Die stetig steigenden technischen Anforderungen an Wälz- und Gleitlager erfordern innovative Lösungsansätze. Am Fraunhofer IWM laufen dazu derzeit verschiedene Forschungsprojekte. Zur Steigerung der Energieeffizienz von Gleitlagern wird die elektrische Steuerung von Reibungsprozessen untersucht. In Bezug auf die E-Mobilität stellen elektrische Felder neue Herausforderungen an die Durchschlagsfestigkeit dar, weshalb elektrisch leitfähige Schmierstoffe elektrotribologisch untersucht werden. Zudem stellt die wasserstoffinduzierte Rollkontaktermüdung die Schmierstoffhersteller im Windkraftsektor vor große Herausforderungen, die durch die Untersuchung der Schadensmechanismen und die Entwicklung neuer Additive angegangen werden.
Energieeffizienz und Verschleißfestigkeit von Lagersystemen
Quelle: Amann, T., Gatti, F., Oberle, N. et al. Galvanically induced potentials to enable minimal tribochemical wear of stainless steel lubricated with sodium chloride and ionic liquid aqueous solution. Friction 6, 230–242 (2018).
In der heutigen technologischen Landschaft spielen Tribosysteme eine entscheidende Rolle in zahlreichen Industriebereichen, von der Automobilindustrie bis hin zur erneuerbaren Energiewirtschaft [1]. Um den wachsenden Anforderungen gerecht zu werden, sind innovative Ansätze erforderlich, die die Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Systeme verbessern. In diesem Kontext stehen drei Schlüsselthemen im Fokus: Fortschrittliche Tribosysteme mit elektrisch anpassbarer Reibung, aktuelle Entwicklungen und Technologien zur Verbesserung der Durchschlagsfestigkeit sowie leitfähige Schmierstoffe zur Bekämpfung von wasserstoffgestützter Rollkontaktermüdung.
Programmierbare Reibung
Fortschrittliche Tribosysteme mit elektrisch anpassbarer Reibung bieten eine vielversprechende Möglichkeit, Reibungsprozesse zu steuern und zu optimieren. Diese Systeme ermöglichen eine präzise Anpassung der Reibungseigenschaften in Echtzeit, was zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit und Effizienz führt. Im Vordergrund der Schmierstoffentwicklung für bestimmte Anwendungen steht die Optimierung über das gesamte Spektrum der Betriebsparameter. Aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften wie Viskosität, Stabilität und chemischer Wechselwirkungen ist es jedoch nicht möglich, unter allen Bedingungen eine ideale Schmierung zu erreichen [2]. Daher muss sowohl bei der technischen Auslegung als auch bei der Schmierstoffformulierung ein Kompromiss gefunden werden. Außerdem können Alterung und Verschleiß im Laufe der Lebensdauer einer Maschine zu einer Abweichung vom optimalen Betriebspunkt führen. Um diese Herausforderung zu meistern, müssen Systeme entwickelt werden, die in der Lage sind, die tribologischen Eigenschaften durch externe Stimuli anzupassen. Durch elektrische Potenziale kann das Reibungsverhalten bei Wasserschmierung mit Keramiken [3,4] sowie mit wässrigen Mischungen mit ionischen Flüssigkeiten (ILs) [5,6] und bei Stahlpaarungen mit reinen ILs [7] beeinflusst werden. Eine programmierbare Reibung, bei der voreingestellte Reibungskoeffizienten durch Computersteuerung realisiert werden, wurde durch die Verwendung von Mischungen ionischer Flüssigkeiten (ILM) in Verbindung mit einem Triboregler, der automatisch das elektrische Potenzial regelt, möglich [8-10]. Insbesondere erwiesen sich ILMs als deutlich effektiver bei der Veränderung von Reibungskoeffizienten im Vergleich zu reinen ILs. Außerdem unterstrichen die Ergebnisse den starken Einfluss der Oberflächenladung auf die Veränderung des Reibungskoeffizienten bei dünneren Schmierfilmdicken. In Abbildung 1 ist der Versuchsaufbau und die reversible Reibwertänderung durch elektrische Potenziale dargestellt. In einer aktuellen, noch unveröffentlichten Arbeit konnte der Reibwert zwischen zwei Sollwerten um ±230 % verändert werden. Im nächsten Schritt soll der Ansatz der programmierbaren Reibung auf Gleitlager übertragen werden. Dazu wurde am IWM ein Gleitlagerprüfstand entwickelt, an dem elektrische Potenziale angelegt werden können. Zukünftig wird auch untersucht, wie sich auftretende parasitäre elektrischen Spannungen, die z.B. in E-Mobilen in den Wälzlagern zu Schädigungen führen, ausgenutzt werden können, um das tribologische Verhalten gezielt zu optimieren.
