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antriebstechnik 12/2016

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Zwei-Scheiben-Tribometer

Zwei-Scheiben-Tribometer mit variablem Schlupfverlauf 01 WZL Zwei-Scheiben-Wälzfestigkeitsprüfstand Christian Brecher, Christoph Löpenhaus, Dieter Mevissen Der aktuelle und zukünftige Detailgrad bei der Analyse hochbelasteter Wälzkontakte fordert kontinuierlich neue Prüfstandskonzepte zur genauen und wissensbasierten Erforschung dieser Maschinenelemente. Für den Zahnflankenwälzkontakt werden derzeit insbesondere Zwei-Scheiben-Analogieprüfstände für eine gezielte Untersuchung des tribologischen Systems „Zahnflanke“ verwendet. Durch die Vereinfachungen bei der Übertragung der Wälzkinematik können jedoch nur diskrete Schlupfzustände der Eingriffstrecke untersucht werden. In diesem Artikel wird das bestehende Konzept des Zwei-Scheiben-Prüfstands um ein ungleichmäßig übersetzendes Getriebe erweitert, um die zahnradtypischen Schlupfbedingungen entlang der Eingriffstrecke exakt beim Wälzen der Scheiben nachzubilden. Einleitung und Zielsetzung Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Direktor am Werkzeugmaschinenlabor WZL an der RWTH Aachen Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Löpenhaus ist Oberingenieur am Werkzeugmaschinenlabor WZL an der RWTH Aachen Dieter Mevissen, M.Sc., ist Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL an der RWTH Aachen Der Kontakt zweier Zahnflanken stellt ein tribologisches System dar, das während des Zahneingriffs für jede Wälzstellung seine Eigenschaften kontinuierlich ändert. Neben den Kontaktkrümmungsradien der Evolventen von Ritzel und Rad ändern sich sowohl die Normalkraft als auch die Gleitgeschwindigkeit bzw. der resultierende Schlupfzustand. Beispielhaft sind in Bild 03 die Makrogeometrie und die Eingriffsbedingungen für eine standardisierte Prüfverzahnung vom Typ A zur Untersuchung der Schmierstofftragfähigkeit hinsichtlich eines Fressschadens dargestellt [ISO10]. Am treibenden Ritzel verändert sich der Schlupf von negativen Beträgen im Fußflankenbereich über den Wälzpunkt (reines Rollen) hin zu positivem Schlupf im Kopfflankenbereich. Tribologische Kenngrößen, wie beispielsweise die Schmierfilmdicke, sind folglich 54 antriebstechnik 12/2016

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN ebenfalls nicht konstant. Vor allem der Einfluss unterschiedlicher Schlupfzustände auf die Leistungsfähigkeit des Tribosystems „Zahnflanke“ stellt eine zentrale Herausforderung bei der Tragfähigkeits- und Wirkungsgradanalyse dar. Für die Validierung von Berechnungsmethoden zur Auslegung des Zahnflankenwälzkontakts, wie bspw. der Grübchentragfähigkeitsberechnung nach ISO 6336 [ISO06] oder Schmierfilmdickenberechnung [DOWS77, ISO06], müssen experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden [KREI08, MAYE14, LÖPE15]. Für viele Forschungsfragen ist die Verwendung des realen Zahneingriffs unumgänglich, da das tribologische System sensibel auf Veränderungen reagiert und die Übertragbarkeit schon bei kleinen Anpassungen des Systems nur bedingt quantitativ gewährleistet ist [GOHR82, RADE05, LÖPE15]. Neben dem realen Zahneingriff wurden in der Vergangenheit Analogieprüfstände entwickelt, mit denen das tribologische System „Zahnflanke“ vereinfacht nachgebildet und untersucht werden kann. Ein etabliertes und verbreitetes Konzept ist das Zwei-Scheiben-Tribometer [KREI08, MAYE14, BAGH15, LÖPE15]. Der Zwei- Scheiben-Kontakt ist ein Analogieversuch zum Zahnradmodellversuch und überführt den Beanspruchungszustand im Zahnflankenkontakt auf eine Ersatzgeometrie in Form von zwei Scheiben, vgl. Bild 02 Dazu werden die lokalen Krümmungsradien, die Gleitgeschwindigkeiten und die Normalkraft für eine Wälzstellung auf der Eingriffstrecke aus dem Ersatzmodell bestimmt und auf den Zwei- Scheiben-Kontakt übertragen, vgl. [BAGH15, LÖPE15]. Durch die Vereinfachungen eignet sich dieses Konzept insbesondere für Grundlagenuntersuchungen und zum Aufbau lokaler Berechnungsmodelle für die Wälzfestigkeit und den Wirkungsgrad [LÖ- PE15]. In diesem Artikel wird ein neuartiges Antriebskonzept für das bestehende Konzept des Zwei-Scheiben-Tribometers zur exakteren Abbildung der zahnradspezifischen Gleitverhältnisse vorgestellt. Für einen variablen Schlupfverlauf über den Scheibenumfang wird eine unrund-verzahnte Stirnradstufe verwendet. Grundlagenuntersuchungen, die am komplexen tribologischen System „Zahnrad“ aufgrund fehlender Messtechnik und Analyseverfahren nicht durchgeführt werden können, werden mit dem weiterentwickelten Zwei-Scheiben-Analogieprüfstand erstmals ermöglicht. Als Anwendungsbeispiel wird die Makrogeometrie der Prüfverzahnung Typ A hinzugezogen, die eine standardisierte Verzahnungsgeometrie zur Untersuchung der Schmierstofftragfähigkeit hinsichtlich eines Fressschadens darstellt [ISO10]. Das methodische Vorgehen zur konstruktiven Umgestaltung des Zwei-Scheiben-Tribometers kann jedoch auf beliebige Verzahnungsbeispiele übertragen werden und ist beim Deutschen Patent- und Markenamt geschützt [RENK16]. 02 Übertragung des Zahnflankenkontakts auf den Zwei-Scheiben-Kontakt 03 Standardisierte Prüfverzahnung nach Typ A [ISO10] Konzepte etablierter Zwei-Scheiben-Tribometer In der Prüfzelle eines Zwei-Scheiben-Tribometers wird das tribologische Kontaktverhalten einer Prüfwelle mit einer Gegenwelle untersucht. In der Praxis werden unterschiedliche Bauarten von Scheiben-Tribometern verwendet. Neben dem Zwei-Scheiben-Tribometer existieren Ausführung mit drei Gegenkörpern zur Reduktion der Prüfdauer bei gleicher Lastspielzahl [DOWS77, PETE04]. Die 04 WZL Zwei-Scheiben-Reibkrafttribometer antriebstechnik 12/2016 55

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