoden verallgemeinert und gemeinsam mit TP A8 in den „keramikspezifischen“ Entwicklungsprozess, der die Aspekte zum Umgang mit Ingenieurkeramik beinhaltet, eingebunden. So kann bei zukünftigen Entwicklungsaufgaben der Hybridansatz für Friktionssysteme mit ingenieurkeramischen Werkstoffen eingesetzt werden. Als weiteres wichtiges Untersuchungsfeld soll in der beantragten Förderphase der Dauerschlupfbetrieb im Schlupfbereich von 0,1 bis 1 m/s erforscht werden. Diese Betriebsparameter sind bei in der Entwicklung befindlichen modernen Doppelkupplungssystemlösungen unter dem Stichwort aktive Schwingungsdämpfung von hoher Bedeutung und können so ein weiteres hohes Potenzial der Kupplungssysteme mit ingenieurkeramischen Friktionswerkstoffen erschließen. Methodisch werden durch diese Untersuchungen die Charakterisierung des Friktionssystem Ingenieurkeramik/Stahl in den Bereich Dauerschlupf erweitert und auch für dieses Untersuchungsfeld die Wirkmechanismen im Friktionskontakt und die Übertragbarkeit zwischen den einzelnen Prüfkategorien untersucht. Damit liegt am Ende der beantragten Förderphase eine weitgehend vollständige Untersuchungsmethodik für trockenlaufende Friktionskontakte in komplexen technischen Systemen als Teil des Entwicklungsprozesses vor und die untersuchten Friktionspaarungen sind unter den Betriebsbedingungen „Dauerschlupf“ und „Synchronisation von Antrieben“ charakterisiert. |