Abbildung 1: a) Elektrotribologischer Aufbau mit rotierendem Kugel auf 3-Stiften Reibkontakt; b) Reversible Änderung des Reibwerts. [8]
Elektrische Durchschlagsfestigkeit bei Wälzlagern
Die Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bei Wälzlagern z.B. im Bereich der E-Mobilität ist von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit von Tribosystemen zu gewährleisten. Um aber eine Systemoptimierung durchführen zu können, müssen zunächst die elektrotribologischen Mechanismen verstanden werden. Bei zu hoher Eingangsspannung kann eine plötzliche elektrische Entladung zwischen den elektrifizierten Elementen auftreten. Dieses Phänomen, das als dielektrischer Durchschlag bezeichnet wird, hängt sowohl von den intrinsischen Eigenschaften des Schmierstoffs als auch von der Filmdicke ab [11]. Ein dielektrischer Durchschlag kann zu schweren Schäden am Lagerkäfig und an den Kugeln führen, die durch elektrische Grübchenbildung verursacht werden und schließlich zu Vibrationen und Geräuschen im gesamten Tribosystem führen können [12]. In aktuellen Arbeiten am IWM in Kooperation mit der Universität Huelva werden elektrorheologische Flüssigkeiten (ER) als intelligente Schmiermittel untersucht, die in der Lage sind, die Reibung aktiv zu verändern und unerwünschte elektrische Entladungen auch bei hohen Normalkräften zu verhindern. Um den Umweltschutz zu gewährleisten, basiert die Strategie auf der Verwendung nachhaltiger Schmiermittel, die aus Nanopartikeln von Tonmineralien in Rizinusöl bestehen [13]. Dies ist ein wichtiger Aspekt in verschiedenen Bereichen wie u.a. bei Schiffsantrieben und Windkraftanlagen, die in direktem Kontakt mit der Umwelt stehen können [14,15]. Ein elektrischer Durchschlag tritt auf, wenn die Flüssigkeit ihre dielektrischen Eigenschaften nicht mehr beibehält, so dass Strom durch den Schmierstofffilm fließt. Wir stellen die Hypothese auf, dass es möglich ist, die Leistung von Kugellagern im Hinblick auf eine bessere Stabilität bei hohen Geschwindigkeiten durch eine elektroaktive Steuerung der Schmierung mit nachhaltigen ER-Flüssigkeiten zu verbessern. Abbildung 2 zeigt die dielektrischen Durchbruchsspannungen der Dispersion von Rizinusöl mit Pangel B20 in Abhängigkeit der Konzentration. Es konnte eine lineare Korrelation der Durchschlagsspannung mit der Konzentration nachgewiesen werden.
Abbildung 2: Schematische Darstellungen der Versuchsaufbaus bestehend aus einem Kugellager mit zwei elektrifizierten Käfigen und isolierenden Keramikkugeln. Ergebnis der dielektrischen Durchschlagsspannungen für Pangel B20 in Rizinusöl.
Wasserstoffinduzierte Rollkontaktermüdung
Lager in Windkraftanlagen müssen gegen vorzeitige Ausfälle geschützt werden, um ihre Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu erhöhen. Die meisten Lager leiden unter Wasserstoffversprödung aufgrund von tribologischer Belastung, Schmiermittelalterung, Verschmutzung und elektrischen Störungen [16, 17]. White Etching Cracks (WEC) sind einer der am häufigsten auftretenden Schäden in Wälzlagern. Es werden dringend alternative Schmierstoffe benötigt, um diesem Problem entgegenzuwirken. Schmierstoffe mit deutlich verbesserter Leitfähigkeit wurden als mögliche Maßnahme zur Vermeidung schädlicher chemischer und elektrischer Einflüsse identifiziert. Die Beimischung ionischer Flüssigkeiten (IL) zu unpolaren Schmiermitteln ist eine Herausforderung, da ihre Löslichkeit begrenzt ist. Außerdem können Verunreinigungen in den ILs das tribologische Verhalten stark beeinflussen. Daher wurden ILs ausgewählt, für die eine ausreichende Löslichkeit in Schmierstoffen erwartet werden kann, um eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit des Schmierstoffs zu erreichen. Rollkontaktermüdungsversuche (RCF) mit Axialrollenlagern bieten die Möglichkeit, verschiedene Schmierstoffe hinsichtlich ihrer Affinität zur Wasserstoffversprödung in Lagern zu charakterisieren. Verschiedene Testreihen mit unterschiedlichen Ölen und IL- und Additivgehalten haben gezeigt, dass durch die Zugabe von ILs eine deutliche Verbesserung des Laufverhaltens erreicht wird. Abbildung 3 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse eines RCF-Tests für ein Getriebeöl mit unterschiedlichem IL-Gehalt. Für jede Schmierstoffprobe wurden mehrere Tests durchgeführt. Das reine Getriebeöl führt in allen Fällen nach einer Testdauer von 80 - 95 Stunden zu einem Lagerschaden. Die Zugabe eines geringen IL-Gehalts zum Getriebeöl verbessert die Lagerleistung. In 2 von 3 Tests wurden maximale Testdauern von 150 Stunden erreicht. Bei höherem IL-Gehalt traten innerhalb der Testdauer von 150 h keine Schäden auf.
Abbildung 3: Wälzlagerprüfung mit einem Getriebeöl mit unterschiedlichem IL-Gehalt.
Für die Durchführung von Wälzversuchen mit überlagerten elektrischen Potentialen wurde ein spezieller Versuchsaufbau konzipiert (Abbildung 4). Die Arbeitselektrode befindet sich im Schmierstoff und die Gegenelektrode steht in direktem Kontakt mit dem Wälzlager. Zwischen den beiden Elektroden können unterschiedliche elektrische Spannungen angelegt werden, wenn der Schmierstoff elektrisch leitfähig ist. Um elektrochemische Einflüsse auf Reibung, Verschleiß und Wasserstoffbildung zu untersuchen, können Tests bei anodischem (Oxidation) und kathodischem (Reduktion) Potential durchgeführt werden. RCF-Tests mit dem Getriebeöl und mit hohem IL-Gehalt bei verschiedenen Potentialen haben gezeigt, dass die Bildung von WEC aufgrund des angelegten Potentials ausgelöst werden kann. Eine Querschliffanalyse der getesteten Lager erbrachte den Nachweis der WEC-Bildung bei anodischem Potenzial.
Abbildung 4: Zeichnung des Versuchsaufbaus für die Realisierung von elektrischen Potentialen im Wälzlagerversuch.
Zusammenfassung
Fortschrittliche Tribosysteme ermöglichen eine präzise Anpassung der Reibungseigenschaften, was zu verbesserter Leistung und Effizienz führen kann. Elektrische Potenziale können das Reibungsverhalten beeinflussen, was durch verschiedene Studien demonstriert wurde. Die programmierbare Reibung ermöglicht die Anpassung von Reibungskoeffizienten durch Computersteuerung. Zukünftige Forschungen zielen darauf ab, diesen Ansatz auf Gleitlager zu übertragen und parasitäre elektrische Spannungen für eine gezielte Optimierung des tribologischen Verhaltens zu nutzen.
