Fraunhofer-Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das Reibung und Verschleiß im Motor bereits bei der Herstellung der Bauteile reduzieren kann. Kraftstoffverbrauch und Kohlenstoffdioxidemissionen lassen sich durch spezielle Beschichtungen senken.
Damit der Motor eines Neuwagens rund läuft, muss er zunächst richtig eingefahren werden. Für die ersten 1000 Kilometer sollte man beispielsweise auf schnelles Beschleunigen und ständige Kurzstrecken verzichten. Warum ist diese Schonfrist nötig? Während des Einlaufprozesses verändert sich durch die Reibungswirkung bei den Gleitpaarungen – den Bauteilen, die miteinander mechanischen Kontakt haben – die Oberflächenrandzone. Die Oberfläche selbst wird glatter und in einer Materialtiefe von etwa 500 Nanometer bis 1000 Nanometer verfeinert sich die Körnung der Gefügestruktur, so dass eine nanokristalline Schicht entsteht.
Bis sich diese nanoskalige Randschicht ausgebildet hat, ist jedoch einiges an Reibarbeit notwendig. Deshalb geht während dieses Einlaufprozesses auch heute noch ein Großteil der Energie durch Reibung verloren. Zudem sind die Laufeigenschaften der Oberflächen vom Einfahrverhalten der Kunden abhängig. Für die Automobilbranche ist das ein kritisches Thema. Denn vor dem Hintergrund immer knapperer Ressourcen und der Notwendigkeit, CO2 einzusparen, steht die Reduzierung reibungsbedingter Verluste ganz oben auf der Entwicklungsagenda.
Forscher von fünf Fraunhofer-Instituten arbeiten im Rahmen des Projekts Triboman an neuen Werkstoffen, Fertigungsverfahren und Prozessen, die Verbrennungsmotoren tribologisch, also reibungstechnisch, optimieren sollen. Im Fokus stehen Bauteile, die besonders hoher Reibung ausgesetzt sind, wie etwa Zylinderlaufflächen. Der gemeinsame Ansatz ist laut Torsten Schmidt vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz, den Prozess der Randschichtbildung in die Fertigung vorzuverlegen.
Torsten Schmidt und sein Team haben in diesem Zusammenhang optimierte Fertigungstechnologien zur Präzisionsendbearbeitung entwickelt. Sie setzen für das Präzisionsbohren von Zylinderlaufflächen definierte Schneiden ein, deren Geometrie spezifisch ausgelegt wird. Dadurch wird eine sehr hohe Oberflächengüte erreicht. Außerdem werden gezielt die Kräfte des Zerspanungsprozesses genutzt, um die Kornfeinung, also das Verfestigen der Werkstoffe, bereits während der Fertigung herbeizuführen.
Mit Hilfe des neuen Verfahrens soll der Einfluss auf Reibung und Verschleiß von Motorkomponenten zukünftig gesteigert werden. Die Automobilindustrie käme damit ihrem Ziel, Energie effizienter zu nutzen und CO2 einzusparen, ein gutes Stück näher. Doch auch die Kunden profitieren davon. Die Einlaufzeiten neuer Motoren wären dann wesentlich kürzer. Das ist nicht nur komfortabler, sondern verringert auch die Gefahr eines vorzeitigen Verschleißes durch falsches Einfahren.
An einem Einzylinderversuchsmotor mit Zylinderlaufflächen aus Aluminium konnten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg bereits erste positive Auswirkungen einer solchen modifizierten Endbearbeitung nachweisen: So zeigten die Analysen der bearbeiteten Zylinderflächen, dass die Korngröße signifikant geringer ausfällt als bei herkömmlichen Verfahren. Die Oberflächenmikrogeometrie ist mit der von gut eingelaufenen Zylinderlaufflächen vergleichbar. Aktuell arbeiten die Forscher daran, ihr Verfahren neuen Entwicklungstrends in der Automobilfertigung anzupassen, beispielsweise der Einführung von Biokraftstoffen. Da bei Biokraftstoffen der Ethanolgehalt höher ist, werden mittlerweile die Aluminiumbauteile in der Regel mit einer Spritzschicht auf der Oberfläche versehen, um sie besser gegen Korrosion zu schützen.
Text zum Titelbild: Für das Präzisionsbohren von Zylinderlaufflächen kommen definierte Schneiden zum Einsatz, deren Geometrie spezifisch ausgelegt wurde. Dadurch kann eine sehr hohe Oberflächengüte erreicht werden / Bild: Fraunhofer-IWU
