Nach ungezählten Versuchsreihen gibt es inzwischen Fette, die dem Strom immer weniger Widerstand

Nach ungezählten Versuchsreihen gibt es inzwischen Fette, die dem Strom immer weniger Widerstand entgegensetzen. Bild: Bosch

Den Anstoß zu dem Forschungsprojekt gab Bosch. Denn der Automobilzulieferer schraubt die Anforderungen für neue Schmierfette immer höher. Schließlich werden künftige Autos mit weitaus höheren Spannungen unterwegs sein als die heutigen Modelle.

Derzeit ist bei den Bordnetzen eine Spannung von zwölf Volt üblich, um alle elektrischen Verbraucher im Wagen zu versorgen. Binnen weniger Jahre wird diese Spannung voraussichtlich auf 48 Volt steigen, denn die Elektrik übernimmt immer mehr Funktionen. Die elektrische Spannung in den Antrieben von Elektro- und Hybridfahrzeugen ist nochmals höher und liegt zum Beispiel bei 400 Volt.

Stärkere elektrische Wechselfelder

„In Generatoren und Elektromotoren entstehen mit zunehmender Spannung stärkere elektrische Wechselfelder als bisher“, erklärt Gerd Dornhöfer, der für Bosch an dem Projekt „SchmiRmaL“ (Schaltbare intelligente Tribosysteme mit minimalen Reibverlusten und maximaler Lebensdauer) beteiligt ist.

Gerd Dornhöfer von Bosch testet im Forschungslabor Proben von Schmierstoffen. Bild: Bosch

Daher kann es zum Beispiel in den Kugellagern von Motoren oder Generatoren zu elektrischen Entladungen kommen. Dann springen Funken über und lassen winzige Bereiche des Metalls schmelzen. So kommt es zu Kratern in den Laufbahnen. Dadurch werden die Lager erst laut und fallen dann frühzeitig aus. „Das können wir mit den neuen Schmierstoffen bereits heute zuverlässig verhindern“, sagt Dornhöfer.

Elektrische Überschläge kennt jeder, der an einer Türklinke schon einmal einen kleinen elektrischen Schlag bekommen hat. Wenn der Finger nur noch wenige Millimeter von der Klinke entfernt ist, springt ein elektrischer Funke über. Die Luft zwischen Türgriff und Finger wirkt so lange als Isolator, bis der Finger nahe genug dran ist.

Schmierfilm wirkt als Isolator

Genau das kann auch passieren, wenn zwischen Welle und Gehäuse in Elektromotoren eine Spannung entsteht, weil der Schmierfilm in der Lagerung als Isolator wirkt. Diese in Kugellagern verwendeten Schmierfette trennen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit Kugeln und Laufbahn voneinander – ähnlich dem Aquaplaning bei nasser Straße.

Die Infografik zeigt den Effekt von isolierenden (oben rechts) und elektrisch leitenden (unten rechts) Schmierstoffen. Im ersten Fall kann es durch das isolierende Schmierfett (gelbe Schicht) zu elektrischen Entladungen kommen (symbolisiert durch rote Blitze). Die Laufflächen des Lagers können dabei Schaden nehmen. Ist das Schmierfett hingegen leitfähig (grüne Schicht), bleiben die unerwünschten Entladungen aus. Bild: Bosch

Anders als auf der Straße ist das im Kugellager gewünscht, damit die Lager eine geringe Reibung und möglichst keinen Verschleiß erzeugen. Die Folge ist jedoch, dass sich die Lager bei intaktem Schmierfilm aufladen können. Das lässt sich am ehesten mit einem Kondensator vergleichen. Wenn die aufgebaute Spannung ausreicht, kann sie den isolierenden Schmierfilm durchschlagen. Die Energie reicht aus, um das Metall der Lauffläche an einer winzigen Stelle für kurze Zeit schmelzen zu lassen. Passiert das immer wieder, sammeln sich irgendwann winzige Störstellen am Lager.

