Αγώγιμα λιπαντικά για μειωμένη φθορά των ρουλεμάν

Στο μέλλον, τα ηλεκτρικά αγώγιμα λιπαντικά θα προστατεύουν τους ηλεκτροκινητήρες από την επιφανειακή ζημιά που μπορεί να προκύψει από την ηλεκτρική εκφόρτιση στα ρουλεμάν. Με αυτά τα ευρήματα, τα οποία είναι αποτέλεσμα ενός κοινού ερευνητικού προγράμματος, μια ομάδα Γερμανών βασικών και βιομηχανικών μηχανικών έχουν κάνει ένα σημαντικό βήμα προς την επίτευξη της βιώσιμης ηλεκτροκίνησης του μέλλοντος. Το έργο χρηματοδοτείται από το Γερμανικό Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας.

Η πρωτοβουλία ξεκίνησε για να προετοιμαστεί για τα οχήματα του μέλλοντος, τα οποία θα απαιτούν υψηλότερες τάσεις από τα σημερινά μοντέλα. Προς το παρόν, απαιτούνται 12 βολτ για να παρέχουν επαρκή ισχύ σε όλα τα ηλεκτρικά συστήματα αυτοκινήτων - από φώτα και ραδιόφωνα μέχρι κλιματιστικά. Μέσα στα επόμενα χρόνια, το ποσοστό αναμένεται να ανέλθει στα 48 βολτ, καθώς απαιτείται ηλεκτρική ενέργεια για έναν αυξανόμενο αριθμό λειτουργιών. Τα επίπεδα τάσης των ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων είναι ακόμη υψηλότερα: αυτά τα οχήματα μπορούν να απαιτούν έως και 400 βολτ.

Ισχυρά εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία

«Στους εναλλάκτες και τους ηλεκτρικούς κινητήρες, τα υψηλότερα επίπεδα τάσης σημαίνουν ότι τα εναλλασσόμενα ηλεκτρικά πεδία είναι ισχυρότερα από ό,τι ήταν κάποτε», λέει ο Δρ. απώλειες και μέγιστη διάρκεια ζωής). Αυτό μπορεί να προκαλέσει, για παράδειγμα, ηλεκτρική εκκένωση στα ένσφαιρα ρουλεμάν κινητήρων και εναλλάκτη . Όταν συμβεί αυτό, μπορεί να πετάξουν σπινθήρες που μπορούν να λιώσουν μικροσκοπικές περιοχές της επιφάνειας του μετάλλου. Αυτό, με τη σειρά του, οδηγεί σε άνισους δρόμους αγώνων. Ως αποτέλεσμα αυτού, τα ρουλεμάν αρχίζουν πρώτα να κάνουν θόρυβο και στη συνέχεια να δυσλειτουργούν. «Μπορούμε ήδη να αποτρέψουμε αυτό να συμβεί αξιόπιστα με τα λιπαντικά που έχουμε αναπτύξει», λέει ο Dornhöfer καθώς κοιτάζει τα αποτελέσματα των μετρήσεων στον υπολογιστή του. Ο επικεφαλής εμπειρογνώμονας για την τεχνολογία λίπανσης εργάζεται για το τμήμα εταιρικής έρευνας στο Gerlingen, κοντά στη Στουτγάρδη.

Όποιος έχει πάθει ποτέ μια μικρή ηλεκτροπληξία από ένα πόμολο πόρτας είναι εξοικειωμένος με τα στατικά φορτία. Όταν το δάχτυλο απέχει λίγα μόλις χιλιοστά από το πόμολο της πόρτας, ένας ηλεκτρικός σπινθήρας αναπηδά ανάμεσα στα δύο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική τάση, τόσο περισσότερο ταξιδεύει ο σπινθήρας. Ο αέρας μεταξύ της λαβής της πόρτας και του δακτύλου λειτουργεί ως μονωτής έως ότου το δάχτυλο πλησιάσει αρκετά στο πόμολο.

