Grenzen von Reibsystemen sicher ausloten 1

Lamellen von Reibsystemen innerhalb des Antriebstrangs tragen entscheidend zur Funktion von Fahrzeugen bei. Mit dem neuen Benchmark-Prüfstand gelingt es Hoerbiger, Reiblamellen auf ihre gewünschten Eigenschaften zuverlässig zu testen. Die mit Cosateq entwickelte Lösung unterscheidet sich erheblich 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. Da bisher bekannte Prüfstände relativ wenig flexibel bezüglich Lastprofilen und Prüfmusteradaption sind, sollte ein Benchmark-Prüfstand 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. Die wichtigsten Komponenten des Prüfstands 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 unter anderem Öltemperatur, Öldruck, Kühlölvolumenstrom, Behälter-, Kühlöl- und Rücklauftemperatur aber auch Betätigungs-, Löse- und Schmierdruck sowie den Betätigungsweg. Ein Kreis des zweikreisig ausgelegten Hydrauliksystems 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.

Die Prüfbox nimmt die zu testenden Lamellen auf. Mit dem neuen Adaptersystem kann sie unterschiedliche Bauarten aufnehmen.

Der Prüfstand ist für den 24-Stunden-/7-Tage-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.

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.

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 beispielsweise 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 zum Beispiel 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. Die Prüfbox hat wie eine Kupplung oder ein Getriebe sowohl Außen- als auch 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 und entsprechende Lieferzeit zusammen. Mit dem neu entwickelten Adaptersystem können die Tests mit einem Aufwand von unter 1000 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 50er- bis zur 300er-mm-Lamelle ab.

Der Prüfer braucht nur eine andere Adaptionswelle hineinzustecken und kann anschließend den Testbetrieb wieder aufnehmen. Mit den kürzer werdenden Entwicklungszyklen 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. Die Weglängenmessung ermöglicht auch präzise Aussagen zur Elastizität des Lamellenpakets. Das Thema Elastizität ist wichtig für die Auslegung der hydraulischen Ansteuerung der Lamellenkupplung.