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antriebstechnik 12/2016

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08 Validierung der

08 Validierung der variablen Schlupfverläufe entlang des Scheibenumfangs schwindigkeiten der Referenzverzahnungen Typ A aus dem genormten Fresstest liegen. Als Schmieröl kommt das Referenzöl FVA Nr. 3 mit natürlichem Schwefelgehalt (ohne Anglamol A99) bei einer Einspritztemperatur von T Öl = 90 °C zum Einsatz. Der Ölvolumenstrom beträgt V Öl = 1,5 l/min. Die Lastspielzahl auf einer Laststufe wird für die Prüfwelle gleich der Anzahl an Lastspielen für das Ritzel beim Fresstest gewählt. Als Prüfkörper kommen eine zylindrische Prüfscheibe und eine ballige Gegenscheibe mit einem Balligkeitsradius von R bal2 = 166 mm zum Einsatz. Beide Kontaktkörper haben einen Durchmesser von d = 42,05 mm. Das Material der Prüfkörper ist analog zu der Prüfverzahnung Typ A im Fresstest ein 16MnCr5 mit einer Randhärte von 58+4 HRC (Eht = 0,65 mm). Die gemittelte Rautiefe R z der Prüf- und Gegenscheiben (Längsschliff) wird nach der Fertigung gemessen und beträgt ca. R z = 2,5 ± 0,5 μm (Ra = 0,4 ± 0,05 μm). Eine detaillierte Analyse der Prüfkörpereigenschaften kann [LÖPE15] entnommen werden. In Bild 08 wird das Ergebnis der Untersuchungen zum Fressschaden im Zwei-Scheiben-Prüfstand für das Referenzöl FVA Nr. 3 dargestellt. In dem Diagramm wird auf der Ordinate die abgewickelte Mantelfläche der Gegenscheibe (Abtriebswinkel ψ) über der abgewickelten Mantelfläche der Prüfscheibe (Antriebswinkel φ) auf der Abszisse aufgetragen. Für eine Umdrehung des Antriebs ist der Kontaktverlauf zwischen Prüf- und Gegenscheibe zu erkennen. Aufgrund der ungleichmäßigen Übersetzung besteht kein linearer Zusammenhang zwischen dem Antriebs- und Abtriebswinkel des Stirnradgetriebes. Zur Einordnung der Schlupfbedingungen wird zudem der Antriebswinkel in die Schlupfbereiche s 1 = 0 %, s 1 > 0 % und s 1 < 0 % eingeteilt. Das Schadenskriterium für die Untersuchung des Fressschadens wird bei einer Hertz’schen Pressung p H = 2 000 MPa über der gesamten Abplattungsbreite der Hertzschen Kontaktellipse festgestellt. Auf der Prüfscheibe liegt der Fressschaden in einem Bereich des Antriebswinkels zwischen ca. φ = 290° bis 330° und auf der Gegenscheibe in einem Bereich des Abtriebswinkels zwischen ca. ψ = 230° bis 310°. Durch das Loten von der Ordinate auf die Abszisse ist zu erkennen, dass die beiden Scheiben an den korrespondierenden Stellen im Kontakt waren, in denen der Fressschaden aufgetreten ist. Der Fressschaden an der Gegenscheibe erstreckt sich über einen längeren Winkelbereich, weil der Schlupf bezogen auf die Prüfscheibe negativ ist (s 1 < 0 %) und die Gegenscheibe in diesem Bereich somit eine nahezu doppelte Winkelgeschwindigkeit aufweist wie die Prüfscheibe (Übersetzung ca. i = 0,5). Zudem sind in den auslaufenden Bereichen schmale Fressmarkierungen in der Mitte der Kontaktbreite zu erkennen, da aufgrund des Punktkontakts (ballige Gegenscheibe) die Kontaktpressung in der Laufbahnmitte am größten ist. Aufgrund der hohen Kontaktpressung herrscht in diesem Bereich die größte tribologische Beanspruchung, die zu einem Versagen des Schmierfilms führt. Aufgrund der Auslegungsmethodik zur möglichst exakten Überführung des Schlupfverlaufs der Prüfverzahnung Typ A auf den Zwei-Scheiben-Kontakt ist zu erwarten, dass der Fressschaden im Bereich vom hohen positiven Schlupf s 1 auf der Prüfwelle auftritt, da auch dort bei der Referenzprüfverzahnung der Schadenskritische Bereich vorliegt. Bei der Untersuchung tritt der