Grenzen von Reibsystemen sicher ausloten

Ein innovativer Prüfstand unterstützt Konstrukteure bei der Optimierung von Lamellen für nasslaufende Kupplungen und Bremsen

Auf den ersten Blick so unscheinbare Teile wie die Lamellen von Reibsystemen innerhalb des Antriebstrangs tragen entscheidend zur Funktion und Zuverlässigkeit von Fahrzeugen bei. Mit dem neuen Benchmark-Prüfstand gelingt es der HOERBIGER Antriebstechnik, Reiblamellen auf ihre gewünschten Eigenschaften zuverlässig zu testen. Die mit COSATEQ entwickelte Lösung unterscheidet sich durch einige Innovationen von herkömmlichen Prüfständen.

Lamellen sind ein wichtiges Element von tribologischen Reibsystemen, die zum Beispiel in Lastschaltgetrieben sowie Bremseinheiten schwerer Baumaschinen eingesetzt werden. Wie jedes tribologische System bestehen sie aus einem Reibpartner und einem Gegenreibpartner, bei dem im Fall der nassen Reibung noch das Fluid hinzukommt.Mit den heutigen komplexen Anforderungen an beispielsweise Leistungsdichte, Regelfähigkeit, Drehmomentdichte, Qualität und Lebensdauer lassen sich bei der Konstruktion von Reibsystemen viele Sachverhalte zwar analytisch erfassen, in letzter Konsequenz ist der praktische Versuch aber nicht zu ersetzen. Die Erfahrung hat gezeigt, dass spezielle Prüfstände helfen, das Verhalten von Reibsystemen bereits in einer frühen Projektphase zu ermitteln. Der Konstrukteur erhält damit Daten, auf deren Basis er das Reibsystem optimieren und den vorzeitigen Ausfall des Reibsystems vermeiden kann. Denn obwohl diese Teile relativ einfach erscheinen, haben sie eine hohe Komplexität und einen großen Einfluss auf das Systemdesign. Im Verhältnis zum Wert des Getriebes oder des Fahrzeugs ist der Teilesatz eines Reibsystems relativ unbedeutend, doch bei einem Ausfall bleibt das Fahrzeug stehen. Da bei einem Ausfall das Getriebe komplett zerlegt werden muss, summieren sich die Kosten auf bis zu 5000 Euro. In der Regel wird daher Wartungsfreiheit verlangt, sodass Reibsysteme auf Fahrzeuglebensdauer ausgelegt werden müssen.

Aufbau des Prüfstands

Da bisher bekannte Prüfstände relativ wenig flexibel bezüglich Lastprofilen und Prüfmusteradaption sind, sollte ein „Benchmark-Prüfstand“ (Abb. 1) entwickelt werden, der in der Lage ist, alles zu überprüfen, was von einem Reibsystem verlangt wird und auch Wettbewerbsanalysen mit begrenztem Zeit- und Kostenaufwand zulässt.

Abb. 2 Der neue Benchmark-Prüfstand testet tribologische Systemelemente des Antriebsstrangs von Fahrzeugen, die einen großen Einfluss auf deren Belastbarkeit, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Energieeffizienz haben.

