Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 03/2016, 11.03.2016

Kleine Ursache, grosse Wirkung

Der Lagerhersteller SKF beweist im Praxistest, dass sich mit speziell konstruierten Getriebewellenlagern in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren massiv Kraftstoff sparen lässt, und man so CO₂-Emissionen drastisch senken kann.

(msc) Der steigende Trend zu mehr Kraftstoffeffizienz und zur CO2-Reduzierung infolge strengerer Gesetzesvorgaben und langfristig wohl wieder steigender Ölpreise wirkt sich entscheidend auf das Design und die Herstellung neuer Fahrzeuggenerationen aus. Neben einer ausgefeilteren Aerodynamik, der Gewichtsreduktion durch leichtere Werkstoffe und der Tendenz hin zu kleineren Motoren führt dies auch zu radikalen Veränderungen an weniger offensichtlichen Komponenten – insbesondere im Antriebsstrang. Dort sorgen innovative Techniken und Fortschritte in der Lagertechnologie für einschneidende Verbesserungen bei den CO₂-Emissionen.

Bei Getrieben sind beträchtliche Leistungsverluste, bedingt durch die Reibung zwischen Zahnrädern, Wellen, Lagern und dem Schmierstoff, typisch. Radiale und axiale Verzahnungskräfte haben immer einen entsprechenden Leistungsverlust an den Lagerstellen zur Folge. Darüber hinaus lassen sich aber auch zusätzliche innere Verluste bei Kegelrollenlagern feststellen, die mit Vorspannung angestellt werden.

Folglich besteht für einen Lagerhersteller wie SKF die Herausforderung darin, neue Produkte zu entwickeln, die diese Effekte eliminieren oder zumindest reduzieren. Dabei muss aber sowohl die Zuverlässigkeit wie auch die Gebrauchsdauer mindestens gewahrt oder sogar gesteigert werden – und das zu Stückpreisen, die für OEM-Getriebezulieferer attraktiv sind.

Einer der wichtigsten zu berücksichtigenden Parameter bei der Reduzierung von Leistungsverlusten ist der Drehmomentfluss durch das Getriebe; ein weiterer ist derjenige für die Zahnkräfte. In diesem Kontext ist die Reaktion des Lagers ausschlaggebend für die Anzahl der belasteten Wälzkörper und damit letzlich für das Reibungsmoment. Kurz gesagt: Je mehr belastete Wälzkörper ein Lager enthält, desto grösser ist dessen Reibmoment und desto höher das Potenzial für Leistungsverluste.

Die Neukonstruktion vorhandener Getriebe kann sich allerdings sehr langwierig gestalten. Eine günstige Alternative, bevor man sich auf die kostspielige Entwicklung von Prototypen einlässt, ist die Verwendung einer Getriebe-Simulationssoftware, wie sie SKF entwickelt hat. Damit können die Entwickler schon im Computer ausgiebig experimentierten. Es lassen sich systematisch Schlüsselfaktoren ändern, die für Getriebeleistung, -zuverlässigkeit und für dessen Energieeffizienz von Bedeutung sind.

Günstige Simulationen anstatt teurer Prototypen

So konnte der Lagerhersteller in Zusammenarbeit mit einem führenden OEM nachweisen, dass selbst in einem bereits vorhandenen 6-Gang-Schaltgetriebe noch viel Potenzial zu einer beträchtlichen Wirkungsgradsteigerung steckt. Neben anderen Verbesserungen gehörte dazu auch der Austausch von Kegelrollenlagern durch anwendungsoptimierte, abgedichtete Rillenkugellager und Zylinderrollenlager. Mit einer ohne Vorspannung funktionierenden Fest-Los-Lagerung an der Eingangswelle des Getriebes und an den beiden Hauptwellen lässt sich der Leistungsverlust deutlich mindern.

Die Softwaresimulation dieser Änderungen zeigte, dass bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h (nach NEDC) beeindruckende 179 W Verlustleistung eingespart werden: Diese sinkt von ursprünglich 269 W auf nur noch 90 W Verlustleistung. Bei 100 km/h beliefen sich die Einsparungen sogar auf 382 W. Rechnet man die Senkungen der Leistungsverluste in CO2-Emissionen um, entsprechen die Werte zirka 3 g/km bei einem Benzinmotor und über 2 g/km bei einem Dieselmotor. Um diese theoretischen Vorhersagen zu überprüfen, wurde ein entsprechend optimierter Getriebeprototyp gebaut. Dessen Konstruktion bestätigte, dass die Software-Prognosen in der Praxis Bestand hatten.

Geht man nun von einer durchschnittlichen CO2-Reduzierung pro Fahrzeug um 2,5 g/km aus, ausserdem von einer typischen Fahrzeug-Gebrauchsdauer von 200 000 km und davon, dass zwischen 2017 und 2024 rund 1,5 Mio. neue Schaltgetriebe in Motorfahrzeuge eingebaut werden, dann liessen sich gigantische 750 000 t an CO₂-Ausstoss vermeiden. Und das sogar recht einfach: durch relativ geringfügige, aber gleichzeitig hocheffiziente Konstruktionsänderungen der Getriebelager. Kleine Ursache, grosse Wirkung!


SKF (Schweiz) AG
8603 Schwerzenbach, Tel. 044 825 81 81
skf.schweiz@skf.com

Energieeffiziente, anwendungsoptimierte Wälzlager von SKF steigern den Wirkungsgrad von Getrieben und tragen so zur Reduktion von CO₂-Emissionen bei. (Bilder: SKF)


Per Computersimulation ermittelte SKF kostengünstig, welche spezifische Wälzlager-Konfiguration den Wirkungsgrad des Getriebes am besten steigert.