Το λιπαντικό φιλμ δρα ως μονωτικό

Το ίδιο μπορεί επίσης να συμβεί όταν δημιουργείται ρεύμα μεταξύ του άξονα και του περιβλήματος ενός ηλεκτροκινητήρα, καθώς η λιπαντική επίστρωση στο ρουλεμάν λειτουργεί ως μονωτήρας. Καθώς αυξάνεται η ταχύτητα περιστροφής, τα λιπαντικά γράσα στα ένσφαιρα ρουλεμάν διαχωρίζουν τα ρουλεμάν από το διάδρομο. Αυτό είναι συγκρίσιμο με την υδρολίσθηση σε βρεγμένους δρόμους. Σε αντίθεση με τους δρόμους, ωστόσο, αυτό το φαινόμενο είναι επιθυμητό στα ρουλεμάν, καθώς ελαχιστοποιεί την τριβή που δημιουργείται από τα ρουλεμάν καθώς και τις επιφανειακές ζημιές. Ωστόσο, αυτό μπορεί επίσης να οδηγήσει σε επαναφόρτιση των ρουλεμάν όταν το λιπαντικό φιλμ είναι άθικτο, παρόμοια με έναν πυκνωτή. Όταν η ενσωματωμένη τάση είναι επαρκής, μπορεί να διεισδύσει στο λιπαντικό γράσο μόνωσης. Αυτή η ενέργεια αρκεί για να λιώσει για λίγο μια μικροσκοπική περιοχή μετάλλου στην επιφάνεια του ρουλεμάν. Εάν αυτό συμβαίνει επανειλημμένα, τελικά εμφανίζονται μικροσκοπικές ατέλειες στο ρουλεμάν. «Θέλουμε να το αποτρέψουμε με κάθε κόστος, καθώς μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερη ζημιά σε αυτά τα σημεία με την πάροδο του χρόνου», λέει ο επιστήμονας της Bosch. Οι μηχανικοί αναφέρονται σε αυτό ως ηλεκτρικό κοίλωμα . Η διαδικασία οδηγεί σε κατεστραμμένες περιοχές στον αυτοκινητόδρομο που είναι συγκρίσιμες με λακκούβες. Στο μέλλον, η ενέργεια αυτών των εκκενώσεων μπορεί να γίνει μεγαλύτερη καθώς αυξάνεται η πυκνότητα ισχύος και οι τάσεις των ηλεκτρικών συστημάτων αυτοκινήτων.

Υπό το φως αυτού του πιθανού προβλήματος, η στρατηγική του έργου SchmiRmal επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων λιπαντικών, των οποίων οι ουσίες παραμένουν αγώγιμες ακόμη και σε υψηλότερα επίπεδα τάσης. Ως αποτέλεσμα, αυτά τα λιπαντικά δεν λειτουργούν αρχικά ως μονωτές. Τα επίπεδα τάσης δεν αυξάνονται πλέον, ούτε η δυνητικά καταστροφική ηλεκτροστατική εκφόρτιση .

«Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς τρόπους», είπε ο Dornhöfer. «Θα μπορούσε κανείς, για παράδειγμα, προσθέστε λεπτά σωματίδια μετάλλου στο γράσο για τη διεξαγωγή του ρεύματος. Αλλά αυτό θα σήμαινε ότι το λιπαντικό γράσο θα λειτουργούσε και ως λειαντικό, και φυσικά θέλουμε να το αποφύγουμε». Εδώ, ιοντικά υγρά είναι πιο κατάλληλες. Σε χημικούς όρους, αυτά περιλαμβάνουν μόρια γνωστά ως ιόντα που διεξάγουν ένα ηλεκτρικό φορτίο. «Τα ιοντικά ρευστά άγουν ηλεκτρισμό και αυτός είναι ο λόγος που προσθέτουμε αυτές τις ουσίες στα λιπαντικά μας», είπε ο Dornhöfer.

Το τελικό λιπαντικό έχει μειωμένη ηλεκτρική αντίσταση

Μετά από αμέτρητες δοκιμές, οι επιστήμονες έχουν πλέον καταλήξει σε γράσα που είναι όλο και λιγότερο ανθεκτικά στον ηλεκτρισμό. Με άλλα λόγια: το λιπαντικό άγει τα ηλεκτρόνια όπως επιθυμείτε στο ρουλεμάν και έτσι αποτρέπει τις τρομακτικές ηλεκτρικές εκρήξεις. Το αρχικό υλικό ήταν ένα βιομηχανικό λιπαντικό που διατίθεται στο εμπόριο. «Χρησιμοποιώντας τα σωστά ιοντικά υγρά σε συνδυασμό με αγώγιμο άνθρακα, η αντίστασή του μπορεί να μειωθεί κατά δέκα εκατομμύρια», λέει ο επιστήμονας της Bosch. Αυτό είναι αρκετό για να αποτρέψει τις ανεπιθύμητες ηλεκτρικές εκκενώσεις.

