Trends und Herausforderungen in der Kupplungssystementwicklung

Reibschlüssige Kupplungen stellen im Antriebsstrang eines der Teilsysteme mit der höchsten Komplexität dar. Die funktionsbestimmenden Friktionsmechanismen sind bis heute nicht vollständig und ganzheitlich verstanden. Gleichzeitig besteht ein Streben nach immer grenzwertigerer Auslegung sowie Steigerung der bauraum- und massenspezifischen Leistungsdichte. Dies führt zu permanent steigenden Anforderungen an die Reib- und Verschleißeigenschaften der Friktionspaarung - bei gleichzeitiger Zunahme der thermischen und mechanischen Beanspruchung. Um die steigenden Anforderungen erfüllen zu können müssen, sowohl die zulässige thermische und mechanische Beanspruchbarkeit bestehender Friktionspaarungen weiter ausgenutzt, als auch Friktionswerkstoffe mit höherer Leistungsfähigkeit entwickelt werden. Eine weitere Erhöhung der Leistungsdichte und Energieeffizienz kann auch durch zusätzliche Funktionsintegration erreicht werden - z.B. die Funktion Entkopplung von induzierten Drehschwingungen durch bedarfsgerecht geregelten Schlupfbetrieb. Neben diesen Trends führen neuartige Betriebsstrategien und damit verbundene neuartige Beanspruchungen - bspw. der Betrieb unter Mikroschlupf zur Verbesserung der Regelbarkeit von Kupplungssystemen - zu bisher unbekannten Phänomenen, welche Einfluss auf das Kupplungssystemverhalten haben. Die Reduzierung der Reibung im Triebstrang als wirkungsgradsteigernde Maßnahme führt zu geringeren Dämpfungswerten im Triebstrang. Die Folge ist, dass der Antriebsstrang noch sensitiver für Schwingungen wird, welche auch das Verhalten des gekoppelten Kupplungssystems beeinflussen. Diese Trends erfordern eine weitere zielgerichtete Erforschung der komplexen tribologischen Wirkmechanismen sowie der Wechselwirkungen des tribologischen Funktionskontakts mit dem Restsystem, dem Anwender bzw. der Anwendung und der Umgebung. Zukünftig wird das Kupplungssystem, gerade im Kontext Industrie 4.0, zunehmend als mechatronisches Funktionsmodul verstanden und dementsprechend konzeptioniert. Durch den Einsatz zusätzlicher Sensorik zur Zustandsüberwachung sollen zukünftig adaptive Steuerungs- und Regelungsansätze anstelle der bisherigen Steuerung mit fest hinterlegten Kennfeldern eingesetzt werden, zumindest aber vorhandene Strategien angepasst oder optimiert werden. Hierbei stellt das Kupplungssystem im regelungstechnischen Sinne ein nicht rückkopplungsfreies, steuer- und regelbares Übertragungsglied dar. Die „intelligente Kupplung“ soll künftig die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Robustheit weiter erhöhen und das Gesamtsystemverhalten verbessern.

Um den Forderungen nach immer kürzeren Entwicklungszeiten bei steigender Komplexität und gleichzeitiger Forderung nach einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit zu begegnen, wird eine effektive und effiziente Entwicklung und Validierung entscheidend sein. Das zukünftige Ziel wird die simulationsgestützte Entwicklung von Antriebssträngen bzw. Kupplungssystemen darstellen, d.h. es werden bereits in einer frühen Phase der Entwicklung Gesamtsystemmodelle zur ganzheitlichen Modellierung aufgebaut. Ganzheitliche Auslegungstools für trocken- und nasslaufende Kupplungssysteme, in welchen bspw. Mehrkörpermodelle mit Finite-Elemente-Modellen gekoppelt werden, sind momentan in der Entwicklung oder Gegenstand der Forschung. Allerdings gibt es neben den noch nicht verstandenen Mechanismen weitere, welche momentan nicht oder nur mit immens großem Aufwand, in mathematischen Modellen abgebildet bzw. beschrieben, und numerisch berechnet werden können. Aus diesem Grund wird die experimentelle Validierung von reibschlüssigen Kupplungen trotz dieser Trends hin zu simulationsgestützten Werkzeugen weiterhin eine zentrale Aktivität im Entwicklungsprozess darstellen. Den großen Unsicherheiten in dieser Entwicklungsphase kann nur durch frühzeitige Validierung zur Eigenschaftsabsicherung begegnet werden. Hierzu werden ständig neue Mess- und Analysemethoden sowie Validierungsumgebungen entwickelt. Ein Beispiel ist die faseroptische Messtechnik zur räumlich hochauflösenden Erfassung der Temperaturverteilung in den Gegenreibpartnern.

Darstellung der Temperaturverteilung über eine Messstrecke im Gegenreibpartner

Durch diese Analysemethode ist es möglich geworden, über die Temperaturmessung an mehreren Tausend Messstellen in den Gegenreibpartnern die Temperaturverteilung im Kupplungssystem zeitlich und räumlich hochauflösend darzustellen. Dadurch können bspw. thermomechanische Verformungen und Traganteilsänderungen hochauflösend erfasst werden und direkt in den Entwicklungsprozess einfließen. Dieses Vorgehen wird auch als „Test-Based-Development“ bezeichnet.

Autor des Artikels:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Albert Albers
Dipl.-Ing. Sascha Ott
M.Sc. Michael Basiewicz

IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)