„Das wollen wir unbedingt verhindern. Denn an diesen Stellen kann es mit der Zeit zu größeren Schäden kommen“, erläutert Dornhöfer. Ingenieure sprechen dabei vom sogenannten Elekro-Pitting. Im weitesten Sinne lässt sich das mit einem Schlagloch in der Laufbahn übersetzen. Die Energie dieser Entladungen wird in Zukunft potenziell größer, wenn Leistungsdichte und Bordnetzspannung zunehmen.

„Es gibt mehrere Strategien, um das zu erreichen“, erklärt Dornhöfer. „Man könnte dem Fett feine Metallpartikel beimischen, um den Strom zu leiten. Aber dann wirkt das Schmierfett auch als Schleifmittel, das verbietet sich natürlich.“ Viel besser geeignet sind sogenannte ionische Flüssigkeiten. Chemisch betrachtet handelt es sich um Moleküle, die eine elektrische Ladung tragen (Ionen). „Ionische Flüssigkeiten leiten den Strom, und daher mischen wir diese Substanzen in unsere Schmierfette“, erklärt Dornhöfer.

Widerstand um das Zehnmillionenfache verringert

Nach ungezählten Versuchsreihen gibt es inzwischen Fette, die dem Strom immer weniger Widerstand entgegensetzen. Oder anders formuliert: Das Schmierfett leitet die Elektronen im Kugellager wie gewünscht ab und verhindert so die unerwünschten elektrischen Überschläge. Ausgangsmaterial war ein industrielles, kommerziell erhältliches Schmierfett. „Durch den Zusatz der richtigen ionischen Flüssigkeiten in der Kombination mit leitfähigem Kohlenstoff lässt sich dessen Widerstand inzwischen um das Zehnmillionenfache verringern“, berichtet der Bosch-Wissenschaftler. Das reicht aus, um die unerwünschten elektrischen Entladungen zu vermeiden.

In den Kugellagern von Motoren oder Generatoren kann es zu elektrischen Entladungen kommen. Dann springen Funken über und lassen winzige Bereiche des Metalls schmelzen. Mit Hilfe der neuen Schmiermittel soll das verhindert werden. Bild: Bosch

Derzeit ist Dornhöfer damit beschäftigt, alle Eigenschaften des Schmierfetts zu untersuchen. Außer der hohen Lebensdauer der Lager gehören dazu Hitzebeständigkeit und Kältefliessfähigkeit. Zudem muss sichergestellt sein, dass sich die Korrosions-Schutzwirkung des Fettes durch die neuen Zusätze nicht verschlechtert. Auch darf das neue Fett Mensch und Umwelt nicht gefährden.

Höhere Lebensdauer für viele Maschinenelemente

„Die bisherigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend“, zeigt sich Dornhöfer zufrieden. Am Erfolg sind viele Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen beteiligt. „Jeder für sich alleine kann diese Suche nicht bewältigen. Wir alle tragen etwas bei und lernen dabei voneinander“, sagt Dornhöfer. Das Projekt läuft noch bis zum April 2015. Die Chance sei groß, dass die neuen Schmierfette im Anschluss industriell eingesetzt werden.

Dabei geht der Nutzen des Projekts weit über die Anwendung in Elektromotoren hinaus. Die neuen Schmiermittel erhöhen die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von höchstbelasteten Maschinenelementen, insbesondere Wälz- und Gleitlagern und Getriebekomponenten. Bei gleicher Baugröße lässt sich die Leistungsfähigkeit verbessern oder, unter Beibehaltung der Leistungsfähigkeit, die Baugröße verringern. Zugleich helfen die Schmiermittel dabei, den Energieverbrauch zu reduzieren, beziehungsweise den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Alle Beiträge zu den Stichwörtern Bosch Automobilzulieferer

Gabriel Pankow/Bosch