Fressschaden jedoch beim negativen Schlupf auf der Prüfscheibe auf, also bei positiven Schlupf auf der Gegenwelle. Das ist der Tatsache geschuldet, dass die Prüfscheibe eine konstante Winkelgeschwindigkeit besitzt und die Gegenscheibe bei hohem positiven Schlupf s 1 durch die maximale Übersetzung i = 2,2 langsamer dreht. Bei der minimalen Übersetzung dreht die Gegenscheibe jedoch schneller, sodass an dieser Stelle eine höhere Gleitgeschwindigkeit vorliegt, was zu einer stärkeren tribologischen Beanspruchung führt. Der Fressschaden tritt damit im Bereich des negativen Schlupfs an der Prüfwelle und im Bereich des positiven Schlupfs an der Gegenwelle auf. Für die Validierung des Prüfkonzepts und die Prüfung der Funktionalität spielt dieser Zusammenhang jedoch eine untergeordnete Rolle, weil durch die konstruktive Optimierung des Übertragungsgetriebes ein lokaler Fressschaden über dem Scheibenumfang entsprechend der Erwartung erzeugt werden kann. Bei einer zukünftigen Auslegung zur Steigerung der Vergleichbarkeit beider Prüfkonzepte für diesen Verzahnungstyp sollte die Verlustleistung entlang der Eingriffsstrecke als Übertragungskenngröße genutzt werden. Auf diese Weise kann ein kostengünstigeres Prüfkonzept zur Bewertung der Fresstragfähigkeit unter zahnradtypischen Gleitbedingungen aufgebaut werden. Zusammenfassung und Ausblick Zur Untersuchung des tribologischen Systems „Zahnflanke“ existieren Zwei-Scheiben-Tribometer. In diesem Artikel wird die konstruktive Erweiterung eines Zwei-Scheiben-Tribometers hinsichtlich eines unrund-verzahnten Übertragungsgetriebes vorgestellt. Auf 60 antriebstechnik 12/2016

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN diese Weise wird ermöglicht, variable Schlupfverläufe über dem Scheibenumfang zu erzeugen, die die tribologischen Kontaktbedingungen entlang der Eingriffsstrecke im Zahnflankenkontakt exakter nachbilden. Aufbauend auf den Anforderungen an das Prüfstandkonzept wird eine Methode beschrieben, die die Auslegung einer unrund-verzahnten Stirnradstufe mit konstantem Achsabstand erlaubt. Insbesondere die Einhaltung einer durchschnittlichen Übersetzung von eins und die Vermeidung von Knicken und Unstetigkeiten im Wälzkurvenverlauf werden durch die Methode erfüllt. Anhand einer standardisierten Prüfverzahnung vom Typ A wird die konstruktive Erweiterungsmethode des Zwei-Scheiben- Prüfstands exemplarisch angewendet. Die tribologischen Beanspruchungen dieser Prüfverzahnung werden dadurch für einen Ausschnitt der Eingriffstrecke auf den Zwei-Scheiben-Kontakt überführt. Analog zur Vorgehensweise bei der Untersuchung des Fressschadens wird ein Stufentestverfahren für den Zwei-Scheiben- Kontakt entwickelt und validiert. Für ein Referenzöl wird für eine Hertz’schen Pressung p H = 2 000 MPa lokale entlang des Umfangs der Prüfscheiben ein Fressschaden beobachtet, der auf ein Versagen des Schmierfilms aufgrund einer zu hohen tribologischen Beanspruchung in diesem Abschnitt zurückzuführen ist. Das Konzept des unrund-verzahnten Übertragungsgetriebes ist somit geeignet, um das Tribosystem „Zahnflanke“ hinsichtlich des variablen Schlupfzustands exakter auf den Scheiben-Kontakt zu übertragen. Zukünftige Entwicklungen umfassen die Optimierung der Kontaktgeometrie (Punkt- vs. Linienkontakt) und die vergleichenden Untersuchungen weiterer Öle zur Einordnung der Versuchsergebnisse in bestehende Untersuchungsergebnisse zur Fresstragfähigkeit. Literaturverzeichnis: [BAGH15] Bagh, A.: Auslegung PVD-beschichteter Stirnräder. Dissertation, RWTH Aachen, 2015 [BUGI09] Bugiel, C.: Tribologisches Verhalten und Tragfähigkeit PVD-beschichteter Getriebe-Zahnflanken. 