Graufleckentragfähigkeit der Getriebeverzahnungen von - GL Group

BWE-Seminar „Wartung und Instandsetzung von Getrieben“, 24.09.2004 

Graufleckentragfähigkeit der Getriebeverzahnungen von Windenergieanlagen 

Jan-Bernd Franke, Rainer Grzybowski 

Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 

Steinhöft 9, 20459 Hamburg 

Zusammenfassung 

Die konstruktive Ausführung von Windenergieanlagen (WEA) unterscheidet sich in Anlagen mit und 

ohne Getriebe. Den konzeptionellen Vorteilen einer tendenziell geringeren spezifischen 

Turmkopfmasse bei Anlagen mit Getriebe stehen in der Regel schlechtere Verfügbarkeiten aufgrund 

von Getriebeschäden und Fehlermeldungen gegenüber. Obwohl seit Jahrzehnten Leistungsgetriebe 

im Bereich der Antriebs- und konventionellen Kraftwerkstechnik erfolgreich eingesetzt werden, sind 

im Bereich der Windenergie zahlreiche Getriebeschäden im Rahmen der Anlagenentwicklung zu 

verzeichnen. Durch die für WEA charakteristischen Betriebsbedingungen ergeben sich besonders 

hohe Anforderungen an die Schmierung der Getriebelager und Verzahnungen. Die Erfahrung in der 

Praxis hat gezeigt, dass die Verzahnungen von WEA-Getrieben besonders auch durch Grauflecken 

gefährdet sind. Die vorliegende Präsentation stellt die Grundlagen und Zusammenhänge des 

rechnerischen Tragfähigkeitsnachweises von Getriebeverzahnungen dar und geht über die Grenzen 

der standardisierten Berechnungskonzepte hinaus. Anhand eines FVA-Arbeitsblattes werden die 

Gefährdung eines Beispielgetriebes durch Grauflecken und der Einfluss der Öl-Temperatur 

herausgestellt. Darüber hinaus werden Hinweise bezüglich der Getriebelebensdauer und 

Wartungsarbeiten aufgezeigt. 

Inhalt 

1. Einleitung 

1.1 Germanischer Lloyd 

1.2 Getriebe als Anlagenkomponente 

1.3 Betriebsbedingungen von Industriegetrieben 

1.4 Verzahnungsschäden 

2. Tragfähigkeitsnachweise im Entwicklungsprozess 

2.1 Übersicht 

2.2 Stand der Technik 

2.3 Forschung und Entwicklung 

3. Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Tragfähigkeit 

3.1 Zahnfußbruch, Grübchenbildung, Fressen 

3.2 Graufleckigkeit 

4. Einfluss der Wartung auf die Lebensdauer 

4.1 Öltemperatur 

4.2 Ölfilterung 

4.3 Öl 

5. Ausblick

BWE-Seminar: 

Wartung und Instandsetzung von 

Getrieben 

Jan-Bernd Franke, JBF@gl-group.com

Graufleckentragfähigkeit der Getriebeverzahnungen 

von Windenergieanlagen 

1. Einleitung 




5. Ausblick 

BWE-Seminar: Wartung und Instandsetzung von Getrieben Bremen, 24.09.2004 

Nr. 2



1. Einleitung 








5. Ausblick 


Nr. 3


GL Offshore and 

Industrial 

Services GmbH 

(GLO) 

Dr. H. Berg (prov.) 

M. Schuit 

K. Allendorf 

Commercial department 

M. Schuit 

GL Certification 

GmbH 

(GLC) 

Dr. H. Weber 

K. D. Ziel 

Germanischer Lloyd AG 

Germanischer Lloyd AG 

GL Industrial Services GmbH 

(GLIS) 

Dr. H. Berg, Dr. B. Richter 

GL Prüflabor GmbH 

(GLP) 

Dr. M. Feyer 

GL Bautechnik 

GmbH (GL Bau) 

J. Klindt 


Nr. 4 

Coordination field work, 

Quality Management and 

Marketing 

GL WindEnergie 

GmbH (GL Wind) 

C. Nath 

Dr. G. Wacker 

GL Company- 

Rating GmbH 

(GLCR) 

P. Rakebrandt - 

Gräßner


GL Wind Gruppe 

• Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 

• WINDTEST Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH 

• WINDTEST Grevenbroich GmbH 

• WINDTEST Ibérica S.L. 

