Den Verschleiss hochpräzise messen

Wenn es für einen Automobilhersteller bei Leistungstests und Verbrauchsmessungen wie geschmiert läuft, dann liegt es genau daran: am Motoröl, dem richtigen Schmierstoff. Höchste Motorleistung bei gleichzeitig größtmöglicher Ökonomie sowie Umweltverträglichkeit lassen sich vereinen, wenn Reibungsverluste im Antriebsstrang auf ein Minimum reduziert werden.

In einem Verbrennungsmotor entstehen 40 Prozent der Reibungsverluste zwischen den Reibungspartnern Kolben, Kolbenringe und Zylinderlaufbahnen – Komponenten, die im modernen Automobilbau mit extremer Präzision gefertigt werden. Mikrostrukturierte 3-D-Funktionsoberflächen und höchste Passgenauigkeit optimieren das tribologische System, senken den Energieverbrauch und bilden die Grundlage für den Laufkomfort sowie die Zuverlässigkeit.

Im Fokus der Ingenieure steht ein optimales, möglichst verschleißfreies Zusammenspiel der Schlüsselkomponenten des Antriebsstrangs, wie Nockenwellen, Lagerschalen und Steuerketten. Am gleichen Strang zieht die Mineralölindustrie. Denn nur wer dem Autobauer die beste Schmierstoffrezeptur zu bieten hat, macht das Rennen als Motoröl-Erstausrüster. Folgerichtig investieren die Mineralölhersteller beträchtlichen Aufwand in die Validierung ihrer Produkte. Analysen der hoch beanspruchten Komponenten durch komplexe, realitätsnahe Motor-Verschleißprüfungen sind fachgerecht umzusetzen.

Motorenprüfstände für die Verschleißmessung

Nahezu alle namhaften Mineralölanbieter stützen sich auf die herausragende Kompetenz der niedersächsischen ISP, eines der weltweit führenden unabhängigen Institute für Motorentest, Fahrzeugtest und Laboranalysen im Bereich der Kraft- und Schmierstoffentwicklung. Mit dem Stammhaus in Salzbergen bei Rheine und einem Standort im französischen Grand-Couronne ist ISP international anerkannter Entwicklungspartner der chemischen Industrie, der Mineralöl-, Automobil- und Zulieferindustrie.

Auf hochmodernen Motorenprüfständen, Allrad-Rollenprüfständen und Abgasrollen testen die ISP-Experten die Technologien von morgen. Unterstützt werden sie dabei vom Team des hausinternen chemisch-physikalischen Labors, in dem umfangreiche Analysen von Betriebsstoffen nach internationalen Normen durchgeführt werden.

Allein für die Verschleißerprobung an Motoren stehen in Salzbergen 20 dynamische und vollklimatisierte Prüfstände zur Verfügung. Die redundant ausgelegte Infrastruktur, neueste Messtechnik und modernste Automatisierungssysteme bieten den Ingenieuren optimale Voraussetzungen für die zielgerichtete Erprobung von Kraft- und Schmierstoffen sowie Motorenbauteilen.

Keine leichte Aufgabe, wie Martin Heuking, Spezialist in der ISP-Bauteilebewertung, erklärt: „Eine Verschleißbeurteilung am Motorteil ist nur dann möglich, wenn der Ist-Zustand nach gewissen Laufleistungen mit jener am neuen Motor direkt verglichen werden kann. Zum Beispiel jeweils nach 50.000, 100.000 und 250.000 Kilometern.“ Daraus ergeben sich zwei entscheidende Bedingungen.

Zerstörungsfrei prüfen

• Die Verschleißprüfung muss zerstörungsfrei erfolgen – da die Motorteile nach der Messung wieder für den weiteren Testablauf im Zusammenbau zur Verfügung stehen müssen.
• Man benötigt als Bezugsgröße für die Verschleißmessungen die Referenzmesswerte des ursprünglichen Bauteils.

Doch genau da wird es schwierig, erläutert Heuking: „CAD-Daten der Automobilhersteller, wenn wir sie denn überhaupt bekämen, würden uns nicht weiterhelfen – denn sie zeigen nur den konstruktiven Sollzustand. Unsere Referenz muss das ungebrauchte, physisch vorhandene Motorteil sein. Den jeweiligen Datensatz für unsere Messreferenz müssen wir also selbst generieren – und zwar auf Grundlage des jeweilig zu untersuchenden realen Motors.“

Sowohl diese Vormessung am unverschlissenen Bauteil als auch die folgenden Verschleißmessungen an Zylinderlaufbuchsen, Kolben, Kolbenringen, Nockenwellen und Lagerschalen gestalteten sich zunehmend schwieriger. Zum einen wuchs das Prüfaufkommen bei ISP rasant. Zum anderen fertigen die Autohersteller immer präziser mit geringeren Toleranzen. „Wir messen auf den Mikrometer genau“, konstatiert Heuking.

