Wirtschaft

Bosch: Leitende Schmierstoffe schützen künftige Elektromotoren

12.06.2014

Bosch - Robert Bosch GmbH Stuttgart: Elektrisch leitende Schmierstoffe schützen künftige Elektromotoren vor dem möglichen Verschleiß durch elektrische Entladungen in den Lagern. Mit diesem Ergebnis eines gemeinsamen Forschungsprojektes hat eine Gruppe deutscher Grundlagen- und Industrieforscher einen wichtigen Schritt für die nachhaltige Elektromobilität der Zukunft getan. Die Arbeit wird vom Bundesforschungsministerium (BMBF) finanziell gefördert.

Hintergrund der Initiative: Künftige Autos werden mit höheren Spannungen unterwegs sein als die bisherigen. Derzeit ist bei den Bordnetzen eine Spannung von zwölf Volt üblich, um alle elektrischen Verbraucher im Wagen zu versorgen – von den Lampen über das Radio bis hin zur Klimaanlage. Binnen weniger Jahre wird diese Spannung voraussichtlich auf 48 Volt steigen, denn die Elektrik übernimmt immer mehr Funktionen. Die elektrische Spannung in den elektrischen Antrieben von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist nochmals höher und liegt zum Beispiel bei 400 Volt.

Stärkere elektrische Wechselfelder
„In Generatoren und Elektromotoren entstehen mit zunehmender Spannung stärkere elektrische Wechselfelder als bisher“, erklärt Dr. Gerd Dornhöfer, der für Bosch an dem Projekt „SchmiRmaL“ (Schaltbare intelligente Tribosysteme mit minimalen Reibverlusten und maximaler Lebensdauer) beteiligt ist. Daher kann es zum Beispiel in den Kugellagern von Motoren oder Generatoren zu elektrischen Entladungen kommen. Dann springen Funken über und lassen winzige Bereiche des Metalls schmelzen. So kommt es zu Kratern in den Laufbahnen. Dadurch werden die Lager erst laut und fallen dann frühzeitig aus. „Dies können wir mit den nun geschaffenen neuen Schmierstoffen bereits heute zuverlässig verhindern“, sagt Dornhöfer mit Blick auf die Messergebnisse auf seinem PC. Der Chief Expert Lubrication Technology arbeitet in der zentralen Forschung bei Bosch in Gerlingen bei Stuttgart.

Elektrische Überschläge sind jedermann bekannt, der an einer Türklinke schon einmal einen kleinen elektrischen Schlag bekommen hat. Wenn der Finger nur noch wenige Millimeter von der Klinke entfernt ist, springt ein elektrischer Funke über. Ist die Spannung hoch, springt der Funke aus größerer Entfernung über als bei einer kleinen Spannung. Die Luft zwischen Türgriff und Finger wirkt so lange als Isolator, bis der Finger nahe genug ist.

Schmierfilm wirkt als Isolator
Genau das kann auch passieren, wenn zwischen Welle und Gehäuse in Elektromotoren eine Spannung entsteht, weil der Schmierfilm in der Lagerung als Isolator wirkt. Diese in Kugellagern verwendeten Schmierfette trennen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit Kugeln und Laufbahn voneinander – ähnlich dem Aquaplaning bei nasser Straße. Anders als auf der Straße ist das im Kugellager sehr gewünscht, damit die Lager eine geringe Reibung und möglichst keinen Verschleiß erzeugen. Die Folge ist jedoch, dass sich die Lager bei intaktem Schmierfilm aufladen können. Dies lässt sich mit einem Kondensator vergleichen. Wenn die aufgebaute Spannung ausreicht, kann sie den isolierenden Schmierfilm durchschlagen. Diese Energie reicht aus, um das Metall der Lauffläche an einer winzigen Stelle für kurze Zeit schmelzen zu lassen. Passiert dies immer wieder, sammeln sich irgendwann winzige Störstellen am Lager. „Das wollen wir unbedingt verhindern. Denn an diesen Stellen kann es mit der Zeit zu größeren Schäden kommen“, sagt der Bosch-Wissenschaftler. Ingenieure sprechen vom sogenannten Elekro-Pitting. Im weitesten Sinne lässt sich dies mit einem Schlagloch in der Laufbahn übersetzen. Die Energie dieser Entladungen wird in Zukunft potenziell größer, wenn Leistungsdichte und Bordnetzspannung zunehmen.

Mit Blick auf dieses sich abzeichnende Problem lautet die Strategie von „SchmiRmaL“: Neue Schmiermittel sollen durch den Zusatz passender Substanzen leitfähig werden. Damit wirken sie gar nicht erst als Isolator. So bauen sich keine Spannungen mehr auf, und deshalb bleibt auch der potenziell zerstörerische Funkenschlag aus.

