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Dissertation
Sascha Neudörfer:
Thermomechanische Einflüsse auf die Tribologie von Synchronisierungen
Funktion und Lebensdauer des tribologischen Systems „Synchronisierung“ im modernen
Fahrzeuggetriebe werden maßgeblich vom Reibungs- und Verschleißverhalten
der beteiligten Komponenten beeinflusst. Im Zuge der stetigen Weiterentwicklung
geht der Trend zu kompakteren, leichteren und leistungsstärkeren Getrieben
(Abbildung 1, links). Damit die Synchronisierung auch bei den gestiegenen Anforderungen
ihre Funktion des Drehzahlangleichs beim Gangwechsel zuverlässig erfüllt,
werden moderne Reibpaarungen eingesetzt, die sich durch hohe Verschleißfestigkeit
bei gleichzeitiger Reibwertstabilität unter allen Beanspruchungsbedingungen auszeichnen
sollen.
Durch hohe mechanische und thermische Beanspruchungen treten jedoch thermomechanische
Wechselwirkungen auf, welche bisher nicht ausreichend betrachtet
wurden. Diese Rückwirkung der thermischen Verformungen auf die Flächenpressungsverteilung
kann für die tatsächlich im Kontakt auftretenden thermischen und
mechanischen Beanspruchungen entscheidend sein.
Schiebemuffe
Synchronkörper
Synchronring
Losrad mit
Synchronkonus
(Gegenreibfläche)
Volkswagen DQ250
Vorsynchronisierung
Feder, Druckstück, Kugel
Abbildung 1:
links: Synchronisierungen im modernen Getriebe am Beispiel Volkswagen DSG®;
rechts: Sperrsynchronisierung nach dem System Borg-Warner
Das tribologische Verhalten soll daher unter Beachtung dieser Wechselwirkungen
genauer analysiert werden, um Rückschlüsse auf optimalen Ringaufbau- und Ringgeometrie
zu ziehen (Abbildung 2). Mit besonderen Analysemethoden und Modellprüfkörpern
werden die physikalischen Eigenschaften der Synchronringe ermittelt
und thermomechanische Einflüsse im Experiment bestimmt. Parallel dazu wird ein
numerisches Berechnungsmodell zur Analyse der thermischen und mechanischen
Beanspruchung der verwendeten Systeme unter Berücksichtigung der thermomechanischen
Wechselwirkungen im Reibkontakt, dem unterschiedlichen Systemaufbau,
sowie die zusätzlichen Materialkombinationen und die speziellen physikalischen
Eigenschaften der verwendeten Materialien entwickelt.
Die durch Prüfstandsversuche gewonnenen Messdaten werden mit den Ergebnissen
der FEM-Rechnung verglichen und dadurch Rückschlüsse auf das Reibungs- und
Verschleißverhalten der Systeme aufgezeigt. Abschließend werden konkrete Vorschläge
zur Analyse und Auslegung von hochbeanspruchten Synchronisierungen
gegeben.

Experiment
Simulation
Lösungsweg
Verschleißversuche
Modellprüfkörper
thermischmechanischer
Kontakt
Zielsetzung
Verschleißmodell für moderne
Reibpaarungen
Verschleißmechanismus
physikalischen Eigenschaften
thermomechanische Einflüsse
Kontakttemperatur
Kontaktpressung
Abgleich
Optimierungsmaßnahmen
Abbildung 2:
Lösungsweg und Zielsetzung
Das Reibwert- und Verschleißverhalten der Synchronisierung resultiert aus der
Reaktion des tribologischen Systems auf die äußeren Beanspruchungen, welche an
den Kontaktflächen der Dachschrägen in den Synchronring eingeleitet und über die
Konusform auf die Reibfläche des Synchronkonus verstärkt werden. Die Kraftübertragung
erfolgt durch Festkörper- oder Grenzreibung im direkten Kontakt der Reiboberflächen
und Tangentialkräfte, welche durch Scherspannungen im Schmierstoff in
den Vertiefungen der Oberflächenstruktur sowie durch hydrodynamische Schmierfilme
an einzelnen Rauheitserhebungen entstehen.
