möglichkeiten der reibungsreduktion in kettentrieben
Transcrição
möglichkeiten der reibungsreduktion in kettentrieben
www.MTZonline.de www.iwis.com MOTORTECHNISCHE ZEITSCHRIFT 07-08 Juli-August 2011 72. Jahrgang iwis Sonderdruck/Offprint aus/from MTZ 07-08|2011 Springer Automotive Media Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH MÖGLICHKEITEN DER REIBUNGSREDUKTION IN KETTENTRIEBEN FRICTION REDUCTION POTENTIALS IN CHAIN DRIVES INDUSTRIE REIBUNG MÖGLICHKEITEN DER REIBUNGSREDUKTION IN KETTENTRIEBEN In den vergangenen Jahren rückte bei der Auslegung von Kettentrieben in Verbrennungsmotoren zunehmend auch die Reibungsreduzierung in den Fokus. Durch Detailverbesserungen bei der Materialauswahl einerseits sowie fertigungstechnische und konstruktive Maßnahmen an allen Bauteilen des Kettentriebs andererseits konnten bei Iwis Motorsysteme CO2-Reduktionen von bis zu 2 g / km mehrfach bestätigt werden. 2 AUTOREN DR.-ING. THOMAS FINK ist Prokurist und Leiter des Geschäftsbereichs Forschung und Entwicklung bei der Iwis Motorsysteme GmbH & Co. KG in München. DIPL.-ING. HOLGER BODENSTEIN ist Leiter Anwendungsentwicklung im Geschäftsbereich Forschung und Entwicklung bei der Iwis Motorsysteme GmbH & Co. KG in München. GRUNDLAGEN Zunächst gilt es festzustellen, wo genau die Reibung im Kettentrieb entsteht und welcher Beitrag zur Gesamtreibung diese Einzelkomponenten liefern. Durch Berechnungen und Versuche konnte herausgearbeitet werden, dass der überwiegende Anteil der Reibung im Kontakt zwischen Kette und Schienen, sowie in den Kettengelenken selbst entsteht, wohingegen ein nur untergeordneter Prozentsatz durch den Eingriff der Kette in die Kettenradverzahnung hervorgerufen wird. Die Beeinflussung der Reibung in Kettentrieben ist stark abhängig davon, ob es sich hierbei um statische oder dynamische Reibungsverluste handelt. Eine typische Verteilung dieser Anteile ist in ❶ dargestellt. Das grundsätzliche Kettentriebslayout, die verwendete Kettentype, die eingesetzten Materialien für die Gleitbeläge der Schienen sowie die Schmierung des Kettentriebs stellen die Haupteinflussgrößen für die statischen Reibungsverluste dar. Die Anregungen aus dem Kurbel- und Ventiltrieb, die Kettenspannerdämpfung, die Massen- und Steifigkeitsverhältnisse der Kettentriebskomponenten sowie die Phasenlage von Einspritzpumpen und die Makrogeometrie der Kettenräder beeinflussen hauptsächlich die dynamischen Anteil der Reibungsverluste. 0 7 - 0 8 | 2 0 1 1 72. Jahrgang 3 INDUSTRIE REIBUNG Reibungsverluste Niedrig Statische Reibungsverluste Dynamische Reibungsverluste Gesamtreibungsverluste Hoch Motordrehzahl ❶ Berechnete Reibungsverluste Die Reibung innerhalb der Kettengelenke wird maßgeblich durch die tribologischen Partner („Bolzen-Lasche“ bei der Zahnkette beziehungsweise „Bolzen-Hülse“ bei der Rollen- oder Hülsenkette einerseits und verwendeter Schmierstoff andererseits), sowie die Art und Größe der Belastung beeinflusst. ❷ zeigt die prinzipbedingten Unterschiede der Kettengelenkgeometrien zwischen den drei Kettenbauformen Hülsenkette, Rollenkette und Zahnkette. Man erkennt deutlich den systembedingten Nachteil der Zahnkette, die bei identischer Baubreite gegenüber den anderen Kettenbauformen eine Verringerung der verschleißrelevanten Gelenkfläche um 35 bis 40 % aufweist. Untersuchungen an geschleppt betriebenen Motoren nach der Strip-Methode zeigen einen klaren Reibungsvorteil der Hülsenkette, während die Zahnkette um bis zu zirka 30 % im Reibmoment ungünstiger liegt, ②. Die Rollenkette stellt somit einen ausgewogenen Kompromiss zwischen der guten Akustik der Zahnkette einerseits und den Reibungs- und Verschleißvorteilen der Hülsenkette andererseits dar. Bei diesen Untersuchungen ist jedoch unbedingt darauf zu achten, dass die sogenannte Kettenlinie (das heißt der Verlauf der Kette im Steuertrieb inklusive der