Die wichtigsten Komponenten des Prüfstands (Abb. 2) sind der Direktantrieb über einen geregelten 150 kW Synchronmotor, die Messzellenbox zur Erfassung von Drehmoment und Drehzahl und die Lamellenprüfbox mit Weglängensensoren, Temperaturfühlern und dem effizienten, universellen Aufnahmesystem für die Prüfmuster. Die Prüfstandsteuerung erfasst u.a. auch Öltemperatur, Öldruck, Kühlölvolumenstrom, Behälter-, Kühlöl- und Rücklauftemperatur als auch Betätigungs-, Löse- und Schmierdruck sowie den Betätigungsweg. Ein Kreis des zweikreisig ausgelegten Hydraulik- systems erzeugt den Druck für die Betätigungshydraulik zum Öffnen und Schließen des Lamellensystems. Der zweite Kreis stellt den Kühlstrom im Lamellensystem dar. Die Wärmeabfuhr aus der schalldicht gekapselten Prüfkabine und dem Hydraulikaggregat übernimmt ein Wasserkühler. DerPrüfstand ist für den 24/7-Betrieb ausgelegt und kann unbeaufsichtigt laufen.Die Steuerungshardware basiert auf einem PXI-System von National Instruments, auf dem die Applikationssoftware unter Windows läuft. COSATEQ hat die PC-gestützte PXI-Plattform gewählt, weil sie für Aufgaben aus der Mess-, Prüf- und Automatisierungstechnik optimiert ist, einen modularen Aufbau zulässt und eine große Anzahl von I/O-Modulen bietet. 

Softwareentwicklung mit LabVIEW

Abb. 3 Das Steuerungsprogramm für den Prüfstand wurde mithilfe von LabView erstellt. Das Konzept der virtuellen Instrumente (VI) erleichtert nicht nur die Programmierung, sondern auch die grafische Präsentation der Elemente zur Bedienung des Prüfstands.

LabVIEW kommt ebenfalls von National Instruments und ermöglicht die grafische Entwicklung von Mess-, Prüf-, Steuer- und Regelanwendungen anhand von virtuellen Instrumenten (VI) nach dem Datenfluss-Modell. Zu den Vorteilen von LabVIEW gehören die zahlreichen Schnittstellen, die unter anderem die Einbindung von C-Quellcode und MATLAB®-Funktionen ermöglichen. Besonders die einfache Abbildung von Lastprofilen war ein entscheidender Pluspunkt für diese Programmierumgebung. Die Applikation steuert nicht nur den Prüfstand, sondern erfasst auch die Messwerte, speichert sie und stellt sie grafisch dar (Abb. 3).

Aufwendige Umbauten zwischen Testzyklen entfallen

Der neue Benchmark-Prüfstand bietet weit mehr Möglichkeiten als konventionelle Prüfstände. Durch die schwungradlose Konstruktion – das erforderliche Drehmoment wird motorisch nachgebildet – kann er ohne mechanischen Umbau von einem zum anderen Prüfzyklus softwaregesteuert verschiedene Lastfälle fahren. Abgebildet werden Betriebszustände, wie z. B. Halten, Abreißen, Dauerschlupf, dynamisches Bremsen und Schleppmoment. Flexibel und schnell adaptiert er Lamellen jedweder Bauart.Neben primären Funktionen des Reibsystems testet er auch sekundäre Funktionen des Reibsystems wie z. B. das Schleppmoment. Mit Schleppmoment oder Leerlaufmoment wird der Schleppverlust einer Lamellenkupplung bezeichnet, der im geöffneten Kupplungszustand auftritt. Bei größeren Baumaschinengetrieben können rasch 10 kW Verluste auftreten. Dieser Wert zeigt deutlich, dass die Minimierung des Schleppmoments unter den Gesichtspunkten Energieeffizienz, Wirkungsgrad und Kraftstoffverbrauch für Fahrzeug- und Triebwerkhersteller eine hohe Priorität zukommt.

