Getrennt und dennoch Moment - Optimierung des Schleppmoments nasslaufender Lamellenkupplungen

Nasslaufende Lamellenkupplungen kommen aufgrund der hohen Leistungsdichte in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz. Die beim Schaltvorgang entstehende Reibungswärme wird dabei durch den meist zentral zugeführten Kühlölvolumenstrom abgeführt. Insbesondere im Fahrzeug- und Baumaschinenbereich wird die Kupplung jedoch auch oft im geöffneten Zustand betrieben. Die Differenzdrehzahl zwischen den Antriebs- und Abtriebslamellen führt dabei zu einer Scherung des Öls im Lüftspalt und somit zu einer ungewollten Momentübertragung. Zur Effizienzsteigerung von Getrieben ist es daher das Ziel, dieses Schleppmoment unter Beachtung der Funktionalität, des thermischen Haushalts und der jeweiligen Betriebsbedingungen auf ein Minimum zu reduzieren.

 

Das Schleppmoment

Kennzeichnend für geöffnete nasslaufende Lamellenkupplungen ist bei niedrigen (Differenz-)drehzahlen eine reine Ölströmung, welche bei Drehzahlzunahme durch den Zustrom von Luft in eine Zweiphasenströmung übergeht. Das erzeugte Schleppmoment wird hierbei von verschiedenen Parametern beeinflusst. Einen entscheidenden Faktor stellt die Viskosität des Kühlöls dar, welche jedoch meist durch die tribologische Funktionalität anderer Getriebebauteile bestimmt wird und somit nur in Grenzen verändert werden kann. Auch der Ölvolumenstrom durch die Kupplung beeinflusst das Schleppmoment, gleichzeitig aber auch die maximal auftretenden Temperaturen. Weiterhin wirkt sich ein möglichst großer und über das Lamellenpaket gleichmäßig verteilter Lüftspalt positiv aus. Neben diesen Parametern wird die radiale Ölströmung, die Öl-Luftverteilung im Lüftspalt und dadurch das Schleppmoment massiv durch die Kupplungslamellennutung beeinflusst.

Für den Optimierungsprozess der Kupplung hinsichtlich kleiner Schleppmomente und guter Kühlleistung sind genaue Kenntnisse über die jeweiligen strömungstechnischen Zusammenhänge notwendig. Dieses Wissen kann sowohl messtechnisch oder auch mithilfe von Simulationen aufgebaut werden.

 

Messtechnische Untersuchung der Einflussfaktoren

Zur Untersuchung der Schleppverluste werden häufig Gesamtkupplungsprüfstände eingesetzt. Diese liefern zwar Messwerte des realen Kupplungsbetriebs, der Blick in das Strömungssystem und damit die gezielte Beobachtung der Vorgänge im Lüftspalt bleibt jedoch verwehrt. Weiterhin beeinflussen verschiedene nicht quantifizierbare Phänomene wie Lamellentaumeln oder eine ungleichmäßige Verteilung des Lüftspalts im Lamellenpaket die Schleppmomentmesswerte, wobei eine nachträgliche Differenzierung der Einflussfaktoren nicht mehr möglich ist. Aus diesem Grund kommt am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie der Universität Magdeburg ein Einlamellenprüfstand zum Einsatz, mit welchem die verschiedenen Einflussparameter separat voneinander untersucht werden können. Der mögliche Einsatz einer Glasscheibe als Gegenkörper zur Kupplungslamelle erlaubt sowohl die visuelle Beobachtung der Strömung als auch die Aufzeichnung von Hochgeschwindigkeitsvideos. Die Auswertung dieser Aufnahmen in Kombination mit den gewonnenen Messergebnissen liefert die Grundlage für gezielte geometrische Veränderungen des Nutdesigns und weiterhin eine Möglichkeit zur Verifizierung und Weiterentwicklung des aufgebauten CFD - Berechnungsmodells.

