antriebstechnik 12/2016

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
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