• Unabhängige und neutrale Sachverständigengruppe, 

mehr als 100 Ingenieure 

Quelle: GL Wind 


Nr. 5


LA 

Lastannahmen 

jjjjjjjjjjjj 

A. Andreä 

(Fr. S. Schwartz) 

Qualitäts 

Management 

Germanischer Lloyd WindEnergie 

MS 

Maschinenbau und 

Sicherheitstechnik 

M. Woebbeking 

(R. Schleeßelmann) 

Geschäftsführung 

C. Nath 

Dr. G. Wacker 


Nr. 6 

RB 

Rotorblätter und 

Bautechnik 

Dr T. Faber 

(Dr M. Hauschild) 

Richtlinien 

PC 

Projekt Zertifizierung 

(Onshore / Offshore) 

P. Dalhoff 

(A. Anders)


WEA ohne Getriebe WEA mit Getriebe 

Quelle: ENERCON Quelle: DeWind 

WEA ohne Getriebe 

1,8 

101 

56,1 

Beispieldaten 

Nennleistung [MW] 

Turmkopfmasse [t] 

Spezifische Turmkopfmasse [t/MW] 


Nr. 7 

WEA mit Getriebe 

1,75 

80 

45,7


Quelle: Winergy 

Quelle: Metso 


Nr. 8


Getriebetyp 

Turbogetriebe 

Schiffsgetriebe, 

Dieselantrieb 

WEA Getriebe 

Quelle: MAAG 

Nennleistung 

[kW] 

1765 

1325 

1660 

Drehzahl [min -1 ] 

An/Abtrieb 

18000 / 1500 

225 / 94 

18 / 1440 


Nr. 9 

Drehmoment [kNm] 

An/Abtrieb 

1 / 11 

56 / 133 

880 / 11


Drehmoment M x 

Tragfähigkeitsgrenze: Verschleiß 

Verschleiß 

≈ 0,3 ≈ 1,0 ≈ 10 ≈ 50 

Umfangsgeschwindigkeit vt in m/s 

Schadensort: 

Quelle: Niemann, Winter 

Betriebsbereich ohne 

Verzahnungsschäden 

Zahnflanke 

Zahnfuß 


Nr. 10


Schadensbild: Verschleiß 

Ausgangskontur 

Quelle: Linke, H.: Stirnradverzahnung 


Nr. 11



Tragfähigkeitsgrenze: Grübchen 

Verschleiß 



≈ 0,3 ≈ 1,0 ≈ 10 ≈ 50 


Schadensort: 


