Gebrauchsdauer von additivierten Grundölen bei elektro-mechanischer Beanspruchung

Die Bundesrepublik Deutschland nimmt als bevölkerungsreichster und wirtschaftsstärkster Mitgliedsstaat der EU eine wichtige Rolle in der EU-Klimapolitik ein. Angesichts des zunehmenden Klimawandels hat sie sich das ehrgeizige Ziel gesetzt ihre CO2-Emissionen bis zum Jahre 2030 im Vergleich zu 1990 um mindestens 55 % zu reduzieren. Auch der Verkehrssektor soll u.a. durch eine Reduzierung der CO2-Emissionen einen großen Beitrag zum Erreichen der Klimaziele beitragen. Vor diesem Hintergrund rückt die E-Mobilität immer stärker in den Fokus der Politik und den Automobilherstellern. Der Betrieb von Elektrofahrzeugen, die mit Strom aus erneuerbaren Quellen betrieben werden, verursacht im Vergleich zu Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor deutlich geringere CO2-Emissionen.
In Elektrofahrzeugen kommen überwiegend Wechselstrommotoren zum Einsatz. Die Steuerung dieser stufenlos drehzahlvariablen Elektromotoren erfolgt über moderne Frequenzumrichter, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen. Dadurch können jedoch parasitäre elektrische Ströme entstehen, die auch durch die, im E-Motor verbauten, Wälzlager fließen und sowohl das Lager als auch den darin befindlichen Schmierstoff beschädigen. In der Lagerlebensdauerberechnung werden Belastungen durch parasitäre Wälzlagerströme bisher nicht bzw. nur unzureichend berücksichtigt. Dies kann zu unerwarteten Lagerausfällen führen, die mit einem zeit- und kostenintensiven Stillstand des Fahrzeugs verbunden sind. Wirkungsvolle Lösungen zur Unterdrückung oder deutlichen Abminderung der Lagerströme sind beispielsweise Potenzialausgleichselemente, Hybrid- oder Keramiklager. Ihr Einsatz ist jedoch u.a. mit einer hohen Wartungsintensität und Kosten verbunden.
Daher gewinnt in diesem Zusammenhang der Schmierstoff im Wälzlager immer stärker an Bedeutung. Dieser kann, abhängig von seiner Zusammensetzung und seinen Eigenschaften, elektrisch leitend oder isolierend wirken und somit die Ausbreitung und Intensität von Lagerströmen maßgeblich mit beeinflussen. Beim Einsatz eines isolierenden, nicht leitfähigen Schmierstoffes kann der Schmierfilm im Wälzlager kapazitiv aufgeladen werden. Wird die Isolierfähigkeit des Schmierfilms überschritten, treten Entladeströme zwischen den, vom Schmierfilm getrennten, metallischen Wälzlagerbauteilen auf. Es handelt sich hierbei um sogenannte Funkenerosionsströme, die erhebliche Schäden im Lager (Krater-, und Riffelbildung in der Lagerlaufbahn, Schmierstoffoxidation, etc.) verursachen. Mit Hilfe elektrisch leitfähiger Schmierstoffe soll eine solche kapazitive Aufladung des Schmierfilms verhindert werden. Dies wird von den Schmierstoffherstellern durch die Hinzugabe von speziellen Additivpaketen ins Grundöl realisiert. Dadurch können die (elektrischen) Eigenschaften von Wälzlagerschmierstoffen an die jeweilige Umgebungs- und Betriebsbedingungen angepasst werden. Bei der Schmierung von Lagern in einem Elektromotor handelt es sich üblicherweise um eine Lebensdauerschmierung. Unter elektrischer Belastung ist die Langzeitwirkung solcher additivierten Schmierstoffe noch nicht ausreichend erforscht. Daher sollen im Rahmen des anvisierten Forschungsprojekts verschiedene Schmierstoffanalysemethoden zur Untersuchung der im Wälzkontakt bei elektrischer Belastung gealterten additivierten Schmierfett Grundöle angewendet und miteinander verglichen werden umso analytische Methoden und Grundlagen zur Bestimmung der kritischen Schmierstoffnutzungsdauer zu erarbeiten. Die Ölalterung erfolgt bei definierten elektrisch-tribologischen Zuständen.

Vor diesem Hintergrund sollen im Rahmen des anvisierten Forschungsprojekts additivierte Schmierfett-Grundöle unterschiedlicher Zusammensetzung definiert gealtert und hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften analysiert werden. Hierzu wurden am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik der TU Kaiserslautern mehrere Prüfstände entwickelt und aufgebaut, die elektrischen Bedingungen im Wälzlager von umrichtergespeisten Elektromotoren realitätsnah abbilden. Diese zeichnen sich unteranderem darin aus, dass, im Gegensatz zum realen Elektromotor, die elektrischen und mechanischen Betriebsbedingungen unabhängig voneinander variiert werden können und somit ein weites Parameterfeld unabhängig voneinander (elektrische / mechanische Variation) gezielt untersucht werden kann. Unter Zuhilfenahme der verfügbaren Prüftechnologie und Messmethodik sollen die folgenden Entwicklungsziele erreicht werden:

• Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der Schmieröle an einem dafür entwickelten Spezialprüfstand


• Alterung von Schmierfett-Grundölen unter definierten und reproduzierbaren elektro-mechanischer Belastung


• Abgleich der Alterungsmechanismen mit rein mechanisch beanspruchten Schmierfett Grundölen


• Ableitung der Lebensdauerreduzierung basierend auf der elektrischen Zusatzbeanspruchung unter Zuhilfenahme diverser Analysemethoden wie:  IR-Spektrosgrafie,  ICP-Analyse,  Rheologische Untersuchungen,  RULER-Verfahren,  NMR-Spektroskopie

Das Vorhaben hat zum 1. Oktober 2023 den Zuwendungsbescheid des BMWK erhalten.