Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modell zur Prognose der Leerlaufverschleißlebensdauer reibschlüssiger Freiläufe

Die Lebensdauerprognose reibschlüssiger Freiläufe erfolgt heute auf Grundlage der durch die Drehmomentbelastung verursachten Kontaktpressungen im Schaltbetrieb.

Dagegen bleibt der Leerlaufverschleiß bei der Lebensdauerprognose bisher unberücksichtigt. Dadurch ist eine Lebensdauerprognose von Freiläufen, die wie Rücklaufsperren in Fördereinrichtungen oder Überholkupplungen in Drehmomentwandlern von Kraftfahrzeugen vor allem im Leerlauf betrieben werden, nicht möglich. Vielmehr wird die Funktionsfähigkeit der Freiläufe durch eine erfahrungsbasierte, konservative Dimensionierung gewährleistet. Um die Wettbewerbsfähigkeit von Freilaufherstellern und Anwendern (KMU) von Freiläufen zu erhöhen, soll im Rahmen dieses Forschungsvorhabens ein Modell zur Prognose der eerlaufverschleißlebensdauer entwickelt werden, dass einen deutlich breiteren Gültigkeits-bereich als der im Vorgängervorhaben FVA 646 I entwickelte Ansatz aufweist und den Einfluss der Bauform und -größe sowie der Betriebsbedingungen berücksichtigt. Hiermit soll eine auf die anwendungsspezifische Dimensionierung ermöglicht werden. Dazu ist eine Kombination aus Versuch, Berechnung und Analytik vorgesehen. Mit der Berechnung des Verschleißverhaltens im Leerlaufbetrieb unter Berücksichtigung der Verschleißkontur soll ein Modell zur Prognose der Leerlaufverschleißlebensdauer mit breitem Gültigkeitsbereich erzielt werden. Durch die Versuchsergebnisse wird die experimentelle Basis im Vergleich zum Vorgängervorhaben deutlich vergrößert und damit das Berechnungsmodell validiert. Zudem soll durch Materialanalysen eine Grundlage für physikalisch basierte Faktoren geschaffen werden. Darüber hinaus liefern die Versuche für die Berechnung notwendige Eingangsgrößen, die von den Betriebsbedingungen und der Materialpaarung abhängen. Abschließend soll der Rechenalgorithmus zur Prognose der Verschleißlebensdauer im Freilaufdimensionierungsprogramm JFRED hinterlegt und damit für die Industrie zur Anwendung nutzbar gemacht werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen der Untersuchungen wurde das Wissen über die Einflussparameter Baugröße, Anfederkraft, Schmierstoffviskosität und Gleitgeschwindigkeit auf die Leerlauflebensdauer deutlich erweitert. Der einzelne Einfluss der Parameter ist nur schwer differenzierbar. Über die spezifische Schmierfilmdicke (berechnet nach Dowson und Higginson) wurden die Verschleißraten aller Versuche miteinander vergleichen und die Abhängigkeit der spezifische Schmierfilmdicke von den Einflussgrößen gezeigt. Die Leerlaufverschleißrate pro Klemmkörperkontakt und die spezifischen Schmierfilmdicke korrelieren miteinander und der Zusammenhang kann durch eine Potenzfunktion beschrieben werden. Durch die Implementierung der Verschleißrate als Funktion der spezifischen Schmierfilmdicke sowie der maximal zulässigen Verschleißtiefe in das Verschleißmodell nach Archard wurde ein validiertes Modell zur Prognose der Leerlaufverschleißlebensdauer entwickelt, welches die Einflussparameter Anzahl der Baugröße, Anfederkraft, Schmierstoffviskosität und Gleitgeschwindigkeit im praxisrelevanten Bereich berücksichtigt.

Das entwickelte Modell ermöglicht eine erste Prognose der Leerlauflebensdauer von Klemmkörperfreiläufen, womit Wartungs- und Reparaturarbeiten infolge von Leerlaufverschleißschäden der Freiläufe reduzieren werden können. Weiterhin ermöglicht eine Freilaufdimensionierung mit dem entwickelten Modell eine maßgeschneiderte Auslegung für die Anwendung des Freilaufs und dessen Belastungsprofil, womit Überdimensionierung vermieden werden kann, Ressourcen eingespart werden können und die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden kann. Zudem wurde eine geeignete Prüfstrategie sowie Auswertestrategie zur Bestimmung des Leerlaufverschleißrate und des maximal zulässigen Leerlaufverschleißes entwickelt. Durch die Nutzung dieser Strategien kann das Modell auf andere Klemmspaltgrößen bzw. andere Geometrien künftig erweitert werden.