verwendeten Radien für die Spann- und Führungselemente) bei Verwendung der diversen Kettentypen unverändert bleibt. Eine Abweichung in den Schienengeometrien 4 hätte nämlich eine direkte Auswirkung auf die Normalkräfte zwischen Kette und Führungselement und dadurch selbstverständlich auch auf die Reibkräfte wobei ein unveränderter Reibwert vorausgesetzt wird. Nach der Definition der reibungsgünstigsten Kettentype stellt sich die Frage, ob sich durch eine veränderte Bolzenbeschichtung ein zusätzlicher Reibungsvorteil erzielen lässt. Durch intensive Entwicklungsaktivitäten bei Iwis Motorsysteme konnte vor kurzem die neuartige IC+-Technologie in die Serienproduktion überführt werden, die gegenüber den Standardverfahren (IC- REIBUNG ZWISCHEN STEUERKETTE UND SCHIENE Der zweite Hauptanteil der Kettentriebsreibung betrifft den Kontakt zwischen der Steuerkette und den Führungselementen (Spannschiene und Führungsschiene). Als Materialien haben sich zur Kontaktflächengestaltung von Führungselementen kosten- 1,2 1,0 Reibmoment [Nm] REIBUNG IN DER STEUERKETTE Technologie) einen Reibungsvorteil von 10 bis 20 % im Reibmoment erzielt. Beide Technologien basieren auf einer 10 bis 20 μm starken Chromcarbidschicht, die in einem aufwändigen Prozess auf den martensitischen Bolzen aufgebracht wird. Das IC+-Verfahren stellt eine Weiterentwicklung des „Inchromierens“ dar, bei dem die reibungs- und verschleißrelevanten Parameter im Detail optimiert wurden, ❸. Kombiniert man diese IC+-Technologie mit dem Feinstanzverfahren von Kettenlaschen und ersetzt hierdurch das im Markt flächendeckend etablierte Nachschneideverfahren, so lässt sich eine Reibleistungsreduktion von zirka 55 W bei 2000/min beziehungsweise ein Wert von zirka 145 W bei 5000/min für einen V-Motor realisieren. Selbstverständlich werden bei Iwis Motorsysteme weitere Bolzenbeschichtungen untersucht, die diesen Vorteil nochmals erhöhen und gleichzeitig die Verschleißbeständigkeit von Ketten (speziell in anspruchsvollen Schmierungsumgebungen des Motors) deutlich verbessern. 0,8 0,6 0,4 0,2 Hülsenkette 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Rollenkette 4000 4500 Motordrehzahl [1/min] ❷ Reibmoment verschiedener Kettentypen (identische Teilung = 8 mm) Zahnkette 5000 5500 6000 2,3 Reibmoment [Nm] 2,2 2,1 IC-Standard 2,0 -10 bis 20 % IC + 1,9 1,8 1,7 1500 2500 3500 4500 5500 6500 Prüfstandsdrehzahl [1/min] ❸ Messergebnisse 5,0 Reibmoment [Nm] 4,5 4,0 3,5 Verschiedene Schienenmaterialien 3,0 2,5 2,0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Motordrehzahl [1/min] ❹ Reibungsverluste im Kettentrieb 450 400 günstige Polyamide (PA66 oder PA46) durchgesetzt, die im Kunststoff-Spritzguss mit einer hohen Oberflächengüte hergestellt werden. Viele verschiedene Anbieter haben zudem diverse Compounds im Programm, die weitere Vorteile in der Reibungsreduktion versprechen. Iwis Motorsysteme hat sich daher die Aufgabe gestellt, die am Markt befindlichen Materialkombinationen funktionsgerecht abzutesten und die Reibungsunterschiede messtechnisch zu ermitteln. Hierzu verwendete man eine eigens dafür konzipierte Versuchsanordnung, bei der Komponenten abgetestet werden, die unter realen Fertigungsbedingungen im Spritzgussverfahren hergestellt wurden. Hierbei wird ein besonderes Augenmerk auf die Schmierverhältnisse, die Öltemperatur und die Krafteinleitung in die Kette gerichtet. Es zeigt sich, dass bei entsprechender Materialwahl eine Reibungsverbesserung von bis zu 10 % im Kontakt zwischen Kette und Schiene zu erzielen ist, ❹. Weiterführende Untersuchungen zur Strukturoptimierung der Schienenoberfläche sind Bestandteil aktueller Forschungsprojekte, da durch eine ideale Oberflächengestaltung (Mulden, Rillen, Segmente etc.) weitere Potenziale genutzt werden sollen. Zudem wird in Zusammenarbeit mit einem Forschungsinstitut ein KunststoffCompound entwickelt, das speziell für den Einsatz in Kettentrieben abgestimmt ist und die Verhältnisse in Verbrennungsmotoren berücksichtigt. Über die Ergebnisse dieser beiden Aktivitäten wird zu gegebener Zeit separat berichtet. Erste Erkenntnisse lassen jedoch darauf schließen, dass hierdurch weitere deutliche Verbesserungen erzielt werden können. 350 REIBUNGSREDUKTION DURCH KONSTRUKTIVE MASSNAHMEN y [mm] 300 250 200 Original-NW-NW-Führungsschiene Modifizierte NW-NW-Führungsschiene Original-Spannschiene Modifizierte Spannschiene Original-Führungsschiene Modifizierte Führungsschiene 150 100 50 0 -225 -175 -125 -75 -25 25 x [mm] Optimierung der Schienengeometrie 0 7 - 0 8 | 2 0 1 1 72. Jahrgang 75 125 175 225 Den weitaus größten Einfluss auf die Reibungsreduktion in Kettentrieben kann der Konstrukteur durch eine optimale Gestaltung der Kettenlinie nehmen. Die Vermeidung von stark gekrümmten Spann- und Führungsschienen reduziert die Normalkraft der Kette auf dieselben und verringert dabei, konstruktiv bedingt, die auftretenden Reibkräfte. Ausgehend von einem Kettentrieb mit starker Krümmung der Führungsschiene, ❺, die aufgrund von Bauraumrestriktionen Einzug in die Serienproduktion gehalten hat, wurde ein optimiertes Design 5 INDUSTRIE REIBUNG Opt. 12-mm-Spanner, 5750/min Optimum @ 5750/min Standard 5750/min Basis @ 5750/min 12,0-mm-Spanner, 2,5 bar, 80 N, opt. Schienensatz, opt. Verzahnung Optimum @ 2000/min Variation 12,0-mm-Spanner, 2,5 bar, 80 N, opt. Schienensatz 12,0-mm-Spanner, 5,0 bar, 80 N, opt. Schienensatz 13,5-mm-Spanner, 5,0 bar, 80 N, opt. Schienensatz Basis @ 2000/min 0 13,5-mm-Spanner, 5,0 bar, 80 N, NW-NW-Schiene opt. 40 20 60 80 100 120 13,5-mm-Spanner, 5,0 bar, 80 N Reibmoment Basis + 0,03 mm Leckspalt Basis Reibungsoptimierung erstellt und zunächst mittels Simulation bewertet. Es zeigt sich, dass durch diese Maßnahme eine Reduktion von bis zu 70 % an Reibleistung erzielbar ist, wenn man gleichzeitig auch den Kettenspanner sowie die Ölversorgung des Spannsystems anpasst. ❻ macht deutlich, dass der Haupteffekt auf die Schienengeometrieoptimierung zurückzuführen ist (hellblaue Balken im Vergleich zum orangen Balken) und die Kettenspanneroptimierung dann zusätzliche Potenziale eröffnet. Ein Systemvergleich zwischen Zahnriementrieb und Kettentrieb, der im Oktober 2008 veröffentlicht wurde und Vorteile des Zahnriemens hinsichtlich CO2-Reduktion ausweist, liefert somit keine grundsätzliche Aussage, son- dern stellt lediglich ein optimales Zahnriementriebslayout einem kompromissbehafteten Kettentriebslayout gegenüber. Vergleicht man jedoch den optimierten Kettentrieb, ❼, mit dem optimalen Zahnriementrieb, so lassen sich die getätigten Aussagen nicht bestätigen, sondern Reibungsvorteile beim Kettentrieb nachweisen. Durch die IAV GmbH in Chemnitz wurden die theoretischen Potenziale versuchstechnisch abgeprüft und der Einfluss der Geometrieoptimierung im Bereich der Führungsschiene auf die Reibung aufgezeigt. ⑦ lässt erkennen, dass die Begradigung der Führungsschiene eine Reibmoment-Reduktion von 0,25 Nm ermöglicht, die bei einer Öltemperatur von 90 °C im kompletten Drehzahl- 7,5 7,0 6,5 Reibmoment [Nm] 6,0 5,5 5,0 4,5 Serienlayout Optimiertes Layout 4,0 0,25 Nm 3,5 3,0 2,5 2,0 0 1000 2000 3000 4000 Motordrehzahl [1/min] ❼ Messergebnisse (Öltemperatur in Hauptgalerie: 90 °C) 6 5000 6000 7000 band aufrechterhalten werden kann. Es ist daher von außerordentlicher Wichtigkeit bereits bei der Konzeption des Motors und der Festlegung der Hauptabmaße eine Überprüfung der Auswirkungen auf die Kettentriebsreibung vorzunehmen und die Erkenntnisse so früh wie möglich in die Konstruktion einfließen zu lassen. ZUSAMMENFASSUNG Iwis Motorsysteme hat in den vergangenen Jahren beständig Weiterentwicklungen an allen Komponenten des Kettentriebs und bei der Grundkonzeption des Layouts vorgenommen. Durch die Auswahl geeigneter Materialien und Fertigungsverfahren bei Kette und Führungselementen sowie bei der Basisauslegung des Kettentriebs lassen sich Reduktionen der Reibleistung von 500 bis 1000 W erzielen, was einer Verringerung des CO2-Ausstoßes von annähernd 2 g/km entsprechen kann. Eine enge Abstimmung zwischen den Motorkonstrukteuren einerseits und Iwis Motorsysteme als Entwicklungspartner für Kettentriebe andererseits ist hierbei von hoher Bedeutung. Weitere Potenziale wurden bei der Materialanalyse von Kunststoffen sowie bei der Topographie-Optimierung von Führungselementen erschlossen. Darüber hinaus ermöglichen neuartige Kettenbolzenbeschichtungen weitere Vorteile hinsichtlich Reibung und Verschleiß. FRICTION REDUCTION POTENTIALS IN CHAIN DRIVES In recent years, designing chain drives in combustion engines has increasingly focused on reducing friction. By selecting better materials, using different production techniques and modifying the design of all chain-drive components, it has been possible at Iwis Motorsysteme to verify CO2 reductions of up to 2 g / km many times over. 0 7 - 0 8 | 2 0 1 1 Volume 72 7 INDUSTRY FRICTION AUTHORS DR.-ING. THOMAS FINK is Vice President and Head of the Business Unit Research and Development at Iwis Motorsysteme GmbH & Co. KG in Munich (Germany). DIPL.-ING. HOLGER BODENSTEIN is Head of Application Development in the Business Unit Research and Development at Iwis Motorsysteme GmbH & Co. KG in Munich (Germany). 8 Friction losses Low Static friction losses Dynamic friction losses Total friction losses High Engine speed ❶ Calculated friction losses It is first necessary to ascertain where exactly friction is produced in the chain drive and how these components contribute to overall friction. Computations and tests have revealed that most friction occurs at the point of contact between chain and rails as well as in the chain joints themselves, with only a minor percentage resulting from the chain meshing with sprocket toothing. The way in which friction can be influenced in the chain drive largely depends on whether friction losses are static or dynamic. A typical spread of these friction contributors is shown in ❶. The basic chain-drive layout, the chain type employed, the materials used for the friction linings on the rails as well as lubrication of the chain drive are the principal variables influencing static friction losses. Excitations from cranktrain and valve train, chain-tensioner damping, the mass and stiffness ratios of chaindrive components as well as the phase angle of injection pumps and macro-geometry of the sprockets mainly influence the dynamic component of frictional losses. FRICTION IN THE TIMING CHAIN Friction inside the chain joints is extensively influenced by the tribological partners (pin link-plate in the case of the tooth chain and pin bush in the case of the roller or bush-type chain, and lubricant 0 7 - 0 8 | 2 0 1 1 Volume 72 used) along with the type and magnitude of loading. ❷ shows principle-related differences in chain-joint geometry between the three chain designs – bush-type chain, roller-type chain and tooth chain. The clear system-based drawback can be seen for the tooth chain which, for the same design width, exhibits a joint surface relevant to wear that is 35 to 40 % smaller than for the other chain designs. Investigations on engines motored using the strip method reveal a clear frictional advantage for the 1.2 1.0 Friction torque [Nm] BASICS bush-type chain whereas friction torque is as much as approximately. 30 % higher for the tooth chain, ②. This means the roller-type chain provides a well-balanced compromise between good tooth-chain acoustics on the one hand and the friction and wear-related advantages of the bushtype chain on the other. In these investigations, however, it is imperative to ensure that the chainline (i.e. chain run in the timing drive, including the radii used for the tensioning and guide elements) remains unchanged for the different chain types. For any variation in the rail geometries would have a direct effect on the normal forces between chain and guide element and consequently, of course, on the frictional forces – with an unchanged friction coefficient being assumed. After defining the chain type with the most favorable frictional properties, the question arises as to whether friction can be reduced further still by changing the pin coating. Following intensive development activities at Iwis Motorsysteme, it was recently possible to introduce the innovative IC+ technology in mass production, reducing friction torque by 10 to 20% over the standard process (IC technology). Both technologies are based on a 10 to 20 μm chrome-carbide coating that is applied to the martensitic pin in a complex process. Representing an advancement of the inchromizing process, IC+ technology optimizes the parameters relevant to friction and wear, ❸. 0.8 0.6 0.4 0.2 Bush chain 0 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Roller chain 4000 4500 Inverter tooth chain 5000 5500 6000 Engine speed [rpm] ❷ Friction torque of different chain types (same pitch = 8 mm) 9 INDUSTRY FRICTION 2.3 2.2 Friction torque [Nm] By combining this IC+ technology with the fine blanking process for making chainlink plates – replacing the cutting-andshaving process that is established on the market – it is possible to reduce frictional loss by approximately 55 W at 2000 rpm or by a level of approximately 145 W at 5000 rpm for a V-engine. Needless to say, Iwis Motorsysteme will be examining further pin coatings that increase this improvement even further while at the same time significantly enhancing the resistance of chains to wear (specifically in the engine’s demanding lubrication environments). 10 IC standard 2.0 -10 to 20 % IC + 1.9 1.8 1.7 1500 FRICTION BETWEEN TIMING CHAIN AND RAIL 2500 3500 4500 5500 6500 Speed [rpm] ❸ Measurement results 5.0 Friction torque [Nm] 4.5 4.0 3.5 Different rail materials 3.0 2.5 2.0 0 1000 2000 4000 3000 5000 6000 Engine speed [rpm] ❹ Chain drive friction losses 450 400 350 300 y [mm] The second main component of chain-drive friction occurs at the point of contact between the timing chain and the guide elements (tensioning rail and guide rail). Lowcost polyamides (PA66 or PA46) injectionmolded with a high surface quality have become established as materials for providing the contact surface on guide elements. Many different suppliers also use a variety of compounds that promise further improvements in reducing friction. This is why iwis motorsysteme set out to test the functional performance of the various material combinations found on the market and measure the differences in friction. For this purpose the set-up designed specifically for testing the components that were produced under real conditions using the injectionmolding technique was used. Particular attention was paid to lubrication conditions, oil temperature and the introduction of force into the chain. Selecting the appropriate material is shown to be capable of reducing friction by as much as 10 % at the point of contact between chain and rail, ❹. Further-reaching studies into optimizing the structure of the rail surface are part of current research projects aimed at tapping further potentials by creating the ideal surface (recesses, grooves, segments etc.). In cooperation with a research institute, a plastic compound is also being developed that is formulated specifically for use in chain drives and takes into account the conditions prevailing in the combustion engine. The results of these two activities will be published in a separate report at the given time. However, initial findings suggest it will be possible to achieve further improvements. 