Verbundprojekt CHEPHREN (Phase 1 + 2) - chemisch-physikalische Reduzierung der Reibungsenergie

Abstract

Im Rahmen des Forschungsprojekts zur Chemisch-Physikalischen Reduzierung der ReibungsENergie (CHEPHREN) erfolgten systematische Untersuchungen von Superlubricity-Phänomenen und deren Erschließung für weite Anwendungsfelder und die Integration von Tribosystemen mit neuartigen Materialien und Schmierstoffen. Hierzu wurden insgesamt acht verschiedene Anwendungen betrachtet und ein skalenübergreifender Ansatz zur Erforschung der jeweils betrachteten Technologien verfolgt. Dies umfasste sowohl experimentelle als auch simulationstechnische Untersuchungen an dedizierten Modellen auf Grundlagenebene über die Komponentenebene bis hin zu Analysen auf Systemebene, inklusive der Betrachtung des Gesamtpotentials zur Energieverbrauchs- und Emissionsreduzierung. Dabei können die betrachteten Technologien übergeordnet in Tribokörper, Schmierstoffe und Tribokonzepte eingeteilt werden. Aus den unterschiedlichen Anwendungen resultieren systemspezifische Randbedingungen, welche mittels bedarfsorientierter Technologien untersucht wurden. Bzgl. der Tribokörper wurde vor allem der Einsatz technischer Kunststoffe sowie Beschichtungen fokussiert, während bei den Schmierstoffen insbesondere wasserhaltige Schmierstoffe und schwefelfreie Schmierstoffe betrachtet wurden. Die eingesetzten Tribokonzepte zeigten dabei eine hohe Variabilität von fluidfreier Schmierung bis hin zu bedarfsangepassten Verfahren. Hinsichtlich der betrachteten Schmierstoffe zeigten insbesondere wasserhaltige Schmierstoffe enormes Potential zur Reibungsreduzierung mit Reibungszahlen im Bereich der Superlubricity μ < 0,01. Die Schmiermechanismen und Effizienzvorteile wurden hierbei beginnend von der molekularen Ebene bis hin zu Systemtests an ausgewählten Getriebetopologien analysiert und bewertet. Weiterhin verdeutlichen die Projektergebnisse Effizienzvorteile durch die gezielte Optimierung konventioneller Schmierstoffe in elektrifizierten Antriebssträngen. Die Anwendung von Kunststoffen in tribologischen Kontakten zeigen deutliches Potential zur Reibungsreduzierung, welches in Modelluntersuchungen aber auch an Komponenten- und Systemprüfständen validiert werden konnte. An Tribometern wurden zudem Reibungszahlen im Bereich der Superlubricity μ < 0,01 ermittelt. Die Projektergebnisse verdeutlichen die prinzipielle Eignung von Kunststoffkomponenten in leistungsübertragenden Maschinenelementen wie Zahnrädern, Stauförderketten, Steuerkettenritzeln oder Riemenrädern. Weiterhin wurden vielversprechende Ergebnisse für den Einsatz von Beschichtungen erreicht, auf Kunststoffen und metallischen Oberflächen. Diese weisen günstige tribologische Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen auf, insbesondere auch für solche unter extremen Umgebungsbedingungen, bspw. in trockengeschmierten Wälzlagern. Das Forschungsprojekt verfolgte einen interdisziplinären Ansatz mit Projektmitgliedern aus Industrie und Forschungseinrichtungen, bestehend aus unterschiedlichen Branchen und Fachgruppen. Dies ermöglichte einen anwendungsübergreifenden Ergebnistransfer der betrachteten Technologien und erschließt perspektivisch weitere Anwendungsfelder. Die abgeleiteten Energie- und Emissionseinsparpotentiale unterstützen nationale sowie internationale klimapolitische Ziele und stärken zudem die technologische Innovationskraft des Wirtschaftsstandorts Deutschland.