Durch die komplexe Makrogeometrie des Synchronringes und des Reibbelages sind
die Bauteilelastizitäten über den Ringumfang ungleichförmig und die Beanspruchung
der Reibfläche ist örtlich unterschiedlich. Dadurch bilden sich im Reibkontakt
verschiedene tribologische Bereiche aus (Abbildung 3).
Beanspruchung
Reibbelag
F N
F R
Reibbelag
Ring
p
p
Mikro-EHD
p p p p
Axialkraft
p
Schmierstoff
Konus
x
Konus
Reibbelag
p
F R
F N
F N
F R
Mikro-EHD
p
Schmierstoff
Reibungskontakt
Ring
v
x
Konus
F R
F N
Konus
1000fach überhöht
Abbildung 3:
links: Synchronisierung als tribologisches System mit unterschiedliche Beanspruchungszonen
rechts: thermomechanische Verformung des tribologischen Kontaktes
Mit Hilfe von Modellsystemen ist es gelungen, einen umfassenden Überblick über
das tribologische Verhalten moderner Reibpaarungen in Synchronisierungen zu gewinnen.
Durch die gleichen geometrischen Abmessungen sind direkte Vergleiche von
Reibwert- und Temperaturverläufen möglich. Die analytische Ermittlung der thermischen
Eigenschaften der Reibwerkstoffe im Verbund stellt für zukünftige mechanische
und thermische Auslegung Anhaltswerte zur Berechnung und Simulation zur
Verfügung (Abbildung 4).

Temperatur [°C]
A1
B2
SYS A,
D1
C2
B1
Sys B
C1
Synchronring abgehoben
Kontakt zwischen Konus und Ring
T1
Zeit [s]
A1 Seriensystem A, B1 B2 D1
C2
Seriensystem B
C1
Abbildung 4:
Sondermessing Streusinter 1 Streusinter 2 Molybdän Karbon 1 Karbon 2 Karbon 2
metallische Reibwerkstoffe
organische Reibwerkstoffe
Erwärmungskurven einzelner Synchronringe auf dem Wärmeleitfähigkeitsprüfstand
Des Weiteren werden praktische Hinweise zur konstruktiven Auslegung von Synchronisierungen
gegeben. Durch eine beanspruchungsoptimierte Auslegung des
Ringquerschnittes und der Gegenreibfläche lassen sich die mechanischen Reibflächenbeanspruchungen
herabsetzen. Genauso kann mit einer optimierten thermischen
Auslegung die Reibflächentemperatur minimiert werden. Dabei ist zu beachten,
dass die örtliche Reibflächentemperatur unter anderem aus der Kontaktpressung
resultiert und somit die mechanischen Systemeigenschaften die Beanspruchung der
Reibfläche dominieren (Abbildung 5).
Seriensystem
Modellsystem
Ringwinkel kleiner
Ringwinkel kleiner
Erstanlage am großen
Konusdurchmesser
(Freistichkante)
• Pressungsüberhöhung
• Abschneiden der Reibfläche
Erstanlage am großen
Konusdurchmesser
• Pressungsüberhöhung
Ringwinkel größer
Ringwinkel größer
Erstanlage am kleinen
Konusdurchmesser
• Geringere, gleichmäßigere
Reibflächenbeanspruchung
Erstanlage am kleinen
Konusdurchmesser
• Geringere, gleichmäßigere
Reibflächenbeanspruchung
Abbildung 5:
Unterschiede im Verlauf der Kontaktpressung durch toleranzbedingte Winkelunterschiede
elektronische Veröffentlichung:
Technische Informationsbibliothek Hannover TIB
http://edok01.tib.uni-hannover.de/edoks/e01dh08/577796569.pdf