Ressourceneffiziente Gleitlager Wie mit Supraschmierung nahezu reibungsfreie Gleitlager erreicht werden

Quelle: Fraunhofer IWM / Redakteur: Dorothee Quitter

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20 Prozent der weltweit erzeugten Energie geht durch Reibung verloren. In technischen Anlagen wird sie vielfach über Wälz- oder Gleitlager reduziert. Damit Gleitlager so ressourceneffizient wie Wälzlager werden, haben Fraunhofer-Forscher eine Supraschmierung entwickelt. Sie wird jetzt vom Labor in die Anwendung gebracht.

Anwendungsnaher Nachweis der Supraschmierung mit einem Gleitpad-Tribometer und Molekulardynamik-Simulation zwischen zwei oxidierten Siliziumcarbid-Oberflächen (blau: Wasser; violett: gelöste Ionen).
Anwendungsnaher Nachweis der Supraschmierung mit einem Gleitpad-Tribometer und Molekulardynamik-Simulation zwischen zwei oxidierten Siliziumcarbid-Oberflächen (blau: Wasser; violett: gelöste Ionen).
(Bild: Fraunhofer IWM)

Gleitlager punkten mit einem einfachen Aufbau und niedrigen Kosten, weisen allerdings Reibwerte von ca. 0,1 auf und eine sinkende Energieeffizienz bei höheren Drehzahlen. Wälzlager kommen zwar auf Reibwerte von lediglich 0,01, jedoch sind sie komplizierter aufgebaut, lauter und teurer. Daher greifen Konstrukteure vielfach auf die einfacheren Gleitlager zurück. Eine Lösung, damit Gleitlager ebenso ressourceneffizient wie Wälzlager werden, könnte künftig die Supraschmierung sein.

Material, Oberfläche und Schmierstoff aufeinander abgestimmt

Wie das Fraunhofer IWM mitteilt, können extrem niedrige Reibwerte realisiert werden, wenn Materialien, Oberflächen und Schmierstoff sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Um die Reibungsmechanismen gezielt beeinflussen zu können, müssten diese bis auf die atomare Ebene verstanden werden. Und es bedarf multiskaliger Simulationen, mit denen chemische Prozesse oder tribologische Mutationen an der Oberfläche aufgeklärt werden können. Bislang lassen sich solche suprageschmierten Modellsysteme nur im Labor realisieren. Die Herausforderung sei deren Langzeit- und Temperaturstabilität unter Praxisbedingungen. Auch sind vielfach spezielle Materialien notwendig, die nur unter einer bestimmten Gasatmosphäre stabil sind, heißt es.

Supraschmierung vom Labor in die Anwendung bringen

Forschende der Institute Fraunhofer IWM, IWS, IKTS und IPA arbeiten in enger Wechselwirkung mit Industrieunternehmen nun im Projekt „SupraSlide“ daran, die Supraschmierung vom Labor in die Anwendung zu bringen. Die Institute Fraunhofer IKTS und IWM arbeiten dabei an der Entwicklung, Herstellung und Charakterisierung geeigneter keramischer Werkstoffe. Die Institute Fraunhofer IWM und IWS sorgen für diamantähnliche Kohlenstoffschichten, mit denen die Gleitlager-Oberflächen beschichtet werden. Bei den Schmierstoffen setzt das Team auf nachhaltige, wasserbasierte Schmierstoffe wie Glycerol und Polyethylenglykole. An den beiden Instituten werden auch die nötigen tribologischen Tests durchgeführt, während das Fraunhofer IPA die Demonstratoren entwickelt und evaluiert.

Erste Material- und Schmierstoffkombinationen identifiziert

Nach Angaben des Fraunhfer IWM hat das Forschungsteam bereits erste Ergebnisse erzielt. So wurden unterschiedliche Material- und Schmierstoffkombinationen identifiziert, die bei einem breiten Lastkollektivfenster Supraschmierung erreicht haben. Auch das Reibniveau konnte stabil über einen längeren Versuchszeitraum aufrecht halten. Zum Projektende im Frühjahr 2024 soll zum einen ein Baukasten für Supragleitlager stehen, die eine Energieersparnis zu herkömmlichen Gleitlagern von 90 Prozent ermöglichen, und zum anderen drei suprageschmierte Demonstratoren: Die Achse eines Elektromotors für E-Bikes, eine Pumpe mit entsprechenden Gleitlagern und Gleitringdichtungen sowie ein Positionierungssystem für die Robotik.

Am 2. Dezember 2022 gibt es ein kostenfreies Webinar zum Thema „Stabile Flüssigsupraschmierung“.

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