„Es gibt mehrere Strategien, um dies zu erreichen“, erklärt Dornhöfer. „Man könnte dem Fett feine Metallpartikel beimischen, um den Strom zu leiten. Aber dann wirkt das Schmierfett auch als Schleifmittel, das verbietet sich natürlich.“ Besser geeignet sind sogenannte ionische Flüssigkeiten. Chemisch betrachtet sind das Moleküle, die eine elektrische Ladung tragen (Ionen). „Ionische Flüssigkeiten leiten den Strom, und daher mischen wir diese Substanzen in unsere Schmierfette“, sagt Dornhöfer.

Widerstand um das Zehnmillionenfache verringert
Nach ungezählten Versuchsreihen gibt es inzwischen Fette, die dem Strom immer weniger Widerstand entgegensetzen. Anders formuliert: Das Schmierfett leitet die Elektronen im Kugellager wie gewünscht ab und verhindert so die unerwünschten elektrischen Überschläge. Ausgangsmaterial war ein industrielles, kommerziell erhältliches Schmierfett. „Durch den Zusatz der richtigen ionischen Flüssigkeiten in der Kombination mit leitfähigem Kohlenstoff lässt sich dessen Widerstand inzwischen um das Zehnmillionenfache verringern“, berichtet der Bosch-Wissenschaftler. Dies reicht aus, um die unerwünschten elektrischen Entladungen zu vermeiden.

Das neue Fett ist schwarz gefärbt, ähnelt aber sonst weitgehend dem bisherigen. Derzeit ist Dornhöfer unter anderem damit beschäftigt, alle Eigenschaften des Schmierfetts zu untersuchen. Außer der hohen Lebensdauer der Lager gehören dazu Hitzebeständigkeit und Kältefliessfähigkeit. Zudem muss sichergestellt sein, dass sich die Korrosions-Schutzwirkung des Fettes durch die neuen Zusätze nicht verschlechtert. Auch darf das neue Fett Mensch und Umwelt natürlich nicht gefährden. Alles dies wird derzeit im Rahmen des BMBF-Projektes geprüft. „Die bisherigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend“, sagt Dornhöfer. Am Erfolg sind viele Wissenschaftler beteiligt, die interdisziplinär und über bestehende Grenzen hinweg zusammenarbeiten. „Jeder für sich alleine kann diese Suche nicht bewältigen. Wir alle tragen etwas bei und lernen dabei voneinander“, sagt Dornhöfer. Das Projekt läuft noch bis zum April 2015. „Die Chance ist groß, dass die neuen Schmierfette im Anschluss industriell eingesetzt werden“, ergänzt Dornhöfer.

Höhere Lebensdauer für viele Maschinenelemente
Der Nutzen dieser Arbeit geht weiter über die Anwendung in Elektromotoren hinaus. Die neuen Schmiermittel erhöhen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von höchstbelasteten Maschinenelementen, insbesondere Wälz- und Gleitlagern und Getriebekomponenten. Bei gleicher Baugröße lässt sich die Leistungsfähigkeit verbessern – oder, unter Beibehaltung der Leistungsfähigkeit, die Baugröße verringern. Zugleich helfen die Schmiermittel dabei, den Energieverbrauch zu reduzieren, beziehungsweise den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die Beteiligten - Das Unternehmen Klüber Lubrication SE & Co. KG (München) gehört zu den führenden und innovativsten Spezialschmierstoff-Herstellern weltweit. Die IoLiTec-Ionic Liquids Technologies GmbH (Heilbronn) entwickelt ionische Flüssigkeiten. Die Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG (Herzogenaurach) ist Automobilzulieferer und entwickelt und fertigt Wälzlager. Sie prüft in dem Projekt, wie man mit neuartigen Ölen die Lebensdauer von Lagerungen verbessern kann. Die inprotec AG (Heitersheim) entwickelt hocheffektive Schutzschichten gegen Abrieb. Die SCHUNK GmbH & Co. KG (Lauffen/Neckar) verbessert im Rahmen des Projektes die Funktionsdauer eines Ventils. Das Fraunhofer-Institut für Algorithmen und wissenschaftliches Rechnen SCAI (Sankt Augustin) trifft anhand von Computermodellen Vorhersagen über die Umweltverträglichkeit möglicher neuer ionischer Flüssigkeiten. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM (Freiburg im Breisgau) beschäftigt sich im Projekt grundlegend mit der Schmierwirkung von ionischen Flüssigkeiten unter Potenzialeinwirkung. Bosch formuliert Anforderungen für neue Schmierfette und arbeitet daran, diese unter industriellen Bedingungen nutzbar zu machen. Zugleich ist das Unternehmen potenzieller Anwender der neuen Schmierstoffe und prüft sie im Labor unter verschiedenen realistischen Belastungen. (Pressemeldung vom 12.06.2014)

Quelle: Bosch GmbH | Foto: Bosch
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