2.1 250 200 Original cam-cam guiding Modified cam-cam guiding Original tensioner rail Modified tensioner rail Original guiding rail Modified guiding rail 150 100 50 0 -225 -175 -125 -75 -25 25 x [mm] Optimization of guiding geometry 75 125 175 225 7000 Opt. 12 mm tensioner, 5750 rpm Optimum @ 5750 rpm Standard 5750 rpm Series config. @ 5750 rpm 12.0 mm tensioner, 2.5 bar, 80 N, opt. guiding set, opt. toothing Optimum @ 2000 rpm Variation 12.0 mm tensioner, 2.5 bar, 80 N, opt. guiding set 12.0 mm tensioner, 5.0 bar, 80 N, opt. guiding set 13.5 mm tensioner, 5.0 bar, 80 N, opt. guiding set 13.5 mm tensioner, 5.0 bar, 80 N, Cam-cam guiding opt. Series config. @ 2.000 rpm 0 20 40 80 60 100 13.5 mm tensioner, 5.0 bar, 80 N 120 Basis + 0.03 mm leakage gap Friction torque Friction optimization Basis IMPLEMENTING DESIGN MEASURES TO REDUCE FRICTION The designer can exercise by far the greatest influence on reducing friction in the chain drive by optimizing the chainline. Avoiding tightly curved tensioning and guide rails reduces normal force on them from the chain and, for design reasons, lowers the frictional forces that occur. Proceeding from a chain drive with tightly curved guide rail, ❺, – that has found its way into mass production on account of package restrictions – an optimized design was created and then assessed by simulation. This measure is shown to be capable of reducing friction loss by up to 70 % if it is also accompanied by adjustments to chain tensioner and tensioning-system oil supply. ❻ clearly shows that the main improvement is attributable to optimizing rail geometry (light blue bar compared to the orange bar), whereby optimizing the chain tensioner then opens up further potential. A system comparison between toothed-belt drive and chain drive published in October 2008 and showing the toothed belt to provide benefits in terms of reducing CO2 consequently delivers no fundamental statement but merely contrasts an optimum toothed-belt drive layout with a chain-drive layout that involves compromises. Yet comparing the optimized chain drive, ❼, with the optimum toothed-belt drive fails to confirm the statements made and instead verifies fric- 7.5 7.0 6.5 Friction torque [Nm] 6.0 5.5 5.0 4.5 Series layout Optimized layout 4.0 0.25 Nm 3.5 3.0 2.5 2.0 0 1000 2000 3000 4000 Engine speed [rpm] ❼ Measurement results (oil temperature main gallery: 90 °C) 0 7 - 0 8 | 2 0 1 1 Volume 72 5000 6000 7000 tional advantages for the chain drive. The theoretical potentials were examined in tests by IAV GmbH in Chemnitz, demonstrating the influence optimizing guiderail geometry has on friction. ⑦ reveals that straightening the guide rail permits a reduction in friction torque by 0.25 Nm that can be maintained across the enginespeed bandwidth at an oil temperature of 90 °C. For this reason, it is extremely important to examine the effects on chain-drive friction while laying out the engine and defining the principal dimensions, and to incorporate the findings into the design as early as possible. SUMMARY Over recent years, Iwis Motorsysteme has constantly made improvements to all components of the chain drive as well as to the basic layout concept. By selecting appropriate materials and production methods for chain and guide elements as well as modifying the chain drives, friction loss can be cut by 500 to 1000 W which can reduce CO2 emission by approximately 2 g/km. Close consultation between the engine designers on the one hand and Iwis Motorsysteme as a development partner for chain drives on the other is crucial in this context. Further potentials were tapped by analyzing plastic materials as well as by optimizing the topography of the guide elements. Beyond this, innovative chain-pin coatings permit further improvements with regard to friction and wear. 11