Ενώ το νέο γράσο είναι μαύρο, κατά τα άλλα μοιάζει σε μεγάλο βαθμό με τον προκάτοχό του. Προς το παρόν, ο Dornhöfer εστιάζει εν μέρει στη διερεύνηση όλων των χαρακτηριστικών του γράσου. Για να εξασφαλιστεί μεγάλος κύκλος ζωής, τα ρουλεμάν πρέπει να είναι ανθεκτικά στη θερμότητα και να έχουν ιδιότητες ψυχρής ροής. Επιπλέον, τα νέα πρόσθετα δεν πρέπει να θέτουν σε κίνδυνο τις ιδιότητες αντιδιαβρωτικής προστασίας του γράσου. Και είναι αυτονόητο ότι το νέο γράσο δεν πρέπει να αποτελεί κίνδυνο για την ανθρώπινη υγεία ή το περιβάλλον. Όλα αυτά δοκιμάζονται επί του παρόντος ως μέρος του έργου BMBF. «Μέχρι στιγμής, τα ευρήματά μας ήταν πολλά υποσχόμενα», λέει ο Dornhöfer.

Πολλοί επιστήμονες από ένα ευρύ φάσμα κλάδων και τομέων έχουν συμβάλει σε αυτή την επιτυχία. «Κανείς δεν μπορεί να βρει αυτές τις λύσεις μόνος του. Όλοι συνεισφέρουμε και μαθαίνουμε ο ένας από τον άλλον», λέει ο Dornhöfer. Το έργο έχει προγραμματιστεί να διαρκέσει μέχρι τον Απρίλιο του 2015. «Είναι μεγάλες οι πιθανότητες τα νέα λιπαντικά να βρουν βιομηχανική εφαρμογή μετά το έργο».

Μεγαλύτερη διάρκεια ζωής για εξαρτήματα μηχανής

Τα οφέλη από το έργο του έργου ξεπερνούν τις εφαρμογές για ηλεκτρικούς κινητήρες. Τα νέα λιπαντικά μπορούν επίσης να αυξήσουν τη διάρκεια ζωής και την αξιοπιστία των στοιχείων της μηχανής που αντιμετωπίζουν υψηλά επίπεδα καταπόνησης, ειδικά των κυλίνδρων και των απλών ρουλεμάν και των εξαρτημάτων μετάδοσης. Επιπλέον, η απόδοση μπορεί να βελτιωθεί για κινητήρες ίδιου μεγέθους ή να διατηρηθεί εάν οι κινητήρες είναι μικρότεροι. Ταυτόχρονα, τα λιπαντικά συμβάλλουν στη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και στην αύξηση της απόδοσης.

Οι συμμετέχοντες στο έργο SchmiRmaL

Η Klüber Lubrication SE & Co. KG (Μόναχο) είναι ένας εξειδικευμένος κατασκευαστής λιπαντικών. Η IoLiTec-Ionic Liquids Technologies GmbH (Heilbronn) αναπτύσσει ιοντικά υγρά. Η Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG (Herzogenaurach) είναι ένας προμηθευτής αυτοκινήτων που αναπτύσσει και κατασκευάζει ρουλεμάν κύλισης. Ο ρόλος της εταιρείας στο έργο είναι να αξιολογήσει πώς νέοι τύποι λαδιού μπορούν να βελτιώσουν τη διάρκεια ζωής των ρουλεμάν. Η Inprotec AG (Heitersheim) αναπτύσσει εξαιρετικά αποτελεσματικές επικαλύψεις που προστατεύουν από την τριβή. Κατά τη διάρκεια του έργου, η SCHUNK GmbH & Co. KG (Lauffen/Neckar) εργάζεται για τη βελτίωση της ανθεκτικότητας μιας βαλβίδας. Χρησιμοποιώντας μοντέλα υπολογιστών, το Fraunhofer Institute for Algorithms and Scientific Computing SCAI (Sankt Augustin) κάνει προβλέψεις σχετικά με τις πιθανές περιβαλλοντικές επιπτώσεις των νέων ιοντικών ρευστών. Κατά τη διάρκεια του έργου, το Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM (Freiburg im Breisgau) εστιάζει κυρίως στην πιθανή λιπαντική επίδραση των ιοντικών υγρών. Η Bosch εφαρμόζει αυτά τα νέα λιπαντικά και δοκιμάζει την καταλληλότητά τους σε πραγματικές συνθήκες.