Für die Untersuchungen am Prüfstand werden originale Kupplungslamellen mit Papierreibbelag eingesetzt, um Einflüsse des Fertigungsprozesses/-qualität und des Materials herauszuarbeiten.  Die mangelnde Fertigungsgenauigkeit der Papierlamellen verursacht jedoch eine gewisse Streubreite der Ergebnisse und aus statistischen Gründen eine größere Anzahl erforderlicher Versuche. Weiterhin sind der Herstellungsaufwand und die Kosten dieser Prototypen sehr groß. Aus diesen Gründen wurde ein Verfahren entwickelt, mit welchem die im CAD erstellten Nutgeometrien in einem 3D – Drucker gefertigt und direkt auf dem Prüfstand vermessen werden können. Untersuchungen haben gezeigt, dass eine gute Übertragbarkeit der Ergebnisse gegeben ist.
Neben der Verminderung der Schleppverluste durch Optimierung des Nutdesigns liegt der Fokus der messtechnischen Untersuchungen auch auf dem Vorgang der Kupplungslamellentrennung. Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Frage, inwiefern ein Nutdesign in der Lage ist, durch hydrodynamischen Druckaufbau eine Lamellentrennung zu unterstützen. Hierfür werden die von der Kupplungslamelle erzeugten axialen Kräfte für verschiedene Betriebsparameter und Nutdesigns messtechnisch erfasst. Ziel ist es, die bisher erforderliche Lamellenwellung zu vermeiden.

CFD - Simulation der Strömung

Aufgrund des finanziellen und zeitlichen Fertigungs- und Messaufwands wäre im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung für gegebene Betriebsbedingungen die Vorauswahl geeigneter Nutgeometrien durch Simulationen wünschenswert. Für eine hohe Aussagegüte ist dabei der Einsatz von komplexen CFD – Simulationen unumgänglich. Hierfür wurde ein 3D - Modell entwickelt, mit welchem die reale Nutgeometrie direkt abgebildet werden kann. Weiterhin werden die aus rheometrischen Messungen gewonnenen Ölparameter in die Simulation integriert und orts- bzw. zeitaufgelöst berücksichtigt. Eine große Herausforderung stellt die Simulation der Zweiphasenströmung des Öl-Luft-Gemisches dar. Es hat sich herausgestellt, dass trotz des hohen Berechnungsaufwands nur eine realitätsgetreue detaillierte Abbildung der Phasengrenzflächen und Phaseninteraktionsmechanismen zu sinnvollen Ergebnissen führt. Der große Vorteil dieser Berechnungsebene ist, dass neben dem Schleppmoment als integralem Wert auch Größen untersucht werden können, die am Prüfstand nicht oder nur schwer zugänglich sind. Hierzu zählen z.B. Temperatur-, Druck- und Phasenverteilungen und das dreidimensionale Strömungsfeld. Weiterhin ist ein solches Berechnungsmodell direkt in der Lage, hypothetische und am Einlamellenprüfstand nicht umsetzbare Szenarien, wie beispielsweise Abkühlvorgänge im geöffneten Zustand der Kupplung zu berechnen.

Aktuelle Weiterentwicklungen des Simulationsmodells betreffen die korrekte Auswahl und Parametrisierung der komplexen Teilmodelle zur Beschreibung der Phasengrenzflächen und die fortwährende Validierung anhand verschiedener Nutgeometrien. Forschungsziel ist ein mit Messwerten und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen validiertes, für alle Betriebszustände und Nutungen gültiges Berechnungswerkzeug.

 

Autoren des Artikels

 

Autor: Dipl.-Ing. Thomas Neupert, wissenschaftlicher Mitarbeiter, Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie, Institut für Maschinenkonstruktion, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

 

 

 

 Co-Autor: Prof. Dr.-Ing. habil. Dirk Bartel, Geschäftsführender Leiter, Institut für Kompetenz in AutoMobilität – IKAM sowie Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie, Institut für Maschinenkonstruktion, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg