Was tun wenn’s reibt – Beherrschung des thermischen Haushalts nasslaufender Lamellenkupplungen in neuen Anwendungen

Nasslaufende Lamellenkupplungen sind als Lastschaltelemente oder Überlastkupplungen wichtige Komponenten in Industrie- und Fahrzeugtechnik. Mit dem Ziel der Leistungssteigerung finden neben optimierten Belägen und Schmierstoffen auch neuartige Nutbilder Anwendung. Zugleich steht die Reduktion der Kühlölvolumenströme aus Gründen der Energieeffizienz im Fokus, wobei Funktions- und Lebensdauerverhalten von Lamellenkupplungen maßgeblich durch deren thermischen Haushalt bestimmt werden.

Der thermische Haushalt nasslaufender Lamellenkupplungen

Die thermischen Verhältnisse in einer nasslaufenden Lamellenkupplung sind von einer Vielzahl an Parametern abhängig. Die mechanischen Beanspruchungen und damit der Energieeintrag im Reibkontakt wirken sich maßgeblich auf die sich ausbildenden Spitzentemperaturen aus. In Abhängigkeit von Lamellenausführung (Baugröße, Reibflächenanzahl, Reibwerkstoff, Nutbild,…) und Beölungssituation finden unterschiedlich ausgeprägte Wärmeabfuhr und -verteilung in der Kupplung statt. Somit ist die Kenntnis des thermischen Verhaltens nicht nur in der Reibphase sondern auch in der Kühlphase von großer Bedeutung. Hierbei ist oft die Betrachtung eines einzelnen Lastzyklus nicht ausreichend; die Temperaturverteilung in der Kupplung ist abhängig von dem Verhältnis aus eingebrachter Energie und Art und Dauer der Kühlphasen im Lastkollektiv. Somit haben der Schaltablauf (Taktzeiten, Kühlphasen, Lastfolgen, Drehzahlverhältnisse,…) und die Betriebsbedingung (Brems-, Kupplungs- oder Schlupfbetrieb) einen maßgeblichen Einfluss auf den thermischen Haushalt der Kupplung.

Temperatur als Schädigungskriterium

Funktion und Lebensdauer der Kupplungen hängen maßgeblich von den auftretenden Temperaturen im Kupplungspaket ab. Werden kritische Temperaturen überschritten, so kann es zu einem Verbrennen des Schmierstoffs im Reibkontakt und in der Folge zu einem Zusetzen der Belagporosität mit Ölcrackprodukten kommen. Eine verstärkte Einglättung des Belages sowie zunehmender Verschleiß sind ebenfalls Folgen einer thermischen Überlastung des Reibsystems. Neben diesen Langzeitschäden kann auch thermisch bedingte Spontanschädigung der Kupplungen auftreten. Typische Beispiele sind hier das Auftreten von Hot Spots bei Papierreibbelägen und Sinterübertrag bei Sinterreibbelägen.

Ermittlung des thermischen Haushalts

Eine messtechnische Erfassung der Temperaturen in einer Kupplung ist aufgrund der kompakten Bauteile und des Aufbaus mit drehenden Teilen anspruchsvoll und aufwändig. Schnelle Temperaturänderungen bei gleichzeitig großen Temperaturdifferenzen erfordern eine hohe Dynamik der Messtechnik bei drahtloser Signalübertragung und kompaktem Aufbau. Die direkte Messung der in der Reibfläche auftretenden Maximaltemperaturen ist in der Praxis nicht sinnvoll möglich, da das Einbringen einer Messstelle in den Reibkontakt gleichzeitig eine Störung des tribologischen Kontakts und damit eine Verfälschung der Messergebnisse mit sich bringt. Eine Messung erfolgt deswegen typisch an einer Messstelle innerhalb einer Lamelle. Für Aussagen über die Temperaturverteilung und insbesondere thermische Asymmetrien in der Kupplung sind mehrere Messstellen erforderlich, wodurch sich der Aufwand weiter erhöht. Zudem können Messungen erst durchgeführt werden, wenn reale Bauteile vorliegen. Extrapolationen auf andere Baugrößen, Geometrien oder Betriebszustände sind nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.

Eine thermische Simulation liefert Kenntnisse über die Temperaturverteilung in der Kupplung. Dazu müssen neben der entsprechenden Modellierung die Betriebsparameter und Stoffwerte bekannt sein. Dies erfordert einen hohen Wissensstand und viel Erfahrung. Insbesondere die korrekte Abbildung von Wärmeübergangsverhältnissen zwischen Reibflächen und Kühlöl im Allgemeinen und der durch das Nutbild bedingte Kühlölstrom durch die geschlossene Kupplung stellen hierbei Herausforderungen dar. Möglichkeiten einer verlässlichen Ermittlung dieser Größen werden im Beitrag „Kühlverhalten nasslaufender Lamellenkupplungen in neuen Anwendungen“ auf der VDI-Fachtagung „Kupplungen und Kupplungssysteme in Antrieben 2017“ vorgestellt.

Das FVA-Programm KUPSIM ermöglicht die thermische Simulation nasslaufender Lamellenkupplungen. Das Berechnungsprogramm basiert auf den Ergebnissen wissenschaftlicher Forschungsvorhaben und wurde im Rahmen mehrerer FVA-Vorhaben entwickelt und umfangreich validiert. Das Programm beinhaltet alle wichtigen Betriebsfälle nasslaufender Lamellenkupplungen (Lastschaltung in Brems- und Kupplungsbetrieb, Dauerschlupfbetrieb). Zur detaillierten Abbildung des Reibvorgangs besteht die Möglichkeit der Vorgabe variabler Verläufe von Reibungszahl, Pressung, Antriebs- und Abtriebsmoment. Die Temperaturverteilung in der Kupplung kann unter Berücksichtigung von Wärmeströmen in axiale Anschlussbauteile (Kolben,…) und radiale Anschlussbauteile (Mitnehmer) berechnet werden. Der Wärmeübergang an das die Kupplung durchströmende Kühlöl ist in der Modellbildung differenziert abgebildet und durch eine Wärmeübergangszahl α charakterisiert. Ölstaueffekte werden programmintern ebenfalls berechnet und finden Berücksichtigung in der thermischen Simulation.

Ausblick

Temperaturmessungen und thermische Simulationen werden typischerweise bei der Auslegung der Kupplungen durchgeführt. Hierbei finden nur die Betriebszustände Berücksichtigung, die im Entwicklungsprozess bereits als Anforderungen an die Kupplung bekannt sind. Treten im Betrieb der Kupplung Betriebssituationen auf, die bei der Auslegung nicht berücksichtigt wurden, kann es zu einer Schädigung und im schlimmsten Fall zu einem Funktionsausfall der Kupplung kommen.
Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich mit der Umsetzung eines Temperaturmodells, das eine OnLine-Temperaturberechnung und -prädiktion nasslaufender Lamellenkupplungen realisiert. Ziel hierbei ist es, die thermischen Verhältnisse in der Kupplung in Echtzeit zu berechnen sowie potentiell auftretende Betriebszustände im Voraus zu berücksichtigen. Durch die Hinterlegung eines Schädigungsmodells können diese vorhergesagten Betriebszustände bezüglich ihrer Kritikalität bewertet und gegebenenfalls verhindert werden.

Autoren des Artikels

VölkelAutor: Dipl.-Ing. Katharina Völkel, Teamleiterin Kupplungsberechnung, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau

StahlCo-Autor: Prof. Dr.-Ing. K. Stahl, Ordinarius, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau