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ID 6739
Heun, Michael: Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Hamburg: Diplomica GmbH, 2003
Zugl.: Weingarten, Fachhochschule, Diplomarbeit, 2002
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2003
Printed in Germany
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
1
Verzeichnisse
1.1
Inhaltsverzeichnis
1
VERZEICHNISSE 2
1.1
I
NHALTSVERZEICHNIS
2
1.2
A
BBILDUNGSVERZEICHNIS
6
1.3
V
ERZEICHNIS DER
D
IAGRAMME
8
1.4
V
ERZEICHNIS DER
T
ABELLEN
8
2
EINLEITUNG UND GRUNDLAGEN
9
2.1
V
ORWORT
9
2.2
B
ESCHREIBUNG DER
D
IPLOMARBEIT
10
2.3
A
LLGEMEINE
G
RUNDLAGEN
10
2.3.1 D
IE
P
ROBLEME MIT DER
R
EIBUNG
10
2.3.2 P
ROBLEME WÄHREND DER
S
TARTPHASE DES
V
ERBRENNUNGSMOTORS
10
2.3.3 P
ROBLEME WÄHREND DER
A
USLAUFPHASE
12
2.3.4 P
ROBLEME BEI
F
AHRZEUGEN MIT
A
BGASTURBOLADERN
15
2.3.5 Z
EITLICHE
B
ETRACHTUNG EINES
M
OTORKALTSTARTS
16
2.4
D
ERZEITIGER
S
TAND DER
S
CHMIERTECHNIK
17
2.4.1 V
IERTAKTVERFAHREN
18
2.4.1.1 Druckumlaufschmierung
18
2.4.1.2 Trockensumpfschmierung
18
2.4.2 Z
WEITAKTVERFAHREN
19
2.4.2.1 Mischungsschmierung
19
2.4.2.2 Frischölschmierung
19
2.5
U
NTERSCHEIDUNGEN BEI DER
D
RUCKUMLAUFSCHMIERUNG
19
2.5.1 H
YDRODYNAMISCHE
S
CHMIERUNG
20
2.5.2 H
YDROSTATISCHE
S
CHMIERUNG
21
2.5.3 D
IREKTER
V
ERGLEICH DER BEIDEN
S
CHMIERSYSTEME
23
2.6
U
RSACHEN
, F
OLGEN UND
R
EDUZIERUNG DES
V
ERSCHLEIßES
25
2.6.1 U
RSACHEN DES
V
ERSCHLEIßES
25
2.6.2 D
IE
F
OLGEN DER
F
ESTKÖRPERREIBUNG
26
2.6.3 R
EDUZIERUNG DES
V
ERSCHLEIßES
27
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
2
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
2.6.3.1 Verschleißreduzierung durch Additive
28
2.6.3.2 Verschleißreduzierung durch Vorwärmsysteme
31
2.6.3.3 Reduzierung der Literleistung
32
2.7
V
ERSUCHSBESCHREIBUNG
34
2.7.1 D
ER
V
ERSUCHSMOTOR IM
KFZ L
ABOR
34
2.7.2 D
IE
P
RÜFSTANDSOFTWARE
35
2.7.3 T
ECHNISCHE
D
ATEN DES
V
ERSUCHSMOTORS
37
2.7.4 D
ER
V
ERSUCHSMOTOR IM
L
ÄNGSSCHNITT
38
2.7.5 D
ER
V
ERSUCHSMOTOR IM
Q
UERSCHNITT
39
2.7.6 D
IE
Ö
LWANNE DES
V
ERSUCHSMOTORS
40
2.7.7 S
CHMIERÖLZUFÜHRUNG DES
V
ERSUCHSMOTORS
(D
RUCKSEITE
) 41
2.7.8 S
CHMIERÖLFÖRDERUNG DES
V
ERSUCHSMOTORS
(S
AUGSEITE
) 41
2.7.9 E
RWARTUNGEN DER
U
NTERSUCHUNGEN
41
2.7.9.1 Verschleißreduzierung
42
2.7.9.2 Wirkungsgradverbesserung
43
3
KONSTRUKTION 44
3.1
A
USWAHL DER
S
CHMIERMITTELPUMPE
44
3.1.1 A
NFORDERUNGEN AN DIE ELEKTRISCHE
Ö
LPUMPE
44
3.1.2 A
USWAHL UNTER
B
ERÜCKSICHTIGUNG DER
A
NFORDERUNGEN
46
3.2
A
USLEGUNG DER
H
YDRAULIK
47
3.2.1 E
RMITTLUNG DER
S
TRÖMUNGSART
47
3.2.2 E
RMITTLUNG DER
S
TRÖMUNGSVERLUSTE
(S
AUGSEITE
) 48
3.2.3 E
RMITTLUNG DER
S
TRÖMUNGSVERLUSTE
(D
RUCKSEITE
) 48
3.3
T
ECHNISCHE
U
MSETZUNG
51
3.3.1 E
XPLOSIONSDARSTELLUNG
51
3.3.2 B
ESCHREIBUNG DER
F
UNKTIONSWEISE
52
3.3.3 B
ESCHAFFUNG DER
B
AUELEMENTE
(A
NFORDERUNGSLISTE
) 55
3.3.4 T
ECHNISCHE
Z
EICHNUNGEN FÜR DIE
F
ERTIGUNG
57
3.3.4.1 Anschlussplatte Pos.-Nr.1 DIN A2 Format
57
3.3.4.2 Distanzstück Pos.-Nr.6 DIN A4 Format
58
3.3.4.3 Anschlussflansch Pos.-Nr.8 DIN A4 Format
59
3.3.4.4 Verbindungsrohr Pos.-Nr.4 DIN A4 Format
60
3.3.4.5 Ventilanschluss Pos.-Nr. 15 DIN A4 Format
61
3.3.4.6 Gesamtbaugruppe DIN A2 Format
62
3.3.4.7 Pumpenhalterung Pos Nr.- 10 DIN A2
63
3.3.5 S
ONSTIGE TECHNISCHE
Z
EICHNUNGEN
64
3.3.5.1 Ölpumpe Firma Stoz Pos.-Nr. 18
64
3.3.5.2 Überdruckventil Firma Stoz Pos.-Nr.9
65
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
3
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
3.4
I
NTEGRATION EINER
S
ICHERHEITSSCHALTUNG
66
4
FERTIGUNG, MONTAGE UND PROBELAUF
69
4.1
F
ERTIGUNG
69
4.2
M
ONTAGE
71
4.3
P
ROBELAUF
73
4.3.1 E
RSTER
P
ROBELAUF DER
P
UMPE
73
4.3.2 E
RSTER
P
ROBELAUF DES
M
OTORS
74
4.3.3 Z
WEITER
P
ROBELAUF DES
M
OTORS
76
4.3.4 Ü
BERPRÜFUNG DER
S
ICHERHEITSSCHALTUNG
77
5
PRÜFSTANDSVERSUCHE 78
5.1
V
ERGLEICH DER BEIDEN
A
NTRIEBSSYSTEME
78
5.1.1 E
LEKTRISCHER
P
UMPENANTRIEB
79
5.1.1.1 Lastfrei
M=0Nm
79
5.1.1.2 Last
M=50Nm
80
5.1.1.3 Last
M=100Nm
82
5.1.2 U
NTERSUCHUNG DES
Ö
LDRUCKS BEI EL
. P
UMPENANTRIEB
83
5.1.2.1 Einfluss der Öltemperatur auf den Öldruck
84
5.1.2.2 Einfluss der Drehzahl auf den Öldruck.
86
5.1.2.3 Einfluss der Belastung auf den Öldruck
88
5.1.2.4 Elektrische
Pumpenleistung
90
5.1.3 M
ECHANISCHER
P
UMPENANTRIEB
91
5.1.3.1 Lastfrei
M=0Nm
91
5.1.3.2 Last
M=50Nm
92
5.1.3.3 M=Last
100Nm
93
5.1.4 V
ERGLEICHSMESSUNGEN
93
5.1.4.1 Entwicklung der Öltemperatur
94
5.1.4.2 Vergleich des Kraftstoffverbrauchs
99
5.1.4.3 Vergleich des spez. Kraftstoffverbrauchs
101
5.1.4.4 Vergleich der Motorleistung
103
5.2
Z
EITVERLAUF DES
Ö
LDRUCKAUFBAUS
107
5.2.1 Ö
LDRUCKAUFBAU MIT
S
ICHERHEITSSCHALTUNG
107
5.2.2 Ö
LDRUCKAUFBAU OHNE
S
ICHERHEITSSCHALTUNG
108
5.3
K
RITISCHE
B
ETRACHTUNG DER
E
RGEBNISSE
112
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
4
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
6
SCHLUSSBETRACHTUNG 113
6.1
B
ETRACHTUNG DES
V
ERSCHLEIßES
113
6.1.1 M
OTORVERSCHLEIßBERECHNUNG EINES
K
URZSTRECKENFAHRERS
116
6.1.2 M
OTORVERSCHLEIßBERECHNUNG EINES
L
ANGSTRECKENFAHRERS
117
6.1.3 A
BSCHLIEßENDE
Ü
BERLEGUNG
118
6.2
A
USBLICK AUF DIE
Z
UKUNFT
121
6.3
G
EGENÜBERSTELLUNG VON
P
RO UND
C
ONTRA
124
6.4
A
BSCHLIEßENDE STICHPUNKTARTIGE
G
EGENÜBERSTELLUNG
125
6.4.1 V
ERSCHLEIßREDUZIERUNG
125
6.4.2 W
IRKUNGSGRAD WIRD VERBESSERT
125
6.4.3 S
ONSTIGES
125
6.5
E
HRENWÖRTLICHE
E
RKLÄRUNG
125
7
QUELLENANGABE UND LIEFERANTEN
126
7.1
Q
UELLENANGABE
126
7.2
L
IEFERANTEN
128
7.3
B
ERATENDE
U
NTERNEHMEN
129
7.4
A
NGEWANDTE
S
OFTWARE
129
8
ANHANG 130
8.1
M
ESSWERTTABELLEN
(O
RIGINALDRUCKE
) 130
8.2
T
ECHNISCHE
Z
EICHNUNGEN
130
8.3
D
ATENTRÄGER
130
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
5
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
1.2
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2-1: Kräfteschema ... 11
Abbildung 2-2: Wirkschema der Flüssigkeitsschmierung ... 11
Abbildung 2-3: Flüssigkeitsreibung... 12
Abbildung 2-4: Festkörperreibung ... 12
Abbildung 2-5: Mischreibung ... 12
Abbildung 2-6: Druckumlaufschmierung ... 18
Abbildung 2-7: Drucktaschen... 21
Abbildung 2-8: Druckverteilung im Hydrostatischen Lager ... 22
Abbildung 2-9: Mehrere Pumpen... 22
Abbildung 2-10: Einbau von Drosseln ... 22
Abbildung 2-11: Verschleiß 3. Zylinder... 26
Abbildung 2-12: Verschleiß 5. Zylinder... 27
Abbildung 2-13: Hochdruckzusatz ,,Motor up"... 28
Abbildung 2-14: T-Plus GRS 900 ... 29
Abbildung 2-15: WarmUp Fa. DEFA... 32
Abbildung 2-16: Der Versuchsmotor im KFZ Labor ... 34
Abbildung 2-17: Prüfstandsoftware Ottomotor (Menü Armaturen)... 35
Abbildung 2-18: Prüfstandsoftware Ottomotor (Menü Messung) ... 36
Abbildung 2-19: M111 im Längsschnitt... 38
Abbildung 2-20: M111 im Querschnitt ... 39
Abbildung 2-21: Ölflüssigkeitstandssensor ... 40
Abbildung 2-22: Schmieröldurchführung ... 40
Abbildung 2-23: Schmierölzuführung... 41
Abbildung 3-1: Hydraulikpumpe Fa. Stoz ... 46
Abbildung 3-2: Explosionsdarstellung der Baugruppe ... 51
Abbildung 3-3: Explosionsdarstellung der Baugruppe ... 52
Abbildung 3-4: Ölwanne mit integrierter Baugruppe ... 53
Abbildung 3-5: Ölwanne mit integrierter Baugruppe ... 54
Abbildung 3-6: Baugruppe ... 54
Abbildung 3-7: Baugruppe im Schnitt ... 54
Abbildung 4-1: Gesamtbaugruppe... 69
Abbildung 4-2: Anschlussflansch... 69
Abbildung 4-3: Schablone für die Fertigung... 70
Abbildung 4-4: Baugruppe Innen ... 71
Abbildung 4-5: Baugruppe angeflanscht... 71
Abbildung 4-6: Einbau Bild 1 ... 71
Abbildung 4-7: Einbau Bild 2 ... 71
Abbildung 4-8: Kurbelwelle von hinten ... 72
Abbildung 4-9: Kurbelwelle von unten ... 72
Abbildung 4-10: Gesamtansicht der Ölwanne und Baugruppe ... 72
Abbildung 4-11: Angeschlossene Ölpumpe... 73
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
6
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
Abbildung 4-12: Angeschlossene Ölpumpe... 73
Abbildung 4-13: Niedrige Lagerdrehzahl ... 75
Abbildung 4-14: Hohe Lagerdrehzahl ... 75
Abbildung 4-15: Messung bei 5000min
-1
... 76
Abbildung 5-1: Defekter Pumpenrotor ... 81
Abbildung 5-2: 120°C Öltemperatur el. Pumpenantrieb... 83
Abbildung 5-3: Keithley 775A ...108
Abbildung 6-1: Auszug TDv Seite 179...119
Abbildung 6-2: Auszug TDv Leopard 2...120
Abbildung 6-3: Auszug aus VDI Jahrbuch 2000 Fahrzeug und Verkehrstechnik...123
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
7
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Verzeichnisse
1.3
Verzeichnis der Diagramme
Diagramm 2-1: Stribeck-Kurve ... 13
Diagramm 2-2: Errechnetes Kennfeld der Übergangsdrehzahl für 10W50... 14
Diagramm 2-3: Reibmoment... 24
Diagramm 2-4: Abhängigkeit der dynamischen Viskosität von der Temperatur ... 30
Diagramm 5-1: Öldruck in Abhängigkeit der Öltemperatur ... 84
Diagramm 5-2: Öldruck in Abhängigkeit der Motordrehzahl ... 86
Diagramm 5-3: Öldruck in Abhängigkeit des Drehmoments ... 88
Diagramm 5-4: Pumpenleistung in Abhängigkeit der Öltemperatur... 90
Diagramm 5-5: Entwicklung der Öltemperatur (Mittelwerte) ... 95
Diagramm 5-6: Ölwärmeverluste in °C ... 96
Diagramm 5-7: Entwicklung der Öltemperatur bei M=0Nm ... 97
Diagramm 5-8: Entwicklung der Öltemperatur bei M=50Nm ... 97
Diagramm 5-9: Entwicklung der Öltemperatur bei M=100Nm ... 98
Diagramm 5-10: Kraftstoffverbrauch bei M=50Nm ...100
Diagramm 5-11: Kraftstoffverbrauch bei M=100Nm ...100
Diagramm 5-12: b
e
bei M=50Nm ...102
Diagramm 5-13: b
e
bei M=100Nm ...102
Diagramm 5-14: Verbesserung der Motorleistung bei M=50Nm...105
Diagramm 5-15: Verbesserung der Motorleistung bei M=100Nm...106
Diagramm 5-16: Zeitverlauf des Druckaufbaus ...110
Diagramm 5-17: Druckangebot und Druckbedarf ...111
1.4
Verzeichnis der Tabellen
Tabelle 2-1: Vergleich von Hydrodynamik und Hydrostatik ... 23
Tabelle 5-1: Messwerte bei M=0Nm (elektrischer Pumpenantrieb) ... 79
Tabelle 5-2: Messwerte bei M=50Nm (elektrischer Pumpenantrieb) ... 80
Tabelle 5-3: Messwerte bei M=100Nm (elektrischer Pumpenantrieb) ... 82
Tabelle 5-4: Messwerte bei M=0Nm (mechanischer Pumpenantrieb) ... 91
Tabelle 5-5: Messwerte bei M=50Nm (mechanischer Pumpenantrieb) ... 92
Tabelle 5-6: Messwerte bei M=100Nm (mechanischer Pumpenantrieb) ... 93
Tabelle 5-7: Entwicklung der Öltemperatur... 94
Tabelle 5-8: Kraftstoffverbrauch bei 50 und 100Nm ... 99
Tabelle 5-9: b
e
bei 50Nm und 100Nm...101
Tabelle 5-10: Gemessene Werte Druckaufbauzeit ...109
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
8
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
2
Einleitung und Grundlagen
2.1
Vorwort
An dieser Stelle möchte ich allen danken, die mich bei der Erstellung dieser
Diplomarbeit unterstützt haben. Besonders meine Frau Birgit verschaffte mir
den nötigen Freiraum, ohne den eine Verwirklichung der Arbeit, in dieser
knapp bemessenen Zeitspanne, nicht möglich gewesen wäre. Des weiteren
wurde ich auch von Unternehmen mit Informationen versorgt, die ich für die
wissenschaftliche Betrachtung benötigte. Insbesondere die Firma Stoz GmbH
Weingarten, versorgte mich nicht nur mit Informationen, sondern sponserte
auch wichtige Bauelemente der Konstruktion. Namentlich möchte ich Herrn
Professor Pfeifer, für die Ermöglichung dieses interessanten Themas, sowie
den Mitarbeitern des Kraftfahrzeug-Labors und der Fertigungswerkstatt der
Fachhochschule Ravensburg-Weingarten, für die Unterstützung bei dieser Ar-
beit danken. Die Durchführung dieser Arbeit deckte ein breites Spektrum der
Ingenieurtätigkeit ab. Eine gewisse Einarbeitungszeit in die Schmier- und
Gleitlagertechnik war hierbei für die Verwirklichung nötig, wobei ich vorwie-
gend auf das Lehrbuch von Steinhilper ,,Maschinen- und Konstruktionselemen-
te 3: Reibung, Schmierung und Lagerungen" zurückgriff. Die zeitliche Auftei-
lung gliederte sich dabei in etwa wie folgt:
Aufteilung der Diplomarbeit
Versuchs-
auswertung
15%
Planung/Konstruktion
30%
Erarbeitung von
Grundlagen
15%
Dokumentation
10%
Versuchs-
durchführung
10%
Fertigung, Montage
20%
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
9
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
2.2
Beschreibung der Diplomarbeit
In dieser Diplomarbeit wird versucht den Motorverschleiß während der Start-
und Auslaufphase eines Viertaktakt-Ottomotors zu reduzieren. Des weiteren
wird erforscht, ob eine Druckumlaufschmierung mit einer von der Motordreh-
zahl abhängigen und mechanisch angetriebenen Ölförderpumpe, in Bezug auf
Motorverschleiß und Motorgesamtwirkungsgrad, noch zeitgemäß ist.
Um die späteren Versuche sinnvoll durchzuführen und die daraus resultieren-
den Ergebnisse folgerichtig zu deuten, beschreibe ich in Kapitel 2 zunächst
Grundlagen und Unterschiede in der Schmiertechnik. Nur durch entsprechen-
de Hintergrundinformationen ist es nicht nur für mich, sondern auch für den
Leser dieser Diplomarbeit möglich, die entsprechenden Versuchsergebnisse
sachlich objektiv zu interpretieren und die Zusammenhänge zu verstehen.
2.3
Allgemeine Grundlagen
2.3.1 Die Probleme mit der Reibung
Reibungsprobleme sind in der Lager- und Antriebstechnik von großer Bedeu-
tung, denn die Reibung in den Gleitlagern ist verantwortlich für den Verschleiß
und die Leistungsverluste des Motors und beeinflussen somit direkt den Wir-
kungsgrad des Triebwerks. In einem Kraftfahrzeugmotor treten Reibungsprob-
leme hauptsächlich im Bereich Kolben/Zylinder, in der Kurbelwellenlagerung,
Pleuellagerung, Nockenwellenlagerung sowie im Kolbenbolzenbereich auf.
Um einen reibungslosen bzw. verschleißarmen Lauf zu garantieren, müssen
die beiden Reibpartner durch einen tragenden Schmierölfilm vollkommen von-
einander getrennt werden.
2.3.2 Probleme während der Startphase des Verbrennungsmotors
Beim Starten des Triebwerks entstehen in den verschiedenen Lagern des Mo-
tors Kräfte. Durch die gegensätzliche Bewegungsrichtung der Lagerschale
zum Lager entsteht eine Reibungskraft F
R
, die mit zunehmender Normalkraft
F
N
proportional zunimmt. Beim Ottomotor ist die Normalkraft vom Verbren-
nungsdruck und der Kolbenfläche abhängig. Diese Normalkraft wird über den
Kolbenbolzen und die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen.
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
10
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
Abbildung 2-1: Kräfteschema
Um nun den Verschleiß zwischen Lagerschale und Lager zu minimieren wird
Schmieröl zwischen die beiden Komponenten gefördert.
Abbildung 2-2: Wirkschema der Flüssigkeitsschmierung
Wie beim Aquaplaning schwimmt das Lager auf einem Schmierölfilm, der sich
in der Lagerschale befindet, auf und verhindert dadurch eine direkte Berüh-
rung von Lagerschale und Lager. Es bildet sich ein sogenannter tragender
Schmierkeil, welcher aber eine Bewegung der beiden Reibkomponenten vor-
aussetzt. Im Schmierkeil entsteht ein Lagerinnendruck, dessen Größe fast
ausschließlich von der Relativgeschwindigkeit der Reibpartner abhängt und im
Betrieb über einhundert bar betragen kann.
Moderne Verbrennungsmotoren werden daher über eine Druckumlaufschmie-
rung mit Schmieröl versorgt. Eine mechanisch angetriebene Ölpumpe stellt
den Öldruck sicher, der für die Schmierung von Gleitlagern unerlässlich ist.
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
11
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors ist die Schmierung der Gleit-
lager ausreichend gewährleistet, da die vom Motor angetriebene Ölpumpe die
Lager mit Schmieröl versorgt (Abb. 2-3).
Abbildung 2-3: Flüssigkeitsreibung
In der Startphase allerdings ist noch kein Öldruck im Schmiersystem vorhan-
den, da sich der Motor erst drehen muss, um die Ölpumpe anzutreiben. Auch
wenn sich die Ölpumpe dreht, dauert es doch einen gewissen Zeitraum, bis
sich der Öldruck im gesamten System aufgebaut hat.
Während des Startvorgangs kommt es dadurch zur Festkörperreibung (Abb.2-
4 und 2-5) in den Hauptlagern der Kurbelwelle, in den Nockenwellenlagern
und in den Pleuellagern, da der Öldruck und dadurch der Ölfilm zwischen der
Lagerschale und dem entsprechenden Zapfen noch nicht vorhanden ist.
Abbildung 2-4: Festkörperreibung
Abbildung 2-5: Mischreibung
Nicht selten kommt es dann zum Ausschlagen der betreffenden Lager, was
sich letztendlich in eingelaufenen Nockenwellen, Leistungsverlusten, erhöhtem
Schmierölverbrauch sowie einer Reduzierung der Gesamtlaufleistung des
Triebwerks bemerkbar macht.
In dieser Diplomarbeit soll der erforderliche Schmieröldruck bereits vor dem
eigentlichen Startvorgang aufgebaut werden, so dass ein Ölfilm in den Gleitla-
gern entsteht und es in der Startphase zu keiner oder zumindest stark redu-
zierten Festkörperreibung der Lager kommt.
2.3.3 Probleme während der Auslaufphase
Bei der sogenannten hydrodynamischen Schmierung wird nicht nur ein gewis-
ser Schmieröldruck vorausgesetzt, sondern auch eine relative Mindestge-
schwindigkeit zwischen Lager und Welle. Da nun beim Auslaufen der Maschi-
ne genauso wie beim Anfahren zum einen die Relativgeschwindigkeit der
Komponenten und zum anderen der Öldruck der Schmiermittelpumpe ab-
Michael Heun
Matr.Nr.:
011861
FH Ravensburg/Weingarten
Seite
12
Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
nimmt, kommt es auch hier zu einer Berührung der Reibpartner und damit zum
Metallabrieb zwischen Welle und Lagerschale bzw. Kolben und Zylinder. Den
Übergang von Mischreibung zur Flüssigkeitsreibung nennt der Fachmann Ü-
bergangsdrehzahl.
Nach Vogelpohl lässt sich die Übergangsdrehzahl mit nachfolgender Formel
berechnen.
L
eff
ü
ü
V
C
F
n
=
-
7
10
D
B
p
F
=
4
2
D
B
L
=
V
F
Lagerbelastung
[N]
V
L
Lagervolumen [m³]
eff
effektive dynamische Viskosität [Ns/m²] [Pas]
C
ü
Übergangskonstante
[1/m]
n
ü
Übergangsdrehzahl
[min
-1
]
p Druck
im
Lager
[bar]
B
Lagerbreite
[m]
D
Lagerschalendurchmesser
[m]
Hierbei wird die Übergangskonstante C
ü
für eine übliche Fertigungsgüte des
Lagers und der Welle überschlägig mit 1 angenommen.
Diagramm 2-1: Stribeck-Kurve
Diagramm 2-1 verdeutlicht die unterschiedlichen Phasen der Reibung. Die
Reibung beginnt mit der Festkörperreibung (Grenzreibung). Mit zunehmender
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
Relativgeschwindigkeit wandelt sich die Festkörperreibung in eine Mischrei-
bung um. Zwischen den Reibpartnern hat sich zwar ein Schmierfilm gebildet,
der jedoch noch an vereinzelten Stellen durchbrochen wird, in dem sich weni-
ge Spitzen zwischen den beiden Komponenten berühren. Wird die Drehzahl
und damit die Relativgeschwindigkeit abermals erhöht, stellt sich vollkommene
Flüssigkeitsreibung ein. Dies geschieht im sogenannten Ausklinkpunkt, der
exakt den Beginn der Übergangsdrehzahl beschreibt.
Diagramm 2-2 zeigt den Bereich der Übergangsdrehzahl von Mischreibung zur
Flüssigkeitsreibung. Der Bereich unterhalb der Diagrammfläche kennzeichnet
den Bereich der Misch- und Festkörperreibung. Hier kommt es zum Metallab-
rieb zwischen den beiden Reibpartnern und somit zum Verschleiß. Der Be-
reich oberhalb der Diagrammfläche kennzeichnet den Bereich der Flüssig-
keitsreibung. Hier ist kein Verschleiß vorhanden.
20
30
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900
1000
1100
1200
Ü
b
er
ga
ngs
dr
eh
za
hl [U
/m
in]
Öltemperatur [C°]
pme [bar]
SAE 10W50
Bereich der Flüs-
sigkeitsreibung
Bereich der Festkör-
perreibung bzw.
Mischreibung
Diagramm 2-2: Errechnetes Kennfeld der Übergangsdrehzahl für 10W50
Die Werte sind für das Mehrbereichsöl 10W50 und die Kurbelwellenhauptlager
des Mercedes Benz M111 errechnet. Um im Bereich der Flüssigkeitsreibung
zu bleiben, muss sich der Motor mit der entsprechenden Mindestdrehzahl (=
Übergangsdrehzahl) drehen.
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
Für andere Mehrbereichsöle sehen die Werte eher schlechter aus, da diese
keinen so großen Viskositätsbereich abdecken. Für die erforderliche Mindest-
drehzahl ist somit die Temperatur/Viskosität, sowie der im Brennraum herr-
schende effektive Mitteldruck, der sich proportional zum Drehmoment verhält,
ausschlaggebend.
Vorraussetzung für dieses Kennfeld ist allerdings, dass sich das Schmieröl be-
reits im Lager bzw. in der Schmierstelle befindet.
Laut Vogelpohl sollte die Mindestdrehzahl des Motors im Betrieb aus Sicher-
heitsgründen das Dreifache der Übergangsdrehzahl betragen, damit in jedem
Fall ein tragender Schmierölfilm gewährleistet ist.
Beispiel 1
: Bei einer Öltemperatur von 80C° im Volllastbereich ergibt sich eine
Übergangsdrehzahl von 270 min
-1
. Hier sollte die Mindestdrehzahl nicht unter
das Dreifache der Übergangsdrehzahl, also 810 min
-1
abfallen.
Beispiel 2
: Bei einer Öltemperatur von 130C° im Teillastbereich ergibt sich ei-
ne Übergangsdrehzahl von 500min
-1
. Unter Berücksichtigung der Sicherheit
sollte die Drehzahl in diesem Fall nicht unter 1500min
-1
abfallen.
Kühles und relativ dickflüssiges Motorenöl ist demnach besser zur Trennung
der Reibpartner geeignet, als warmes Motorenöl. Warmes Motorenöl hat wie-
derum den Vorteil, dass der Motor nach dem Start schneller durchgeschmiert
wird.
Des weiteren kann aus dem Diagramm, entnommen werden, dass die höchste
Übergangsdrehzahl bei Volllast und hoher Temperatur liegt. Demnach wird
der Motor am stärksten belastet, wenn sich das Fahrzeug im untertourigen
Lastbereich befindet. Konkret: Steigungsfahrten unter Volllast mit hoher Öl-
temperatur und niedriger Motordrehzahl. Fällt hierbei die Motordrehzahl unter
die Übergangsdrehzahl ab, befindet sich der Motor im Bereich der Mischrei-
bung und zeigt Verschleißerscheinungen. Der Verschleiß im oberen Dreh-
zahlbereich des Motors ist viel günstiger, da hier die erforderliche Übergangs-
drehzahl weit überboten wird. Entgegen der allgemeinen Meinung muss nun
gesagt werden: Je höher die Motordrehzahl, desto geringer der Verschleiß in
den Lagerstellen.
2.3.4 Probleme bei Fahrzeugen mit Abgasturboladern
Motoren die mit einem Abgasturbolader aufgeladen werden, unterliegen ho-
hen thermischen Belastungen. Abgasturbolader erreichen Spitzendrehzahlen
von über 100.000 min
-1
. Die Verbindungswelle von Pumpen- und Turbinenrad,
wird über die motoreigene Druckumlaufschmierung geschmiert.
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
Da Ottomotoren Höchstdrehzahlen von 6000-7000min
-1
erreichen, Dieselmo-
toren im Nutzfahrzeugbereich oft nur 2500-3000min
-1
, kommt es beim falschen
Abstellen des Motors, im Abgasturbolader zu Lagerschäden. Der Bediener
beschleunigt den Motor kurz vor dem Abstellen und stellt ihn dann ab. Das
Turbinenrad des Laders wird dadurch erheblich höher beschleunigt als der
Motor und speichert den Abgasstrom in kinetischer Energie. Der Abbau dieser
kinetischern Energie bis zum Stillstand dauert allerdings länger, als der Motor
läuft und damit der Schmieröldruck gewährleistet ist.
2.3.5 Zeitliche Betrachtung eines Motorkaltstarts
Wird der zeitliche Ablauf eines Motorkaltstarts etwas eingehender betrachtet,
so lässt sich folgendes feststellen:
Der Bediener dreht den Zündschlüssel, das Anlasserritzel greift in den Zahn-
kranz der Schwungscheibe, der Motor beginnt sich zu drehen und beschleu-
nigt auf die Anlasserdrehzahl, die bei ca. 200min
-1
liegt. Es entsteht zunächst
ein Bereich zwischen Festkörper- und Mischreibung in den zu schmierenden
Baugruppen. In gleichem Verhältnis wie die Anlasserdrehzahl dreht sich die
Schmierölpumpe. In dieser entsteht allmählich, mit zunehmender Drehzahl ein
Saugdruck, der zu einem späteren Zeitpunkt so groß sein wird, dass das, in
der Ölwanne befindliche, kalte Schmieröl angesaugt wird. Das Öl befindet sich
keinesfalls in der gesamten Ansaugleitung, geschweige denn in den Schmier-
stellen, sondern wird lediglich in Bewegung gesetzt. Während diesem Beginn
der Schmierölförderung hat der Motor schon einige Umdrehungen hinter sich
und zwar ohne Schmierung.
Nun wird die Ansaugleitung zwischen Ölförderpumpe und Ölwanne mit Öl ge-
füllt. Der Ölspiegel in der Ölansaugleitung steigt bis zur Ölförderpumpe an.
Wiederum befindet sich, in dieser Zeitspanne kein Schmieröl in den Schmier-
stellen und der Motor dreht weiter.
Inzwischen startet das Triebwerk und beschleunigt auf Leerlaufdrehzahl von
ca. 750min
-1
. Die Ölförderung wird nun zwar sprunghaft vorangetrieben, aber
in gleichem Maße auch der Verschleiß in den Lagerstellen.
Jetzt wird die Ölleitung zwischen Ölpumpe und Ölfilter befüllt. Währenddessen
bewegen sich die Reibpartner immer noch ohne Schmierung. Erfreulicherwei-
se befindet sich bereits Schmieröl im Ölfilter, so dass die Schmierstellen nicht
noch länger auf das erforderliche Öl warten müssen. Bei einem Ölfilterwechsel
muss allerdings auch dieser zunächst von der Ölpumpe befüllt werden, bevor
das Öl weitergeleitet werden kann. Da der Ölfilter ein inneres Raumvolumen
von ca. einem halben Liter aufweist, ist durch die Füllzeit die damit verbunde-
ne Trockenlaufzeit des Motors nicht ganz unkritisch zu sehen.
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Vom Ölfilter wird nun das Schmieröl zu den einzelnen Schmierstellen geför-
dert, und die eigentliche Schmierung beginnt einzusetzen. Auch hier vergeht
kostbare Zeit, während der Motor ,,trocken" läuft. Schmierstellen in der Nähe
der Ölförderpumpe werden zuerst geschmiert, Schmierstellen, wie z.B. die
Nockenwelle, die sich relativ weit weg von der Ölpumpe befindet, werden zu-
letzt geschmiert. Ebenso ergeben sich im Kolbenbolzenbereich Probleme, da
das Öl einen ,,beschwerlichen" Weg über dünne Kanäle in der Kurbelwelle zu
Kanälen in der Pleuelstange bis zum Kolbenbolzen Bereich zurücklegen
muss. Der Vorgang ist um so prekärer, je kälter und zähflüssiger das Öl ist.
Allgemein wirkt sich die Zähigkeit negativ auf den zeitlichen Verlauf, der
Durchschmierung des Triebwerks aus, so dass sich in dieser zusätzlich ent-
stehenden Zeitspanne Verschleißerscheinungen an den Schmierstellen zei-
gen.
Das Erlöschen der Öldruckkontrollleuchte ist hierbei nicht unbedingt ein Indiz,
für die gesamte Durchschmierung des Motors. In den meisten Fällen befindet
sich der Öldrucksensor der Öldruckkontrollleuchte direkt hinter dem Ölfilter
und nicht im letzten Glied der Schmierölkette, so dass die Öldruckkontroll-
leuchte lediglich den Druckaufbau unmittelbar vor den Schmierstellen anzeigt.
Es wird nun deutlich, wie ,,lange" doch die Zeitspanne dauert, bis auch definitiv
jede Komponente im Motor mit Schmieröl versorgt wird. Sicherlich liegt diese
in einem engen Zeitfenster, dennoch multiplizieren sich diese Augenblicke mit
der Anzahl der Motorstarts im Laufe der Nutzungsdauer. Je mehr Motorstarts
in der Nutzungsdauer, desto enormer der Motorverschleiß. Kurzstreckenfahrer
legen im Laufe der Zeit zwar eine geringere Strecke zurück als Langstrecken-
fahrer, doch die Anzahl der Motorstarts und der damit verbundene Verschleiß
ist bezüglich der Fahrstrecke bedeutend höher. Das anzustrebende Ziel ist
nun, diese Zeitspanne stark zu minimieren, bestenfalls zu eliminieren, denn
hierdurch kann dem Verschleiß am besten entgegengewirkt werden.
2.4
Derzeitiger Stand der Schmiertechnik
Auf den allgemein bekannten Stand der Motorschmiertechnik gehe ich kurz
ein. Es muss hier bezüglich des Arbeitsverfahrens und der Anforderungen an
das jeweilige Fahrzeug differenziert werden, weshalb ich den jeweiligen Stand
der Technik unterteile in das Viertakt- und das Zweitaktverfahren. Diese Dip-
lomarbeit bezieht sich jedoch ausschließlich auf die Druckumlaufschmierung
im Viertaktverfahren.
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
2.4.1 Viertaktverfahren
2.4.1.1 Druckumlaufschmierung
Die Druckumlaufschmierung ist die weitverbreitetste Schmierart und findet bei
fast allen Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, die sich überwiegend auf
der Straße bewegen, Anwendung.
Hierbei wird das Motorenöl von einer Ölpumpe, die vom Motor angetrieben
wird, aus einer Ölwanne unterhalb des Motors abgesaugt, über einen Haupt-
und Nebenstromfilter gereinigt und unter Druck zu den einzelnen Schmierstel-
len gefördert. Von den Schmierstellen tropft das Öl wieder zurück zur Ölwan-
ne, und der Kreislauf beginnt von vorne.
Die Druckumlaufschmierung wird in
der Regel in Verbindung mit Spritz-
und Ölnebelschmierung kombiniert,
um auch schwierig zugängliche
Schmierstellen zu erreichen.
Hochbelastete Motoren sind zusätz-
lich mit einem Ölkühler versehen,
der das Öl zusammen mit der Öl-
wanne in einem geeigneten Tempe-
raturbereich hält. Abbildung 2-6
zeigt die Druckumlaufschmierung
eines Opelmotors aus den achtziger
Jahren.
Abbildung 2-6: Druckumlaufschmierung
2.4.1.2 Trockensumpfschmierung
Die Trockensumpfschmierung findet bei Fahrzeugen Anwendung, bei denen
die Lage des Motorenöls in der Ölwanne durch hohe Seitenbeschleunigungen,
wie bei Fahrzeugen im Rennsport, oder durch zu hohe Neigungen, wie bei ge-
ländegängigen Fahrzeugen, verändert wird. Bei einer herkömmlichen Druck-
umlaufschmierung kann das Schmieröl nicht mehr angesaugt werden und die
zuverlässige Schmierung der Schmierstellen versagt.
Die Trockensumpfschmierung ist prinzipiell identisch aufgebaut wie die Druck-
umlaufschmierung, mit Ausnahme der Ölwanne. Statt der Ölwanne verfügen
diese Schmiersysteme über einen Ölvorratsbehälter, von dem das Öl über ei-
ne Druckförderpumpe zu den Schmierstellen gefördert und durch eine Ab-
saugpumpe direkt von den Schmierstellen dem Ölvorratsbehälter wieder zuge-
führt wird. Allerdings wird auch hier die Ölpumpe mechanisch angetrieben.
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2.4.2 Zweitaktverfahren
2.4.2.1 Mischungsschmierung
Da beim Zweitaktmotor, bis auf wenige Ausnahmen, das Kurbelgehäuse zur
Vorverdichtung des Kraftstoffluftgemisches verwendet wird, kann hier keine
Ölwanne angebracht werden, die das Schmieröl bevorratet.
Bei Zweitaktmotoren mit Mischungsschmierung wird deshalb das Schmieröl
dem Kraftstoff direkt, in einem bestimmten Mischungsverhältnis, zugesetzt.
Bei jedem Betankungsvorgang wird Schmieröl, meist im Verhältnis 1:25 bis
1:50, dem Kraftstoff zugemischt. Durch die Vernebelung des Kraftstoff-Luft-
Ölgemisches im Kurbelgehäuse, gelangt das Schmieröl zu den Schmierstel-
len. Allerdings muss beim Zweitaktverfahren, bei dem die Vorverdichtung im
Kurbelgehäuse ausgeführt wird, auf Gleitlager verzichtet werden. Der
Zweitaktmotor verfügt in der Regel über Wälzlager, die mit sehr wenig
Schmieröl auskommen.
2.4.2.2 Frischölschmierung
Durch Frischölschmierung wird der selbe Effekt wie bei der Mischungsschmie-
rung erreicht. Der Unterschied hierbei ist, dass Kraftstoff und Schmieröl ge-
trennt getankt werden. Die Mischung der beiden Komponenten findet erst im
Vergaser oder Ansaugkanal statt, wobei das Mischungsverhältnis durch unter-
schiedliche Motordrehzahlen variieren kann.
2.5
Unterscheidungen bei der Druckumlaufschmierung
Hinsichtlich des Schmieröldruckaufbaus im Schmierspalt, zwischen den Reib-
partnern, unterscheidet der Fachmann grundsätzlich zwischen zwei verschie-
den Arten: Der hydrodynamischen sowie der hydrostatischen Schmierung.
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
2.5.1 Hydrodynamische Schmierung
1
Bei der hydrodynamischen Schmierung wird der Schmierstoff durch Bewe-
gung zweier Komponenten, zum Beispiel Lager und Welle, durch Schub- und
Scherkräfte in den Schmierspalt hineingezogen und somit ein hydrodynami-
scher Schmierölfilm aufgebaut, der die Welle und die Lagerschale voneinan-
der trennt. Die Tragfähigkeit des Lagers ist neben den konstruktiven Abmes-
sungen der Welle und des Lagers, auch von der Relativgeschwindigkeit der
beiden Komponenten abhängig. Diese Geschwindigkeit muss ausreichend
groß sein, um ein Abheben der Welle aus der Lagerschale und damit ein Un-
terbinden der Festkörperreibung zu gewährleisten. Sofern sich die Welle nicht
bewegt, kann kein tragender Schmierfilm erzeugt werden. Ist die Geschwin-
digkeit der Welle zu niedrig, kommt es zur Mischreibung, was im Grunde den
Verschleiß des Aggregats herauf- und die Lebensdauer und den Wirkungs-
grad herabsetzt.
Da diese erforderliche Geschwindigkeit beim Anfahren bzw. beim Auslaufen
einer Maschine noch nicht erreicht, bzw. bereits unterschritten ist, ist die hyd-
rodynamische Schmierung in diesen Phasen nicht wirksam, wobei es hier zur
Mischreibung und damit zu metallischem Abrieb kommt.
Des weiteren zeigen sich auch während des Betriebs des Motors in manchen
Baugruppen dennoch Verschleißerscheinungen. Immer dann, wenn die Rela-
tivgeschwindigkeit zwischen den Reibpartnern gering ist, treten diese auf. Dies
ist der Fall zwischen Kolben und Zylinder im oberen bzw. unteren Totpunkt, da
hier die Richtungsänderung des Kolbens einen kurzen Stillstand bewirkt. Hier
wird der hydrodynamische Effekt etwas herabgesetzt. Ebenso geht die Rela-
tivgeschwindigkeit zwischen Kolbenbolzen und Pleuel kurzzeitig gegen null.
Darüber hinaus ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Kolbenbolzen und
Pleuel auch während des Betriebs eher gering bzw. geht gegen null, so dass
hier zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Verschleiß in
Grenzen zu halten. Dies betrifft vor allem die Werkstoffauswahl und die damit
verbundenen Notlaufeigenschaften. Weitere Problemzonen sind Ein- und Aus-
lassventile oder die Kipphebelwelle. Auch hier kommt es zu einer Richtungs-
änderung während des Betriebs und folglich zu einem kurzzeitigen Stillstand
des Bauteils. Dieser kurzzeitige Stillstand liegt im Millisekundenbereich und ist
wegen der Trägheit des Schmieröles nicht allzu kritisch zu sehen.
In der heutigen Fahrzeugmotorentechnik wird ausschließlich die hydrodynami-
sche Schmierung angewandt, obgleich es besonders im Kurzstreckenbetrieb
häufig zu Kaltstarts und den damit verbundenen Verschleißerscheinungen
kommt.
1
Hydro: Fluid, Flüssigkeit; Dynamik: Bewegung
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
2.5.2 Hydrostatische Schmierung
2
Bei der hydrostatischen Schmierung ist im Bereich der größten Belastung der
Lagerstelle eine Tasche oder Nut eingearbeitet, durch die das Schmiermittel
unter einem bestimmten Druck in den Spalt zwischen Welle und Lagerschale
einströmt. Im Gegensatz zur hydrodynamischen Schmierung ist hier keine
Bewegung zwischen den beiden Komponenten Lager und Welle nötig. Die
Welle schwimmt durch das einströmende Schmiermedium in der Lagerschale
auf, so dass es zu keiner direkten Berührung zwischen den Reibpartnern
kommt. Bei der Auslegung derartiger Lager kommt es darauf an, dass das
stehende Lager die vorhandenen und zu erwartenden Kräfte aufnehmen kann,
ohne dass der Schmierölfilm abreist. Da sich die Druckkraft aus dem Produkt
von Druck x Fläche errechnet, kann zum einen der Druck der Schmierölpumpe
erhöht werden oder es können anderseits die geometrischen Abmessungen
der Wellenlager vergrößert werden.
Darüber hinaus gelten auch hier die Gesetze der hydrodynamischen Schmie-
rung, sobald sich die Welle in Bewegung setzt. Um nun die Festkörperreibung
gänzlich auszuschließen, wäre ein relativ hoher Schmieröldruck in der Start-
phase und in der Auslaufphase des Motors nötig. Während der Betriebsphase
des Triebwerks, in dem ausreichende Bewegungsgeschwindigkeit zwischen
den Komponenten gewährleistet ist und somit die Gesetze der hydrodynami-
schen Schmierung gelten, kann der Schmieröldruck drastisch abgesenkt wer-
den. Hierbei ist ein kontinuierlicher Volumenstrom des Schmiermediums von
weitaus größerer Bedeutung als die Größe des Förderdruckes der Ölpumpe.
Leider ist dies mit einer vom Motor angetriebenen mechanischen Schmieröl-
pumpe nicht möglich. Denn hier wird beim Anlassen bzw. Auslaufen des
Triebwerks ein niedriger Schmieröldruck erzeugt und während des Betriebs
des Motors ein hoher Öldruck.
Die Abbildung 2-7 zeigt eine konstruktive
Möglichkeit, Drucktaschen im größten
Belastungspunkt des Lagers einzuarbei-
ten. Das Schmieröl presst sich durch den
Ölförderdruck aus den Drucktaschen her-
aus und hebt die Welle somit von der
Lagerschale ab. Hierbei ist unbedingt
darauf zu achten, dass das Lager aus
mindestens 3 voneinander unabhängigen
Drucktaschen besteht, die sich im größ-
ten Belastungspunkt befinden.
Abbildung 2-7: Drucktaschen
2
Hydro: Fluid, Flüssigkeit Statisch: Feststehend, ohne Bewegungsänderung zueinander
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Unabhängig bedeutet, dass sich die einzelnen Schmierdrücke in den jeweili-
gen Drucktaschen nicht beeinflussen dürfen. Abbildung 2-8 zeigt ein
hydrostatisches Lager mit 4 Drucktaschen in
der Vorderansicht. Die Drucktaschen 1-4 sind
symmetrisch um die Welle angeordnet. Die
Welle wird, mit einer senkrecht nach unten ge-
richteten Kraft F beaufschlagt. Würden alle 4
Drucktaschen mit dem aus der selben Quelle
stammenden Schmierdruck beaufschlagt, hätte
dies zur Folge, dass der Druck in der Druckta-
sche 2 abnimmt und sich über die restlichen
unbelasteten Drucktaschen ausbreitet. Deshalb
müssen konstruktive Maßnahmen gefunden
werden, damit sich die einzelnen Drücke nicht
direkt beeinflussen. Dies wäre durch mehrere
Ölpumpen realisierbar, jedoch ist der finanzielle
und konstruktive Aufwand hierbei relativ hoch.
Eine bessere Möglichkeit zur Stabilisierung des
Lagers ist der Einbau von Drosseln vor jede
Abbildung 2-8: Druckverteilung
im Hydrostatischen Lager
Druckkammer, die pro Drucktasche eine konstante Ölmenge gewährleisten.
Geometrisch identisch angeordnete Drucktaschen von mehreren Lagerstellen
einer Welle können hierbei durch eine Drossel zusammengefasst werden. Ü-
berschreitet das Lager durch Erhöhung der Drehzahl den Ausklinkpunkt gem.
Diagramm 2-1, stellt sich Hydrodynamik ein, und der Pumpenförderdruck kann
wieder gesenkt werden. Der Druck im Schmierkeil kann dabei über hundert
bar betragen. Dieser hohe Lagerdruck ist auf die Steigerung der Relativge-
schwindigkeit und den damit verbundenen hydrodynamischen Effekt, sowie
die äußere Last, die auf das Lager drückt, zurückzuführen.
Abbildung 2-9: Mehrere Pumpen
Abbildung 2-10: Einbau von Drosseln
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2.5.3 Direkter Vergleich der beiden Schmiersysteme
Hydrodynamische Schmierung
Hydrostatische Schmierung
Druckerzeugung
Beim Anlassen
niedrig
variabel
Beim Auslaufen
niedrig
variabel
Im Betrieb
hoch
variabel
Konstruktive
Schmieröleinlass
Schmieröleinlass im Bereich
Unterschiede
beliebig
der größten Belastung
Leistungsbedarf
hoch
niedrig, da steuerbar
Wirkungsgrad des Motors
wird schlechter
wird verbessert
Schmiermittelpumpenantrieb
mechanisch
elektrisch
Steuerung der Pumpendrehzahl
Abhängig von Motordrehzahl
Je nach Druckbedarf steuerbar
Tabelle 2-1: Vergleich von Hydrodynamik und Hydrostatik
Durch den direkten Vergleich der beiden Schmiersysteme werden die jeweili-
gen Vor- und Nachteile deutlich. Bei Einbau einer elektrischen Ölpumpe kann
der Schmieröldruck gesteuert werden, so dass sich der erforderliche Schmier-
druck immer im optimalen Bereich befindet. Da der erforderliche Schmieröl-
druck stark von der Temperatur bzw. Viskosität des Motorenöls sowie der
Drehzahl des Motors abhängt, kann somit ein Kennfeld im Steuergerät abge-
legt werden, über das die Schmierölpumpe bedarfsgerecht ansteuert werden
könnte. Die Folge hieraus wäre, dass die elektrische Pumpe nur den Druck
liefert, der auch benötigt wird. Somit ergeben sich im Gesamtwirkungsgrad,
des Motors Verbesserungen, da der Druck in manchen Betriebsbereichen
stark abgesenkt werden kann, in denen er nicht benötigt wird. Bei einer me-
chanischen Schmierölpumpe ist dies nicht möglich. Hier ist die Pumpendreh-
zahl von der Motordrehzahl abhängig. Steigt der Pumpendruck über einen be-
stimmten Wert an, wird der zuviel erzeugte Druck und der damit verbundene
Volumenstrom in die Ölwanne zurück gefördert. Dabei ergeben sich Strö-
mungs- und Reibungsverluste, die dem Triebwerk unnötigerweise entnommen
und in Ölwärme umgesetzt werden. Hieraus ergibt sich nun der größte Nach-
teil einer konventionell angetriebenen Schmierölpumpe: Der Bedarf an
Schmieröldruck ist in der Start- und Auslaufphase des Motors sehr hoch und
in der Betriebsphase niedrig, weil hier eine hohe Relativgeschwindigkeit zwi-
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Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
schen den Komponenten besteht und somit der hydrodynamische Effekt ein-
setzt. Das Angebot der mechanischen Ölförderpumpe liefert jedoch genau die
gegensätzlichen Werte des Druckbedarfs, da die mechanische Ölpumpe bei
niedriger Drehzahl auch einen niedrigeren Druck liefert.
Darüber hinaus kann bei 8- oder 12-Zylindermotoren die Leerlaufdrehzahl
nicht in dem Maße abgesenkt werden, dass der Rundlauf des Triebwerks ge-
rade noch gewährleistet ist. Vielmehr ist hier der mechanische Pumpenförder-
druck für die Leerlaufdrehzahl dominierend. Ist die Motordrehzahl und damit
der Pumpenförderdruck der mechanischen Ölförderpumpe zu klein gewählt,
kann es hier u.U. zur Mischreibung kommen, da die Ölpumpe bei zu niedriger
Drehzahl zu wenig Öldruck aufbaut, um die beiden Reibpartner zu trennen,
und somit die Lager letztlich Schaden nehmen. Wählt man eine entsprechend
hohe Übersetzung zwischen Kurbelwelle und Ölpumpenantrieb, die eine nied-
rige Leerlaufdrehzahl ermöglichen würde, wären andererseits die Ölwärme-
und Strömungsverluste der Ölpumpe im oberen Drehzahlbereich zu hoch,
welche wiederum den Gesamtwirkungsgrad des Motors negativ beeinflussen
würden. Die Mankos des hydrodynamischen Systems nehmen somit immer
konkretere Formen an. Immer dann, wenn Festkörper- oder Mischreibung auf-
treten, zeigen sich nicht nur Verschleißerscheinungen im Motor, sondern die
Überwindung der Reibung kostet auch Energie. Dies zeigt sich besonders am
Anlasser, der zur Überwindung des Losbrechmomentes einen elektrischen
Stromfluss von mehreren hundert Ampere benötigt. Der Reibbeiwert µ ist be-
kanntlich sehr viel kleiner im Bereich der
Flüssigkeitsreibung. Betrachtet man nun
das Reibmoment in Abhängigkeit der
Drehzahl nach Diagramm 2-3, wird
deutlich, dass sich das hydrostatische
System über das gesamte Drehzahl-
spektrum in einem günstigeren Reibbe-
reich befindet, als die hydrodynamische
Schmierung.
Es wird klar, dass sich bei der hydrody-
namischen Schmierung erst bei Errei-
chen der Übergangsdrehzahl n
Ü
(roter
Pfeil) die Reibmomente der beiden
Schmiersysteme angleichen und es im
Drehzahlbereich vor n
Ü
bei der hydro-
dynamischen Schmierung zur Mischrei-
bung kommt und das Reibmoment hier-
bei stark erhöht ist. Diese Übergangs-
drehzahl bezieht sich allerdings nur auf
Diagramm 2-3: Reibmoment
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das hydrodynamische System. In der Hydrostatik kommt die Übergangsdreh-
zahl nicht vor, da die Reibpartner schon vor dem Anlaufen, durch entspre-
chende Anhebung des Pumpendrucks, voneinander getrennt werden.
2.6
Ursachen, Folgen und Reduzierung des Verschleißes
2.6.1 Ursachen des Verschleißes
Der Betrieb von Kolbenmaschinen zieht einen gewissen Verschleiß im Laufe
der Nutzungsdauer mit sich. Besonders in der Kraftfahrzeugtechnik, in der
hauptsächlich die hydrodynamische Druckumlaufschmierung Anwendung fin-
det, kommt es zu Verschleißerscheinungen, wie in Kapitel 2.3 beschrieben.
Darüber hinaus gibt es Verschleißursachen, die sich nicht unbedingt dem übli-
chen Verschleiß zuordnen lassen. Immer dann, wenn der erforderliche
Schmierfilm im Betrieb der Maschine nicht mehr in der Lage ist, die Reibpart-
ner voneinander zu trennen, ist der Verschleiß unverhältnismäßig hoch. Dem
Schmiermedium kommt hierbei eine wesentliche Bedeutung zu. Minderwerti-
ges Schmieröl, das den Drücken in den Lagerstellen nicht Stand hält, kann ei-
ne Ursache dafür sein. Ebenfalls zeigen sich Probleme durch Ölverschlam-
mung. Diese tritt hauptsächlich durch Verbrennungsrückstände und Kühlwas-
ser bei mineralischen Schmierölen auf. Die Verschlammung setzt Spritzdüsen
innerhalb des Schmiersystems zu, so dass die ausreichende Versorgung mit
Spritzöl, insbesondere im Bereich der Kolben/Zylinder und der Ventilsteue-
rung, versagt. Auch eine Verstopfung des Ölfilters und des Ölkühlers durch
Ölverschlammung kann den Verschleiß erheblich erhöhen.
Im Gegensatz zu dieser Ölverdickung gibt es auch eine Ölverdünnung durch
Kraftstoff. Der Kraftstoff kann den erforderlichen Schmierfilm an der Schmier-
stelle auswaschen und den Verschleißfortschritt unverhältnismäßig schnell vo-
rantreiben.
Des weiteren verliert aufschäumendes Öl seine Schmierfähigkeit, da sich die
darin enthaltenen Gase komprimieren lassen und den Drücken keinen ausrei-
chenden Widerstand bieten. Eine Überfüllung des Motors mit Öl, wobei die
Kurbelwelle das Öl schaumig schlägt, ist hierbei sehr oft die Hauptursache.
Auch Bedienerfehler, wie die unzureichende Kontrolle des Ölstandes und
Missachtung der Öldruckwarnleuchte, begründen oft den Ursprung für den To-
talausfall der Maschine. Vom Hersteller vorgeschriebene Ölservice-Intervalle,
die nicht durchgeführt werden, setzen den Ölfilter im Laufe der Zeit zu, wobei
das Schmieröl über ein Sicherheitsventil ungereinigt zu den Schmierstellen
gelangt.
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Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors
Kapitel 2 Einleitung und Grundlagen
Neben diesen genannten Ursachen gibt es noch eine ganze Reihe weiterer
Gründe, die den Verschleiß vorantreiben, jedoch eine Gemeinsamkeit aufwei-
sen: Die Reibung wird immer aus dem Bereich der Flüssigkeitsreibung in den
Bereich der Festkörperreibung verlagert.
2.6.2 Die Folgen der Festkörperreibung
Reiben zwei metallische Körper aneinander, entsteht bei der Reibung Wärme.
Die Temperatur steigt stark an, die beiden metallischen Komponenten ver-
schweißen miteinander und trennen sich wieder auf. Hierdurch entstehen
Fressspuren an Kolben und Zylinder oder Lager und Lagerschale. Ist dieser
Vorgang eingeleitet, nützt eine nachträgliche Schmierung recht wenig. Die
Oberflächen der Komponenten sind stark zerklüftet; es entstehen Berge und
Täler, wobei sich das Schmieröl den Weg durch die Täler sucht und die Berge
weiter aneinander reiben und die Zerklüftungen somit immer mehr zunehmen.
Zwar verfügen Verbrennungsmotoren über sogenannte Notlaufeigenschaften,
wobei das ausbleibende Schmieröl z.B. durch Graphit, das wiederum aus ku-
gelförmigen Poren der Zylinderwand oder Lagerstelle freigegeben wird, kurz-
fristig ersetzt wird; ein Dauerzustand ist dies allerdings nicht, sondern vielmehr
eine Überbrückung zwischen der visuellen Wahrnehmung der Öldruckwarn-
leuchte und dem Abstellen des Motors.
Bei den nachfolgenden Abbildungen handelte es sich um das Fahrzeug mei-
nes Schwagers. Dieser klagte über einen hohen Schmierölverbrauch sowie
die geringe Standzeit der Zündkerzen in den Zylindern 3 bis 6. Nachdem ich
den Zylinderkopf des Motors ent-
fernt hatte, ergab sich nachfol-
gendes Bild. Der Mercedes Benz
6-Zylindermotor der Baureihe
M103 (Typ W124 300TE) wies
eine Gesamtfahrleistung von
223.000km auf. Der Schmieröl-
verbrauch betrug bei diesem
Fahrzeug 1ltr auf 400km. Anders
ausgedrückt: Während eines Öl-
wechselintervalls von 10.000km
verbrannte dieser Motor 25 ltr
Schmieröl, und dies mit steigen-
der Tendenz. Die Hohnspuren
sind noch deutlich sichtbar, wer-
den aber von Fressspuren durch-
kreuzt. Die Fressspuren sind folg-
Abbildung 2-11: Verschleiß 3. Zylinder
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lich weitaus tiefer in das Material
vorgedrungen als die Hohnspu-
ren, welche die Aufgabe haben,
den Schmierfilm am Zylinder auf-
recht zu halten. Das somit ver-
brannte Öl lagerte sich als Ölkoh-
le an Ventilen, Kolben und Zünd-
kerzen ab, so dass letztere alle
1000km gewechselt werden
mussten.
Dies ist der Preis, wenn der Fah-
rer nach Absinken des Öldrucks
nicht rasch reagiert und den Mo-
tor abstellt. Leider verfügte dieses
Modell nicht über eine Öl-
druckwarnleuchte, sondern ledig-
Abbildung 2-12: Verschleiß 5. Zylinder
lich über einen analogen Öldruckmesser. Die Bewegung der Anzeigenadel fällt
dem Fahrer nicht in dem Maße ,,ins Auge" wie das deutliche Aufleuchten einer
roten Warnleuchte, so dass wertvolle Zeit verstrich und die Notlaufeigenschaf-
ten des Motors ausgereizt wurden und der Schaden entstand.
2.6.3 Reduzierung des Verschleißes
Bis heute gibt es mehrere Entwicklungen und Maßnahmen, den Verschleiß ei-
nes Verbrennungsmotors zu reduzieren. In der heutigen Zeit erreicht ein mo-
derner Verbrennungsmotor in der Regel mühelos 200.000km Laufleistung,
ohne dass Reparaturen an den motorinternen Verschleißteilen durchgeführt
werden müssen. Mitunter können sich Kraftfahrzeughersteller den Imagever-
lust durch vorzeitig verschlissene Motoren nicht mehr leisten, so dass Maß-
nahmen ergriffen werden müssen, um den Motorverschleiß auf ein erträgli-
ches Maß zu reduzieren.
Auf einige dieser Maßnahmen gehe ich in den folgenden Abschnitten etwas
näher ein. Hierbei wird offensichtlich, dass die Industrie sehr wohl Interesse
zeigt, dass ihre Motoren hohe Laufleistungen erreichen.
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2.6.3.1 Verschleißreduzierung durch Additive
Additive sind chemische Zusätze, die dem Motorenöl zugemischt werden.
Additive verändern die Stoffeigenschaften des Motorenöls und/oder unter-
drücken unerwünschte Eigenschaften.
Additive lassen sich in 5 verschiedene Gruppen einteilen:
a) Alterungsschutzadditive/Antioxidantien
Sie verhindern die Oxidation (Alterung) des Öles unter dem Einfluss von
Wärme und Sauerstoff. Durch Bildung eines Schutzfilmes wird auch Kor-
rosion an Metallflächen verhindert.
b) Extreme Pressure/Antiwear-Additive (EP/AW)
Hochdruckzusätze
(3)
, die auf Gleitflächen (Lager, Kolben, Zylinder, Zahn-
räder) dünne, aber gleitfähige Schichten aufbauen, die den direkten Kon-
takt von Metallflächen zueinander verhindern.
(3)
Ein Beispiel für einen Hoch-
druckzusatz ist das Mittel ,,Motor
up", welches von der NASA und
einem großen Mineralölunter-
nehmen entwickelt und anschlie-
ßend von Ingenieuren und Che-
mikern auf Verbrennungsmotore
abgestimmt wurde.
Quelle: Internet
Abbildung 2-13: Hochdruckzusatz ,,Motor up"
Oftmals wird hierbei PTFE (Teflon) verwendet, das sich an den Reibpartnern
festheftet und die Komponenten auf diese Weise voneinander trennt.
Die Firma Liqui Moly verwendet einen flüssigen Zusatz aus Graphit und Mo-
lybdän, der dem Motorenöl beigemischt wird, den Motorverschleiß in der
Startphase verringert und die Notlaufeigenschaften erhöht. Derartige Zusätze
überstehen auch einen Ölwechsel, da sie an den Reibpartnern auch nach
dem Ablassen des Öls noch haften bleiben. Das Intervall, in dem diese Zu-
sätze erneut beigemischt werden sollen, beträgt nach Herstellerangaben ca.
50.000 bis 80.000km
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Aufgrund eigener Erfahrungen kann ich mit dem von mir verwendeten Zusatz
T-Plus berichten. Der Ölverbrauch senkte sich nach Zugabe des Mittels et-
wa um die Hälfte, und der Kraftstoffverbrauch senkte sich um ca. ½ Liter auf
100km. Zwar lassen sich die Kosten von T-Plus für vollsynthetische Motoren-
öle mit 85,00DM beziffern, dennoch rechnet sich diese Investition schon allein
durch die Reduzierung des Ölverbrauchs innerhalb 50.000km, ohne dass da-
bei auch die Einsparung von Kraftstoff und die Steigerung der Gesamtlebens-
dauer des Motors näher berücksichtigt sind.
Grundsätzlich sind Additive dieser Art kritisch zu betrachten. Zu viele unseriö-
se Hersteller bringen sogenannte ,,Additive" auf den Markt, die keinen wirkli-
chen Nutzen mit sich bringen oder u.U. den Motor sogar schädigen, da diese
durch bestimmte enthaltene Substanzen den Ölfilter zusetzen oder die Stoffei-
genschaften des Schmieröls negativ beeinflussen. Deshalb sollte beim Erwerb
derartiger Mittel darauf geachtet werden, ob diese die entsprechenden Nor-
men und Klassifizierungen erfüllen. Vom American Petrol Institute (API) wurde
in Verbindung mit der Society of Automotive Engineers (SAE) ein Klassifizie-
rungssystem für Motorenöle geschaffen, das auch in Deutschland den Bench-
mark für die Qualität der Schmieröle und deren Additive darstellt.
Diese API Klassen werden stän-
dig überarbeitet und neue Klas-
sen hinzugefügt, welche die Ei-
genschaften der Schmieröle im-
mer weiter verbessern. Unter-
schieden wird hierbei in S-
Klassen für Ottomotoren sowie in
C-Klassen für Dieselmotoren.
Diese API-Klassen sollten auf
dem erworbenen Additiv bzw.
Motorenöl ersichtlich sein, um
sicher zu gehen, dass das Öl
dem hohen API Gütesiegel auch
tatsächlich entspricht.
Abbildung 2-14: T-Plus GRS 900
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- , 2002, Reduzierung der Festkörperreibung eines Kraftfahrzeugmotors, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/222112
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