Zahnflanke 


Nr. 12 

Grübchen 

Zahnfuß


Schadensbild: Grübchen 

Quelle: ZF, Friedrichshafen Quelle: Geartech, USA 


Nr. 13



Tragfähigkeitsgrenze: Zahnfußbruch 

Verschleiß 



≈ 0,3 ≈ 1,0 ≈ 10 ≈ 50 


Schadensort: Zahnflanke Zahnfuß 



Nr. 14 

Grübchen 

Zahnfußbruch


Quelle: ZF, Friedrichshafen 

Schadensbild: Zahnfußbruch 

Quelle: ZF, Friedrichshafen 


Nr. 15



Tragfähigkeitsgrenze: Fressen 

Verschleiß 



≈ 0,3 ≈ 1,0 ≈ 10 ≈ 50 





Nr. 16 

Grübchen 

Zahnfußbruch 

Fressen


Schadensbild: Fressen 

Quelle: ZF, Friedrichshafen Quelle: ZF, Friedrichshafen 


Nr. 17



Tragfähigkeitsgrenze: Graufleckigkeit 

Verschleiß 

Fressen 



≈ 0,3 ≈ 1,0 ≈ 10 ≈ 50 





Nr. 18 

Grübchen 

Zahnfußbruch 

Graufleckigkeit


Quelle: GL Wind 

Schadensbild: Graufleckigkeit 


Nr. 19



1. Einleitung 



2.2 Stand der Technik (SdT) 

2.3 Forschung und Entwicklung (FuE) 



5. Ausblick 


Nr. 20


Betriebslasten 

Extremlasten 

Belastungen 

Simulation / Messung 

ISO 6336, ISO 281 

DIN 3990, DIN 743 

Berechnungskonzepte 

Tragfähigkeitsnachweis 

WEA Entwicklung / Konstruktion 


Nr. 21 

Rechnerische Sicherheit 

Komponentenprüfung durch Germanischer Lloyd WindEnergie 

Getriebe 

Konstruktion 

Schmierung 

Lager 

Wellen 

Struktur

2.2 Stand der Technik (SdT) 

Tragfähigkeitsnachweise am 

Beispiel der Getriebeverzahnung: 

Grübchen bzw. 

Zahnfußbruch 

Fressen 

Festigkeitsnachweis 

ISO 6336 

Temperaturnachweis 

DIN 3990 


Nr. 22 

S = 

Definition der Sicherheit: 

ertragbare Beanspruchung 

vorhandene Beanspruchung 

zulässige Temperatur 

S = 

vorhandene Temperatur

2.3 Forschung und Entwicklung (FuE) 

Tragfähigkeitsnachweise am 

Beispiel der Getriebeverzahnung: 

Verschleiß 

Graufleckigkeit 

Verschleiß 

FuE 

Geometrienachweis 

Gefährdungsprüfung 

+ Geometrienachweis 

Grübchen 

SdT 

Definition der Sicherheit: 


Nr. 23 

S = 

λ = 

S = 

Tragfähigkeitsnachweis gegen … 

Zahnfußbruch 

SdT 

zulässige Geometrieabweichung 

vorhandene Geometrieabweichung 

vorhandene Schmierfilmdicke 

Flankenrauhigkeit 

zulässige Geometrieabweichung 

vorhandene Geometrieabweichung 

Fressen 

SdT 

Graufleckigkeit 

FuE



1. Einleitung 






5. Ausblick 


Nr. 24


Festigkeit 

Temperatur 

F b 

WÖHLER-Linie 

Lastwechsel 

Eingriffsstrecke 

FZG-Test 

Vorhandene 

Beanspruchungen 

Zulässige 

Beanspruchung 

Vorhandene 

Temperatur 

Zulässige 

Temperatur 


Nr. 25 

Dynamischer Tragfähigkeitsnachweis 

mit Betriebslasten 

Statischer Tragfähigkeitsnachweis 

mit Extremlasten 

Tragfähigkeitsnachweis mit 

Extremlasten


M x 

F R 

F b F b 

F R 

M x 

Schmierung durch Additive 

Gefährdung durch Schmierfilmdicke abschätzbar 

λ > 1 λ < 1 λ > 1 viskose Reibung 

Für λ < 1 sind Additive erforderlich! 

Physikalisch 

adsorbierte Schichten 

λ = f (Betriebsbedingungen) 