Die im Messraum der ISP-Bauteilebewertung eingesetzten Handmessmittel stießen zunehmend an ihre Genauigkeitsgrenzen. Gleichzeitig hatten zwei eingesetzte Koordinatenmessgeräte mit Zeitproblemen zu kämpfen. „Einfach zu langsam und zu aufwendig bei der Einrichtung und der Messprogrammerstellung“, beschreibt Heuking den Zwang zur Erneuerung.

Der Forderungskatalog für eine grundlegende Neuausrichtung der ISP-Messkompetenzen in der Verschleißmessung umfasste fünf essenzielle Anforderungen:

• Einsatz einer hochgenauen 3D-Koordinatenmessmaschine der Leitz-Referenzklasse HP (High Precision). Im Austausch gegen die beiden bis dato eingesetzten Messmaschinen soll sie nicht nur eine höhere Präzision, sondern auch einen deutlich höheren Teiledurchsatz erlauben.
• Entwicklung eines Messprogramms mit optimaler Bedienerführung von der Teileausrichtung über die Messung bis hin zur Auswertung.
• Grafische Darstellung der Messergebnisse zur Verschleißkartierung an der Komponente – als Ergänzung der zuvor rein numerischen Auswertung.
• Effizienzsteigerung durch Verkürzen der Einricht-, Mess- und Auswertezeiten.
• Integration der Palettenmessung als Novum in der Verschleißmessung: eine Palette für sämtliche zu prüfenden Einzelkomponenten eines Motors.

„Uns war klar, dass wir einen Entwicklungspartner brauchen, um diese ambitionierten Ziele zu erreichen“, erinnert sich Michael Schulz, Leiter Motoren- und Fahrzeugteste bei ISP Salzbergen. „Außer bei Hexagon Metrology PTS stießen wir allerdings überall auf abweisendes Kopfschütteln. Die Kombination aus schnellem Messen, flexiblem Messprogramm und Palettenaufspannung schien nicht lösbar zu sein.“

Erfolgreiche Entwicklungspartnerschaft

Bei Hexagon Metrology PTS sah man sich in dieser Hinsicht bestens vorbereitet mit dem Scanning-Koordinatenmessgerät von Leitz mit messendem 3D-Tastersystem zur Lösung komplexer Messaufgaben. Es bietet sowohl die schnelle Einzelpunktantastung für alle typischen Messaufgaben als auch das High-Speed-Scanning für Form- und Profilmessungen.

Zum anderen durch die Software als Effizienzschlüssel für die dimensionelle Koordinatenmesstechnik. „Die flexible Architektur der Software ist für solche höchst individuellen Anwenderwünsche wie geschaffen“, schwärmt Softwareentwickler und ISP-Betreuer Albert Geßler von Hexagon Metrology PTS. „Die Software ist ein stetig wachsendes System, das in der Lage ist, sich immer wieder neuen Herausforderungen zu stellen und dafür Lösungen anzubieten.“

Im Fall ISP entstand daraus ein völlig neues, hoch spezialisiertes Modul: das Softwaretool für die Verschleißmessung von Motorenkomponenten.

Das Projektergebnis

Über ein Jahr höchst produktiver Entwicklungspartnerschaft investierten ISP und Hexagon Metrology PTS, bis die Lösung mit allen gewünschten Leistungsmerkmalen in Salzbergen an den Start ging:

• Fähigkeit zur uneingeschränkten Palettenmessung der Motorkomponenten Zylinder, Kolben, Kolbenringe, Nockenwellen, Lagerschalen und Steuerkette.
• Ergebnisausgabe in tabellarischer und grafischer Form.
• Automatische Sicherung der Messergebnisse in PDF- und Excel-Dateien.
• Automatische Messdatenablage anhand der spezifischen Kenndaten, wie „Motortyp“, „Testtyp“, „Teilesatznummer“.

„Was uns früher mit Einrichten, Messen und Auswerten zwei ganze Tage gekostet hat, erledigen wir jetzt mit der neuen Software und der neuen Messmaschine innerhalb von vier bis höchstens sechs Stunden. Das ist geradezu sensationell“, freut sich ISP-Bauteilebewerter Heuking.

Mehr noch: Die Programmierer für die individuellen Power Train Solutions haben der Software Fähigkeiten mit auf den Weg gegeben, durch die ISP der Industrie weit vorauseilt: das Messen von Steuerketten. „Wir messen nicht nur Längenänderungen – das kann jeder. Wir messen auf den Mikrometer genau den Verschleiß am Lager jedes Kettenglieds. Das können nur ganz wenige“, zeigt sich Schulz begeistert von diesem ganz neuen Farbton auf der Palette der Verschleißmessung.