1. Aufl, Bd. 2009,6, Apprimus-Verl., Aachen, 2009 [DIN77] Norm DIN 780: Modulreihe für Zahnräder; Moduln für Stirnräder. Beuth-Verlag, Berlin, 1977 [DOWS77] Dowson, D.; Higginson, G.: Elasto-hydrodynamic lubrication. SI ed, v. 23, Pergamon Press, Oxford, 1977 [GOHR82] Gohritz, A.: Ermittlung der Zahnflankentragfähigkeit mittlerer und großer Getriebe durch Analogieversuche. Dissertation, RWTH Aachen, 1982 [HIND98] Hindersmann, M.: Entwicklung und Einsatz von Pressenantrieben mit unrunden Zahnrädern. Als Ms. gedr, Nr. 304, VDI-Verl., Düsseldorf, 1998 [ISO06] Norm ISO 6336-2: Calculation of load capacity of spur and helical gears. Part2: Calculation of surface durability (pitting). Beuth-Verlag, Berlin, 2006 [ISO10] Norm DIN ISO 14635-2: Zahnräder - FZG-Prüfverfahren - Teil 2: FZG-Prüfverfahren A10/16, 6R/120 zur Bestimmung der relativen Fresstragfähigkeit von hoch EP-legierten Schmierölen. Beuth-Verlag, Berlin, 2010 [KREI08] Kreil, O.: Einfluss der Oberflächenstruktur auf Druckverteilung und Schmierfilmdicke im EHD-Kontakt. Dissertation, TU München, 2008 [LÖPE15] Löpenhaus, C.: Untersuchung und Berechnung der Wälzfestigkeit im Scheiben- und Zahnflankenkontakt. Dissertation, RWTH Aachen, 2015 [MAYE14] Mayer, J.: Einfluss der Oberfläche und des Schmierstoffs auf das Reibungsverhalten im EHD-Kontakt. 1. Aufl, Verl. Dr. Hut, München, 2014 [PETE04] Petersen, J.: Wälzfestigkeitsuntersuchung von Sinterstählen und Neuentwicklung eines Wälzfestigkeitsprüfstand, 2004 [RADE05] Radev, T.: Einfluss des Schmierstoffes auf die Grübchentragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder: Entwicklung des praxisnahen Pittingtests. Dissertation, TU München, 2005 [RENK16] Renkens, D; Löpenhaus, C.; Brecher, C.: Tribometerprüfstand Schutzrecht Aktenzeichen 10 2016 003 750.4 (Einreichung zur Prüfung beim DPMA am 24.03.2016) [ROTH89] Roth, K.: Stirnradverzahnungen - Profilverschiebung, Toleranzen, Festigkeit. 2, Springer, Berlin [u.a.], 1989 [SCHM85] Schmidt, U.: Die Schmierfilmbildung in elastohydrodynamisch beanspruchten Wälzkontakten unter Berücksichtigung der Oberflächenrauheit. Dissertation, Universität Hannover, 1985 [STÖß71] Stößel, K.: Reibungszahlen unter elasto-hydrodynamischen Bedingungen. Dissertation, TU München, 1971 [STRE97] Strehl, R.: Tragfähigkeit von Zahnrädern aus hochfesten Sinterstählen, 1997 [WYRW01] Wyrwa, K.: Auslegung von Unrund-Zahnradpaaren, Unrund-Zahnriemengetrieben und Kurven-Rollenstern-Getrieben. Dissertation, Universität Hannover, 2001 Nomenklaturen Kurzzeichen Einheit Erläuterung 1 [-] Index: Prüfkörper/Ritzel 2 [-] Index: Gegenkörper/Rad a [mm] Achsabstand d [mm] Durchmesser Kontaktkörper d w,min [mm] Minimaler Wälzkreisradius Eht [mm] Einsatzhärtetiefe F N [N] Normalkraft i [-] Übersetzung l ges [mm] Länge der aktiven Zahnflanke m n [mm] Modul n [1/min] Drehzahl p H [MPa] Hertz´sche Kontaktpressung Ra [µm] Arithmetischer Mittenrauwert R bal [mm] Balligkeitsradius R z [µm] Gemittelte Rautiefe s [%] Schlupf T Öl [°C] Einspritztemperatur Öl V Öl [l/min] Ölvolumenstrom w [m/s] Tangentialgeschwindigkeit z [-] Zähnezahl ρ [mm] Krümmungsradius ϕ [°] Rotationswinkel φ [°] Antriebswinkel (Prüfwelle) ψ [°] Abtriebswinkel (Gegenwelle) ω [1/s] Winkelgeschwindigkeit Danksagung Die Autoren danken dem WZL Getriebekreis für die Bereitstellung der finanziellen Mittel zur Durchführung des den vorgestellten Ergebnissen zugrunde liegenden Forschungsprojekts. antriebstechnik 12/2016 61

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