Dauerhaft verlässlich

Schwerpunkt Gleit- und Wälzanlagen

Gleitlagerwerkstoffe – Die häufigen Start- und Stoppvorgänge bei dieselelektrischen Hybridantrieben belasten die Kurbelwellenlager enorm. Optimierte Werkstoffe können hier den Verschleiß deutlich reduzieren.

27. August 2012

Ein wichtiger Trend in der Fahrzeugtechnik ist die zunehmende Verbreitung sogenannter Hybridantriebe, bei denen das Fahrzeug je nach Fahrsituation entweder elektrisch oder durch einen Dieselmotor angetrieben wird, der dann zugleich die Batterien für den Elektrobetrieb wieder auflädt. Speziell im Pkw-Bereich finden solche Lösungen inzwischen zunehmende Verbreitung, jedoch gibt es auch bei Nutzfahrzeugen einzelne Anwendungen dieser Technik, etwa bei schweren LKWs, Bussen und Transportern für den Stadt- und Verteilerverkehr.

Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung der Antriebe für solche Fahrzeuge sind die häufigen Start- und Stopp-Vorgänge des Dieselmotors, erklärt Klaus Damm, Leiter Anwendungstechnik, Produktdesign und Qualitätsmanagement bei der KS Gleitlager GmbH mit Sitz in St.Leon-Rot bei Heidelberg: »Kurbelwellenlager in Hybridantrieben sind infolge der hohen Anzahl von Start-Stopp-Vorgängen im Betrieb tribologisch stark beansprucht. Hintergrund dafür sind die auf die Kurbelwelle einwirkenden Querkräfte aus Riemen- oder Kettenzug beziehungsweise dem Schwungrad.«

Verschleißgefährdet sind dabei hauptsächlich das vordere und hintere Kurbelwellenlager. Deren Systemkomponenten werden daher sehr stark beansprucht und müssen dennoch zuverlässig funktionieren. Speziell für diese Anwendungsfälle haben die Automobiltechnikspezialisten deshalb den neuen Lagerwerkstoff R53 entwickelt, der deutlich verbesserte Verschleiß- und Dauerfestigkeitswerte bietet als die bisher üblichen bleifreien Motorlager. Bei diesem Verbundwerkstoff wird eine speziell entwickelte Aluminium-Zinn-Silizium-Legierung durch das Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) als Sputterschicht auf die stählerne Lauffläche des Lagers aufgebracht, sodass ein extrem widerstandsfähiges Gleitschichtsystem entsteht. Solche PVD-beschichteten Gleitlager, umgangssprachlich auch »Sputterlager« genannt, sind die leistungsstärksten Motorenlager überhaupt: Sie verschleißen sehr wenig, zeigen eine hohe Mischreibungsresistenz und Fresssicherheit sowie eine extrem hohe Dauerfestigkeit. Sputterlager werden vor allem in Dieselmotoren von Kraftfahrzeugen benötigt, wo insbesondere die Pleuellagerschalen aufgrund der hohen Zünddrücke extrem belastet sind.

Erhöhte Dauerfestigkeit

Obwohl die bisher üblichen Al-Sn-Lagerwerkstoffe relativ gut mit den hohen Motorleistungen und Drehmomenten fertig werden, müssen sie doch zur Steigerung der Partikelverträglichkeit und insbesondere zur Verbesserung der Start-Stopp-Fähigkeit optimiert werden. Bei der Entwicklung des neuen Stahl-Al-Sn-Si-Verbundwerkstoffs R53 wurde deshalb besonderer Wert auf eine hohe Verschleißfestigkeit im Vergleich zu Al-Sn-Standardwerkstoffen gelegt.

Gleichzeitig stand bei der Festlegung der chemischen Zusammensetzung und der Fertigungsparameter eine Erhöhung der Dauerfestigkeit im Fokus. Ein Nachteil der millionenfach in Kurbelwellenlagern eingesetzten Standard-Al-Sn-Werkstoffe wie R25 ist nämlich eine starke Abhängigkeit der Verschleißrate von der Rauheit der Kurbelwelle. Eine optimale Performance der Lager aus diesen Werkstoffen erfordert deshalb möglichst geringe Rauheitswerte an der Kurbelwelle. Der neue entwickelte Werkstoff R53 dagegen zeigt eine nur geringe Abhängigkeit des Lagerverschleißes von der Wellenrauheit. Eine lange Lagerlebensdauer auch bei häufigen Start-Stopp-Vorgängen lässt sich daher auch ohne eine allzu aufwendige Kurbelwellenbearbeitung erzielen.

Leichte Nachteile gegenüber Standardwerkstoffen bietet der neue dauer- und verschleißfeste Werkstoff allerdings hinsichtlich der Parameter Fresssicherheit, Partikelverträglichkeit und Anpassungsfähigkeit. Hier erreichten die Gleitlagerspezialisten aus Süddeutschland jedoch durch eine spezielle thermomechanische Behandlung, die zur Einformung und feinen Verteilung der verschiedenen Phasen der Werkstoffbestandteile führt, dennoch eine hinreichend gute Sicherheit gegen Fressen und Partikel sowie die zum Einlaufen nötige Anpassungsfähigkeit.

Dauerhaft zuverlässig

Für extrem belastete Motoren hat der Hersteller zusätzlich die Hochleistungssputterlager vom Typ X20V entwickelt, die sowohl bei der Dauerfestigkeit sowie vor allem bei der Fresssicherheit, der Anpassungsfähigkeit und der Partikelvertäglichkeit ein bisher nicht mögliches Niveau erreichen. Diese Lager bestehen aus dem Hochleistungsmessingwerkstoff X20, auf den spezielle Beschichtungswerkstoffe wie AlSn25Cu2,5 aufgebracht werden.

Mit entscheidend für die Eigenschaften eines Lagerwerkstoffs ist auch die Dicke der aufgetragenen Sputterschichten, berichtet Damm: »Dickere Schichten bieten deutliche Vorteile bei der Mischreibungsresistenz, der Anpassungsfähigkeit und der Partikelverträglichkeit. Mit ihnen steigt die Zuverlässigkeit unter kritischen Einsatzbedingungen.«

Um den Hochleistungswerkstoff X20V für spezielle Anwendungen noch widerstandsfähiger zu machen, wird die Sputterschicht deshalb optional in einer Dicke von 16Mikrometer aufgetragen anstelle der üblichen 10 Mikrometer. Intensive Tests bestätigen, dass sowohl die Anpassungsfähigkeit als auch die Partikelverträglichkeit durch die dickere Sputterschicht wesentlich verbessert werden. Weitere Vorteile zeigen sich im Fressversuch, insbesondere in Abhängigkeit von der Qualität der Kurbelwellenoberfläche. Hier konnten die Fresslasten beim Einsatz des dicker beschichteten Werkstoffs X20V16 auch bei einer höheren Wellenrauheit auf dem hohen Niveau des dünner beschichteten X20V10 gehalten werden.

Auf einen Blick

-Die KS Gleitlager GmbH in St. Leon-Rot ist ein weltweit führender Anbieter für Motorengleitlager und Trockengleitlager

-Das Produktionsprogramm umfasst mehr als 3.000 Artikel wie Lagerschalen, Buchsen und Anlaufscheiben aus Aluminium, Bronze und Messing in Massiv- und Stahlverbundausführung sowie Trockengleitlager aus Stahl-Kunststoff-Verbundwerkstoffen.

Erschienen in Ausgabe: 06/2012