Festschmierstoffen im Weltall
Die Luftfahrtindustrie benötigt Kraftübertragungsmechanismen, die bei Temperaturen von bis zu -173 Grad Celsius funktionieren. Das Signal-Rausch-Verhältnis von Sensoren nimmt mit sinkender Temperatur zu. Solche kryogenen Umgebungen können präzise Messungen, wie sie in Fern-Infrarot-Spektroskopie erforderlich sind, sicherstellen. Derzeit bieten Harmonic Drive®-Getriebe eine hohe Steifigkeit und hohe Genauigkeit, selbst bei sehr niedrigen Drehzahlen, aber ihre Verwendung wird durch die Notwendigkeit für Fett- oder Ölschmierung beschränkt. Forscher des EU-finanzierten Projekts HARMLES (Dry lubricated Harmonic Drives for space applications) untersuchten die Verwendung von Festschmierstoffen, um ihre Eignung für einen Temperaturbereich von -170 Grad Celsius bis zu 300 Grad Celsius zu ermöglichen. Aufgrund des niedrigen Drucks und der Temperatur im Weltall entsteht bei flüssigen Schmiermitteln die Gefahr von Ausgasungen und Verdunstung. Dies führt zum Verlust der Schmiereffizienz sowie zu entgasten Produkten, die auf der empfindlichen Oberfläche der optischen Komponenten abgeschieden werden. Für Zahnräder mit hohen Anforderungen bieten Dünnfilmbeschichtungen auf Basis von Molybdändisulfid (MoS2) eine attraktive Alternative. Die Forscher von HARMLES entwickelten eine fortschrittliche Beschichtung auf Basis MoS2. Dabei handelt es sich um eine Verbundbeschichtung, die aus einer Wolframkarbid-Zwischenschicht sowie einer obersten Schicht mit einem Festschmierstoff aus verstärktem MoS2 besteht. Um das tribologische Verhalten zu validieren, wurden umfangreiche Tests durchgeführt. Darunter Pin-on-Disc- und Passungsrost-Tests, die mit der Leistung verschiedener Beschichtungstypen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff verglichen wurden. HARMLES wollte Harmonic Drive®-Getriebe neu konstruieren, und zwar auf Basis der Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse und von numerischen Simulationen der Kinematik der Zahnräder. Potenzielle Designänderungen wurden unter Berücksichtigung der Fähigkeiten der Trockenschmierung erarbeitet. HARMLES konnte innerhalb der Projektlaufzeit die Lebensdauer der Zahnräder um einen Faktor von 20 erhöhen, wohingegen die Eigenschaften der Prototypen im Einklang mit den Anforderungen der Raumfahrtindustrie definiert standen: Bei 4 Nm wurden Lebensdauern von bis zu 20.000 Ausgangsumdrehungen bei Vakuumprüfung erreicht (teilweise sogar ohne Ausfall am Ende der Prüfung und im Vergleich zu ein paar hundert zu Beginn des Projekts). Im Gegensatz zu fettgeschmierten HD-Getrieben war die Effizienz des Getriebes während des Vakuumhärtetests die ganze Zeit über nahezu stabil. HARMLES wird die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Raumfahrtindustrie, die bereits Interesse an dieser Entwicklung zeigt, stärken. Nach mehreren Veröffentlichungen stiegen bereits die Anfragen von Unternehmen. Dennoch werden weitere Verbesserungen für möglich gehalten. Spin-offs für Hochvakuumanwendungen in der Halbleiterindustrie und für Tieftemperaturumgebungen in großen Versuchseinrichtungen wie dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) sollen folgen.
Schlüsselbegriffe
Festschmierstoffe, Harmonic Drive®-Getriebe, Kraftübertragung, kryogene Umgebung, Molybdändisulfid, Finite-Elemente-Analyse, Tribologie, Reibung und Verschleiß