Die Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit bei Wälzlagern ist entscheidend für die Zuverlässigkeit von Tribosystemen, besonders in der E-Mobilität. Elektrorheologische Flüssigkeiten werden untersucht, um die Reibung zu verändern und unerwünschte elektrische Entladungen zu verhindern. Diese Flüssigkeiten bestehen aus nachhaltigen Bestandteilen und werden als intelligente Schmiermittel betrachtet. Es wurde eine Methode zu Messung der elektrischen Durchschlagsspannung in Wälzlagern entwickelt und eine Korrelation der Durchschlagsspannung mit der Additivkonzentration nachgewiesen.
Die Zuverlässigkeit von Lagern in Windkraftanlagen ist durch wasserstoffinduzierte Rollkontaktermüdung gefährdet. White Etching Cracks (WEC) sind häufig auftretende Schäden. Alternative Schmierstoffe mit verbesserter elektrischer Leitfähigkeit eignen sich, um dieses Problem anzugehen. Die Zugabe ionischer Flüssigkeiten (IL) zu Schmiermitteln kann die Leitfähigkeit verbessern. Rollkontaktermüdungsversuche (RCF) zeigen, dass ILs das Laufverhalten verbessern können. Tests mit elektrischen Potentialen zeigen, dass WEC durch angelegte Potenziale ausgelöst werden können. Eine Querschliffanalyse bestätigt WEC-Bildung bei anodischem Potenzial.
Insgesamt zeigen diese drei Themenfelder das enorme Potenzial für die Weiterentwicklung von Tribosystemen auf. Durch die Integration von elektrisch anpassbarer Reibung, verbesserten Durchschlagsfestigkeiten und leitfähigen Schmierstoffen können Tribosysteme effizienter, zuverlässiger und langlebiger gestaltet werden. Diese Innovationen sind entscheidend, um den Herausforderungen der modernen Industrie gerecht zu werden und eine nachhaltige Entwicklung in verschiedenen Anwendungsbereichen zu fördern. In der Veranstaltung „VDI-Tagung Schadensmechanismen an Lagern 2024” werden weitere Details vorgestellt.
Literaturverzeichnis
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Förderhinweis
Entstanden im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien. Die Autoren danken zudem dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie für die Förderung des Projekts "WindPower-Life" mit der Förderkennziffer 0324208A-D.
Zu den Autoren:
Dr. Andreas Kailer leitet die Gruppe „Tribologisches Bauteil- und Systemverhalten" und ist stellvertretender Geschäftsfeldleiter im Bereich „Tribologie" am Fraunhofer IWM.
Dr. Tobias Amann ist stellvertretender Leiter der Gruppe „Tribologisches Bauteil- und Systemverhalten" am Fraunhofer IWM. Zusätzlich leitet er das Team „Nachhaltige Schmierstoffe und Tribochemie" und fungiert als Themenfokussprecher im Bereich „Programmierbare Reibung" im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien (CPM).
Dr. Dominik Kürten ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe „Tribologisches Bauteil- und Systemverhalten" am Fraunhofer IWM und leitet das Team „Hochtemperatur- und Wasserstofftribologie".
Felix Gatti, M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe „Tribologisches Bauteil- und Systemverhalten" am Fraunhofer IWM und ist im Themenfokus „Programmierbare Reibung" im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmierbare Materialien (CPM) tätig.
Prof. Dr. Miguel Ángel Delgado Canto ist ordentlicher Professor an der Fakultät für Chemieingenieurwesen der Universität Huelva
Dr. Moisés García Morales ist leitender Wissenschaftler im Fachbereich Chemieingenieurwesen, physikalische Chemie und Materialwissenschaften an der Universität Huelva.