Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methode zur Ermittlung der Fresstragfähigkeit von verlagerungsfähigen Mitneh-merverzahnungen in Zahnkupplungen

In den vergangenen Jahrzehnten sind die aktuellen Auslegungsgrundlagen für Mitnehmerverzahnungen in Zahnkupplungen erarbeitet und für die praktische Anwendung nutzbar aufbereitet worden. Ein seit jeher bestehendes Problem aber ist die nicht prognostizierbare Verschleißerscheinung Fressen innerhalb der Verzahnung. Technisch betrachtet ist unter Fressen grundsätzlich das lokale „Verschweißen“ und Losreißen zweier Kontaktpartner zu verstehen. Wie bei Stirnradverzahnungen wird auch bei Mitnehmerverzahnungen zwischen Kalt- und Warmfressen unterschieden. Es entsteht durch Mangelschmierung als Folge thermischer Überlastung. Für das Warmfressen sind überkritische spezifische Reibleistungen, d.h. zu hohe Flankenpressungen in Kombination mit zu hohen Gleitgeschwindigkeiten, verantwortlich. Hingegen tritt Kaltfressen aufgrund von Mangelschmierung, bedingt durch niedrige Relativgeschwindigkeiten und unzureichendem Schmierfilmaufbau, insbesondere bei transientem Betriebsverhalten, oder infolge von allmählichem Schmierstoffversagen durch überhöhte Dauerbetriebstemperaturen auf. Diese Unkenntnis erschwert eine zuverlässige, betriebssichere Bemessung von Zahnkupplungen in hohem Maße. Es stellt sich also die Frage, wie es gelingt, Fressen in der Verzahnung von Zahnkupplungen sicher vorherzusagen. Die für Stirnräder standardisierten Methoden beinhalten die Ermittlung einer rechnerischen Fresssicherheit, die sich aus dem Verhältnis einer definierten kritischen Fresstemperatur und der der Belastungssituation entsprechend auftretenden Reibtemperatur im Flankenkontakt ergibt. Von diesem Lösungsansatz ist auch bei diesem Forschungsvorhaben auszugehen. Ferner wird eine Methode entwickelt, die auf einer erweiternden Definition der kritischen spezifischen Reibleistung beruht dahingehend, dass explizit für das Fressen ein Beanspruchbarkeitskriterium bereitgestellt wird. Das Ergebnis ist ein Berechnungsalgorithmus zur Bemessung der Fresstragfähigkeit von Mitnehmerverzahnungen in Zahnkupplungen

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Methode zur Vorhersage der thermischen Belastungsgrenze, bei der eben gerade noch keine Fresserscheinungen auftreten, erarbeitet. Dafür sind ein analytischer Berechnungsalgorithmus zur Bestimmung der auftretenden Reibleistungen und Reibkontakttemperaturen sowie ein aerothermodynamisches Simulationsmodell auf Basis der FEM zur Abbildung der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Wärmeübergang entwickelt. Aus beiden Teilen ist ein Modell für eine Systemsimulation generiert worden, um eine ganzheitliche Berechnung und Bewertung der Betriebstemperaturen gewährleisten zu können.

Zur Validierung des Simulationsmodells und zur Verifizierung der Berechnungsergebnisse sind umfangreiche experimentelle Versuchsreihen durchgeführt worden. Dabei wurden die Betriebstemperaturen an unterschiedlichen Versuchskupplungen aufgenommen und ausgewertet. Sie dienten anschließend als Referenz für die in der Simulation ermittelten Temperaturprofile im Beharrungszustand.

Im Ergebnis zeigte sich, dass sich eine allumfassende Beschreibung thermischer Zustandsänderungen von Bogenzahnkupplung aufgrund der Vielzahl an Einflussparametern (Verzahnung, Geometrie, Betriebslasten, Fluidströmung usw.) und simultan ablaufender Prozesse (Reibung, Wärmeleitung, konvektiver Wärmeübergang) zwar als sehr schwierig gestaltet und bei weitem nicht als abgeschlossen betrachtet werden kann. Gleichwohl lieferten der entwickelte Berechnungsalgorithmus und das Simulationsmodell weitreichende Erkenntnisse über das thermodynamische Verhalten von Zahnkupplungen und bilden damit eine solide Basis für weitergehende Forschungsarbeiten.