Adaption an unterschiedliche Lamellendurchmesser

Abb. 4. Die Prüfbox nimmt die zu testenden Lamellen auf. Mit dem neu entwickelnden Adaptersystem kann sie Lamellen unterschiedlicher Bauarten aufnehmen. Konzentrisch angeordnete Betätigungskolben für das Reibsystem ermöglichen die Aufnahme von 50-er- bis zu 300-er-mm-Lamellen.Die Prüfbox (Abb. 4) hat wie eine Kupplung oder ein Getriebe sowohl Außen- als auch und Innenlamellen. Eine der zu lösenden Aufgabe bestand darin, dass fast jedes System mit einer anderen Verzahnung ausgestattet ist. Bei einem herkömmlichen Prüfstand müsste für jede Verzahnung, also für jede Lamelle und jede Größe eine neue Adaption angefertigt werden. Durch den hohen Aufwand für die individuelle Anfertigung des jeweiligen Adapters kämen pro Anpassung erhebliche Kosten in Höhe einigen tausend Euro und entsprechender Lieferzeit von mehreren Wochen zusammen. Mit dem neu entwickelten Adaptersystem können die Tests mit einem Aufwand von unter eintausend Euro und einer Woche Lieferzeit gestartet werden. Damit lassen sich die Erfahrungen des Kunden mit existierenden Designs zur Korrelation von Neuentwicklungen leicht nutzen und beispielsweise nur die Betriebsparameter variieren. Auch ein neues Öl lässt sich so zielgerichtet erproben.Eine weitere Neuheit sind die drei konzentrisch angeordneten Betätigungskolben für das Reibsystem. Die drei verschiedenen Kolbengrößen decken den Durchmesserbereich von der 50-er- bis zur 300-er-mm-Lamelle ab. Der Prüfer braucht nur eine andere Adaptionswelle reinzustecken und kann anschließend den Testbetrieb wieder aufnehmen.

Verschleißmessung on-the-fly

Abb. 5. Box zur Wellenabdeckung und Aufnahme der Drehmomentmessung.

Mit den kürzer werdenden Entwicklungs- zyklen sind auch die Versuchslaufzeiten zu optimieren. Die umgesetzte Online- Verschleißmessung erlaubt den Verzicht auf Zwischenmessungen mit zeitaufwendiger Demontage. Außerdem erhält der Entwickler eine Datenbasis zur Beurteilung von Themen wie Setzen, Verschleiß und Elastizität. Möglich macht dies ein temperaturkompensiertes, induktives Weglängenmesssystem , das den Verfahrweg des Kolbens mit einer Auflösung von 1/100 mm erfasst. Dabei ist zu beachten, dass der Weglängensensor im Ölraum arbeitet und extremen Temperatur- schwankungen ausgesetzt ist. Bisher zu diesem Zweck verfügbare Sensortechnologien erreichten nur eine unzureichende Datenqualität.

Überprüfen der Elastizität des Lamellenpakets

Die Weglängenmessung ermöglicht auch präzise Aussagen zur Elastizität des Lamellenpakets. Das Thema Elastizität ist wichtig für die Auslegung der hydraulischen Ansteuerung der Lamellenkupplung. Einem hydraulischen Ansteuersystem steht ein bestimmtes Druck- und Volumenangebot zur Verfügung. Wenn die Elastizität in einem ungünstigen Bereich liegt, z. B. bei einer zu großen Elastizität, muss die Anlage relativ viel Volumen fördern. Möglichweise bringt dieses System bei einer Mehrfachbetätigung, das für den erforderlichen Betätigungsdruck benötigte Volumen nicht mehr zustande. Der Öldruck fällt ab. Im Prüfstand kann man in einem wirklich betätigten drehenden System erfassen, welche Elastizität momentan vorliegt. Der Kunde erfährt so in einem sehr frühen Stadium, ob das von ihm vorgesehene Volumen ausreicht. Notfalls kann er die Hydraulik neu entwerfen bzw. anpassen. Eine andere Möglichkeit wäre ein steiferes Reibsystem.

Offen für Weiterentwicklungen

Der Benchmark-Prüfstand bietet damit Möglichkeiten, die so bisher noch nicht realisiert wurden. Für zukünftige Ausbaustufen bestehen bereits erste Ideen. So kann derzeit nur die Temperatur der statischen Lamellen online gemessen werden. Angedacht ist u.a. die Erfassung der Temperatur der drehenden Lamelle.

Autoren: Dieter Strauss, Falk Nickel (HOERBIGER Antriebstechnik GmbH) 

Download Fachbericht aus der antriebspraxis 01/2010