FZG-Prüfstand für E-Fluids: Getriebeölprüfung bei 22.500 U/min am Ritzel
Elektrische Antriebe drehen mit über 20.000 U/min. Ihre Getriebeöle werden bei rund einem Zehntel davon bewertet. Mit dem FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand schließt Strama-MPS diese Lücke – und behält dabei die Vergleichbarkeit zu den etablierten FZG-Normtests.
Eine Zehnerpotenz Unterschied
Wer ein Getriebeöl für den Automobilbau qualifiziert, kommt an einer Prüfanlage nicht vorbei: dem FZG-Zahnrad-Verspannungsprüfstand. Seit Jahrzehnten ist er der Bezugspunkt, wenn es um Fresstragfähigkeit, Verschleißverhalten und Grauflecken geht. Die zugehörigen Prüfverfahren gehen auf die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) der Technischen Universität München zurück und sind heute international genormt.
Der Prüfstand wurde für eine Antriebswelt entwickelt, in der Verbrennungsmotoren die Drehzahl vorgaben. Im klassischen Normtest dreht das Ritzel mit rund 2.250 U/min. Das war passend – solange die geprüften Getriebe in einem ähnlichen Bereich arbeiteten.
Elektrische Antriebsstränge tun das nicht. Sie erreichen heute 15.000 bis über 20.000 U/min, und die Entwicklung geht weiter nach oben, weil höhere Drehzahlen kleinere, leichtere und effizientere Maschinen erlauben. Zwischen der Bedingung, unter der ein Getriebeöl bewertet wird, und der Bedingung, unter der es arbeitet, liegt damit rund eine Zehnerpotenz.
Was in dieser Lücke passiert
Man könnte annehmen, dass sich Ergebnisse aus dem Normtest einfach hochrechnen lassen. Das funktioniert nicht, weil bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten Effekte dominieren, die im klassischen Drehzahlbereich kaum eine Rolle spielen:
- Ölverteilung und Planschverluste. Bei hohen Drehzahlen entscheidet die Frage, wie viel Öl überhaupt in den Zahnkontakt gelangt – und wie viel dabei im Sumpf verwirbelt wird. Sumpf- und Einspritzschmierung verhalten sich hier grundlegend unterschiedlich.
- Luft- und Schaumeintrag. Was bei 2.000 U/min eine Randbedingung ist, kann bei 20.000 U/min die Schmierfilmbildung maßgeblich beeinflussen.
- Sehr kurze Kontaktzeiten. Additive brauchen Zeit, um an der Oberfläche zu reagieren und schützende Reaktionsschichten aufzubauen. Bei hoher Überrollfrequenz steht diese Zeit nicht mehr im gleichen Maß zur Verfügung.
- Niedrige Viskositäten. Dedizierte E-Fluids sind bewusst dünnflüssiger, um Verluste zu senken. Ihre Tragfähigkeitsreserven verhalten sich unter Highspeed-Bedingungen anders als im gewohnten Bereich.
- Thermik. Höhere Leistungsdichte bedeutet höheren Wärmeeintrag auf kleinerem Raum – bei gleichzeitig oft geringerer Ölmenge.
Für die Schmierstoffentwicklung heißt das: Ein E-Fluid kann im Normtest unauffällig abschneiden und im realen Betrieb hervorragend sein – oder umgekehrt. Beides ist ein Problem, wenn Freigabeentscheidungen darauf beruhen.
Der Prüfstand
Der FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand von Strama-MPS erreicht 22.500 U/min am Ritzel bei einem maximalen Verspannmoment von 600 Nm. Im Verspannkreis werden dabei 1.413 kW (22.500 U/min und 600 Nm) umgesetzt.
Entscheidend ist aber nicht nur die Drehzahl, sondern auch die Geometrie: Mit einem Achsabstand von 91,5 mm und einer Übersetzung von 1,5 entspricht der Prüfstand der FZG-Standardgeometrie. Die etablierten FZG-Normtests lassen sich damit weiterhin fahren und verifizieren. Anwender bekommen also keine zweite, isolierte Datenwelt, sondern eine Erweiterung ihrer bestehenden – auf demselben Prüfstand.
Dazu kommt, was Highspeed-Untersuchungen an Fluiden erst aussagekräftig macht:
- Sumpf- und Einspritzschmierung, um beide Versorgungskonzepte zu bewerten
- getrennte Ölkreisläufe für Prüf- und Übertragergetriebe
- Öldurchfluss von 0,3 bis 5 l/min – bis in Bereiche minimaler Ölmengen
- Temperaturführung von 60 bis 140 °C, im Prüfgetriebe geregelt gekühlt und beheizt
- Körperschall- und Schwingungsüberwachung, die den Zustand des Zahnkontakts im Betrieb sichtbar macht
Mit rund 2,5 × 0,9 × 1,7 m und etwa 3 t lässt sich der Prüfstand in bestehende Prüffelder integrieren; das Ölaggregat kommt separat dazu.
Entstanden im Forschungsverbund
Der Prüfstand ist im bundesweit geförderten Konsortialforschungsprojekt Opt4E entstanden, in dem Industrie und Forschung gemeinsam an der Synthese und Optimierung elektrischer Antriebsstränge arbeiten. Beteiligt ist unter anderem die Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) der TU München sowie viele weitere Partner aus Forschung und Industrie.
Diese Zusammenarbeit geht über die Entwicklungsphase hinaus: Die Prüfverfahren für den Highspeed-Bereich entstehen derzeit gemeinsam mit der FZG. Es geht also nicht allein um eine Maschine, die schneller dreht, sondern um die Methodik, mit der aus hohen Drehzahlen belastbare, reproduzierbare und vergleichbare Aussagen abgeleitet werden. Genau daran arbeitet die FZG seit Jahrzehnten – und genau das macht die Ergebnisse später anschlussfähig.
Für Anwender bedeutet das einen zeitlichen Vorsprung: Wer heute mit dem Highspeed-Prüfstand arbeitet, sammelt Erfahrung mit einer Methodik, während sie entsteht, statt sie später zu übernehmen.
Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs hat viele Komponenten neu definiert. Die Verfahren, mit denen wir ihre Schmierstoffe bewerten, ziehen gerade nach. Mit dem FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand liefern wir die Hardware dafür – gemeinsam mit der FZG der TU München entsteht die Methodik dazu.