Einlaufverhalten nasslaufender Lamellenkupplungen im Schlupfbetrieb

Die Versuchsmethode für Kupplungen im Schlupfbetrieb wird aus der bereits in [13] veröffentlichten Versuchsmethode für lastschaltende Kupplungen abgeleitet. Mit dem Ziel, das Reibungsverhalten schlupfender Kupplungen möglichst anwendungsnah zu untersuchen, wird als Betriebsart Instationärschlupf (vgl. Abb. 1) gewählt.

Analog zur Versuchsmethode für lastschaltende Kupplungen wird auch für Instationärschlupf ein Lastkollektiv bestehend aus je einem Schlupfzyklus auf verschiedenen anwendungstypischen Laststufen entwickelt (vgl. Abb. 2). So kann das Einlaufverhalten auf mehreren anwendungsnahen Lastniveaus charakterisiert werden. Um die spezifischen Belastungen der Kupplungen im Versuch möglichst anwendungsnah zu wählen, werden Fahrzeugdaten aus verschiedenen Testfahrten (Rennstrecken, Passstraßen, µ‑split) ausgewertet und relevante Lastzustände identifiziert. Das Vorgehen ist in [12] umfassend beschrieben. Zudem finden die Produktspezifikationen der verwendeten Reibbeläge Berücksichtigung.

Das Lastkollektiv wird zyklisch wiederholt, bis der Einlauf sicher abgeschlossen ist (hier 250 Kollektivwiederholungen).

Die Auswertung des Einlaufverhaltens erfolgt in mehreren Schritten. Ein grundlegender und wichtiger Schritt besteht in einer umfassenden Betrachtung der Reibcharakteristiken sowie der Identifikation charakterisierender Reibungszahlkennwerte. Im Schlupfbetrieb werden die neu entwickelten Reibungszahlkennwerte µ_top und m_µ herangezogen [12, 13]. µ_top beschreibt hierbei die Reibungszahl bei maximaler Gleitgeschwindigkeit (100 % v_g,max) und charakterisiert damit das Reibungszahlniveau. Der Kennwert m_µ quantifiziert die Steigung einer Ausgleichsgeraden (lineare Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate) im Gleitgeschwindigkeitsbereich 30…80 % v_g,max und charakterisiert somit die Reibschwingneigung. Abb. 3 zeigt exemplarische Messsignalverläufe von Axialkraft F_A, Drehmoment T_R, Drehzahl n und errechneter Reibungszahl µ (Abb. 3a) und die zugehörigen Reibcharakteristiken der fallenden und steigenden Flanke des fünften Schlupfzyklus samt den Werten für µ_top und m_µ (Abb. 3b).

Die Reibungszahlkennwerte werden in Reibungszahltrends über der Schaltungszahl aufgetragen, um die Entwicklung des Reibungsverhaltens zu visualisieren. Das Ende des Einlaufs wird mittels mathematischer Methoden identifiziert; [12] stellt hierzu zwei verschiedene mathematische Methoden vor. Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse mittels der Methode der linearen Regressionsanalyse ermittelt, da diese aufgrund ihrer breiten Anwendbarkeit eine hohe Anwendungsorientierung aufweist. Hierbei wird beginnend mit den Reibungszahlkennwerten der letzten zwanzig Kollektivdurchläufe des Versuchs (hier 231 bis 250) eine lineare Regressionsanalyse durchgeführt und die Messwerte dieser zwanzig Kollektivdurchläufe durch eine parametrierbare Geradengleichung (1) beschrieben; dann werden die Residuen, also Abweichungen der Einzelmesswerte von der Ausgleichsgeraden, aller vorherigen Kollektivdurchläufe (hier 1 bis 230) bestimmt. Im nächsten Schritt wird für die Bestimmung der Geradengleichung der letzte vorhergehende Kollektivdurchlauf (hier 230, dann 229, usw.) hinzugezogen, sodass die Basis der Geraden größer wird. Dies wird iterativ durchlaufen, bis alle Residuen der vorher gefahrenen Kollektivdurchläufe das gleiche Vorzeichen aufweisen, also entweder ober- oder unterhalb der Regressionsgeraden liegen. Ist dieses Abbruchkriterium erreicht, so ist der Übergang vom nichtlinearen Bereich des Trendverlaufs in den linearen und damit das Ende des Einlaufs gefunden.