Nr. 26 

λ≈ 0,2..1 Mischreibung 

λ< 0,2 Grenzreibung 

Chemisch reaktive 

Schichten


Drehmoment 

Drehzahl 

Schmierstofftemperatur 

Betriebsbedingungen der Getriebeverzahnungen 


Nr. 27


Rotordrehzahl n xR in min -1 

25 

23 

21 

19 

17 

15 

13 

11 

9 

7 

5 

3 

1 

-1 

Belastungskollektiv, V ave = 7,5 m/s 

-3 

-1000 -800 -600 -400 -200 -25 25 200 400 600 800 1000 1200 1400 

Rotordrehmoment M xR in kNm 

0 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 

Rotorumdrehungen N Rotor in 20 Jahren 


Nr. 28 

C 

B 

A 

A - Volllast 

B - Teillast 

C - Trudelbetrieb



25 

23 

21 

19 

17 

15 

13 

11 

9 

7 

5 

3 

1 

-1 

Spezifische Schmierfilmdicke λ, Ausgangsstufe 

-3 

-1000 -800 -600 -400 -200 -25 25 200 400 600 800 1000 1200 1400 

Rotordrehmoment MxR in kNm 

0 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 



Nr. 29 

5,0 

4,0 

3,0 

2,0 

1,0 

0 

Spezifische 

Schmierfilmdicke 

λ



25 

23 

21 

19 

17 

15 

13 

11 

9 

7 

5 

3 

1 

-1 

Spezifische Schmierfilmdicke λ, Zwischenstufe 

-3 

-1000 -800 -600 -400 -200 -25 25 200 400 600 800 1000 1200 1400 


0 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 



Nr. 30 

2,0 

1,5 

1,0 

0,5 

0 

Spezifische 


λ



25 

23 

21 

19 

17 

15 

13 

11 

9 

7 

5 

3 

1 

-1 

Spezifische Schmierfilmdicke λ, Eingangsstufe 

-3 

-1000 -800 -600 -400 -200 -25 25 200 400 600 800 1000 1200 1400 


0 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 



Nr. 31 

0,9 

0,8 

0,7 

0,6 

0,5 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0 

Spezifische 


λ



1. Einleitung 






4.3 Öl 

5. Ausblick 


Nr. 32


• Kühlsystem muss Verlustleistung bei jeder 

Umgebungstemperatur abführen können 

• Öl-Temperatur darf nicht zu hoch sein: Fressen, Schmierfilmbildung 

• Öl-Temperatur darf nicht zu niedrig sein: Wirksamkeit der Additive 

• Für Anlagenstart aus tiefen Temperaturen ist externe 

Schmierstofferwärmung erforderlich 

• Getriebebelastbarkeit als Funktion der Öl-Temperatur, Warmlaufphase 


Nr. 33



Spezifische Schmierfilmdicke λ, Zwischenstufe, Öl-Temperatur +10 K 

25 

23 

21 

19 

17 

15 

13 

11 

9 

7 

5 

3 

1 

-1 

-3 

-1000 -800 -600 -400 -200 -25 25 200 400 600 800 1000 1200 1400 


0 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 



Nr. 34 

1,8 

1,6 

1,4 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

Spezifische 


λ


• Ölreinheit beeinflusst Schmierfilmbildung 

• Schlechte Ölreinheit begünstigt Graufleckenbildung 

• Additive dürfen nicht ausgefiltert werden 

• Wechselintervalle der Filter müssen eingehalten werden 


Nr. 35

4.3 Öl 

• Anweisungen des Getriebeherstellers befolgen 

• Öle nicht mischen 

• Regelmäßige Kontrolle der Öl-Qualität, z.B. auch durch WKP 

• Öl-Wechselintervalle einhalten 

• Öle besser wechseln, als auffüllen 

• Getriebewartung nur von Fachpersonal durchführen lassen 

• Öle nach Vorschrift entsorgen 


Nr. 36



1. Einleitung 




5. Ausblick 


Nr. 37

5 Ausblick 

• Betriebsbedingungen von WEA-Getrieben müssen weiter analysiert 

werden: Inbetriebnahme, Produktionsbetrieb, Sonderereignisse 

• Tragfähigkeitsnachweis gegen Grauflecken wird erarbeitet 

• Informationsaustausch zwischen Betreiber, Entwickler und Zertifizierer 

wünschenswert 

• GL Wind arbeitet mit an internationalen Standards und Richtlinien zur 

Normung von WEA-Getrieben 

• Forschungsbedarf zur Klärung der Schadensursache in der 

Vergangenheit besteht weiterhin 


Nr. 38

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! 

Jan-Bernd Franke 

Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH 

Tel.: +49 40 311 06-7576 

Fax: +49 40 311 06-1720 

E-mail: jbf@gl-group.com 

Web: www.gl-group.com/glwind

Graufleckentragfähigkeit der Getriebeverzahnungen von - GL Group

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