Neu entwickelte Kennwerte charakterisieren das Einlaufverhalten: Der Kennwert x_lin gibt die Dauer des Einlaufs an; der Kennwert ∆µ_start beschreibt die maximale Reibungszahländerung im Einlauf.

In Abb. 4 umfasst die Dauer des Einlaufs x_lin = 69 Kollektivdurchläufe; die Reibungszahländerung im Einlauf beträgt ∆µ_start = 0,027.

Die Kennwerte ∆µ_start und x_lin quantifizieren das Einlaufverhalten. Bei einer Gegenüberstellung mehrerer Reibsysteme ist es das Ziel, deren Einlaufverhalten anhand eines Kennwerts ganzheitlich bewerten zu können. In [12] wird deshalb der Kennwert Einlauf-Systembewertung EW entwickelt, der die charakterisierenden Kennwerte ∆µ_start und x_lin zusammenführt. Zur Ermittlung des Kennwerts werden die charakterisierenden Kennwerte ∆µ_start und x_lin normiert, indem diese ins Verhältnis zu Bezugsgrößen ∆µ_start,N und x_lin,N gesetzt werden (vgl. Formeln (2) und (3)). Diese Bezugsgrößen können z. B. Sollanforderungen (aus Praxisfunktionalität), der IST-Zustand des derzeit in Serie befindlichen Systems oder Mittelwerte über alle betrachteten Reibsysteme sein. Die so berechneten, normierten Kennwerte \(\Updelta \upmu _{\text{start}}^{\mathrm{*}}\) und \(\mathrm{x}_{\mathrm{lin}}^{\mathrm{*}}\) zum Einlaufverhalten werden gemäß Formel (4) mit den Faktoren q₁ und q₂ gewichtet und in den Kennwert Einlauf-Systembewertung EW zur ganzheitlichen Bewertung des Einlaufverhaltens überführt. Ein System mit identischem Einlaufverhalten wie das Bezugssystem hat hierbei einen Wert EW von 0. Weist das betrachtete System ein besseres Einlaufverhalten als das Bezugssystem auf, ist der Wert EW positiv, bei einem schlechteren Einlaufverhalten ist der Wert EW negativ. Formel (5) gibt die mathematischen Grenzen der Gewichtungsfaktoren vor.

Analog der Kennwerte ∆µ_start und x_lin sind die Werte EW für jede Laststufe des Lastkollektivs zu bestimmen. Um das Einlaufverhalten unterschiedlicher Reibsysteme gegenüberzustellen, wird in der vorliegenden Arbeit der Mittelwert \(\overline{\mathrm{EW}}\) über die Werte EW aller Laststufen gebildet.

Die Untersuchungen werden an Kupplungen in zwei Baugrößen BCI und BCII aus den Anwendungsfeldern Verteilergetriebe und Sperrdifferential durchgeführt. Es erfolgt eine Variation der Stahllamellenbeschaffenheit, des Reibbelags und des Schmierstoffs. Hierbei kommen je zwei typische Stahllamellenvarianten, Reibbeläge und Schmierstoffe zum Einsatz. Abb. 5 zeigt Fotos der Stahl- und Belaglamellen mit Angabe der mittleren Reibradien r_m.

Tab. 1 führt die Stahllamellenvarianten beider Baugrößen auf.

Die Reibbeläge sind Carbonreibbeläge und tragen die Bezeichnungen LSD‑A und LSD‑B. Reibbelag LSD‑A ist Serienbelag in der Baugröße BCI, LSD‑B in der Baugröße BCII. Die Reibbeläge wurden auch auf die Serienbelagträger der jeweils anderen Baugröße aufgebracht.

Als Schmierstoffe werden typische Serienöle aus den Anwendungen Sperrdifferential (LSD-I) und Verteilergetriebe (LSD-II) verwendet. In Tab. 2 sind die technischen Daten der Schmierstoffe gemäß Datenblatt zusammengestellt.