Einfluss kinematischer Modulationen beim Schleifen auf die Oberflächenstrukturierung zur Steigerung der Ressourceneffizienz von Zahnrädern
Final Report Abstract
Im Spannungsfeld aus Erhöhung der Leistungsdichte und Gewährleistung einer hohen Funktionssicherheit und Zuverlässigkeit steht eine nachhaltige Ressourcennutzung immer häufiger auf der Agenda von Industrie und Forschung. Eine gezielte Strukturierung von tribologisch beanspruchten Flächen, wie den Zahnflanken, kann zu einer Verbesserung der Schmierbedingungen im Wälzkontakt und somit zu einer Erhöhung der Lebensdauer führen, was einen signifikanten Beitrag zur Erhöhung der Nachhaltigkeit dieser Bauelemente liefern kann. Ziel dieses Projektes war es daher, Schleiftechnologien zu entwickeln, die eine gezielte Oberflächenstrukturierung von Funktionsflächen ermöglicht, den Einfluss dieser Oberflächenstrukturen auf die Schmierfilmausprägung zu simulieren und eine Empfehlung für die Gestaltung von Zahnflankenmikrotopographien zu geben. Zunächst wurde mithilfe von Einkornritzsimulationen und Einkornritzuntersuchungen eine Modellvorstellung für die Eingriffsbedingungen bei kinematisch modulierten Schleifprozessen erarbeitet. Eine kinematische Modulation führt einerseits zu einem geringfügigen Anstieg der Spanungsdicke hcu,max sowie der geometrischen Kontaktlänge lg und anderseits zu einem deutlichen Einfluss der Modulationsbewegung auf die Ritzspurgeometrie. Mithilfe der Entwicklung eines numerischen Modells von erzeugbarer Oberflächenstrukturen wurde eine Darstellung von konventionell und kinematisch modulierten 3D-Oberflächen erzeugt, wobei die bereitgestellten Oberflächen als Eingangsdaten für die Hydrodynamik-Simulationen dienen. Die Verifikation der numerischen Modellierung von den 3D-Oberflächenstrukturen erfolgte anhand experimenteller Ergebnisse vom kinematisch modulierten Rundschleifprozess. Die Verläufe der Kennwerte zeigen eine gute Übereinstimmung bezüglich der Tendenz und der Absolutwerte. Die Oberflächenkennwerte lassen sich mit einer Modulationsbewegung bis zu 80 % verbessern. Darüber hinaus wurde eine Quantifizierung des Einflusses eines Konditionierprozesses auf die Oberflächenkennwerte vorgenommen. Durch die Wahl geeigneter Stellgrößen beim Konditionierprozess lässt sich die Feinstruktur der kinematisch moduliert geschliffenen Oberflächen verändern. Zudem ist die Anwendung des kinematisch modulierten Rundschleifprozesses neben dem Einsatz einer konventionellen Sinterkorundschleifscheibe auch unter Einsatz einer hochharten, keramisch gebundenen CBN-Schleifscheibe möglich. Das kinematisch modulierte Schleifen wurde erfolgreich auf das Profil- und Teilwälzschleifen sowie das topologische Generierungsschleifen von Zahnrädern aus 16MnCr5 übertragen. Ähnliche Tendenzen wie beim Analogieprozess hinsichtlich der Oberflächenkennwerte konnten für das kinematisch modulierte Profil- und Teilwälzschleifen, Verfahren mit kleiner und großer Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück, unter Variation der Frequenz ffa und der Amplitude Afa festgestellt werden. Die Analysen der strukturierten Zahnflanken zeigten hierbei eine deutliche Veränderung der unidirektionalen Oberflächenstruktur ohne signifikanten Einfluss auf die Verzahnungsqualität. Die Evaluierung des Einsatzverhaltens strukturierter Zahnräder aus 20MnCr5 erfolgte anhand von Fresstragfähigkeitsuntersuchungen auf einer FZG Zahnrad-Verspannungs-Prüfmaschine. Die Ergebnisse der Fresstragfähigkeitsuntersuchungen zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Referenz- und dem kinematisch moduliert teilwälzgeschliffenen Prüfritzel. Die leicht geringen Kratzer und Fressschäden deuten jedoch auf günstigere Schmierbedingungen durch eine verbesserte Benetzbarkeit des Öls auf der Zahnflankenoberflächen beim Einsatz des kinematisch moduliert teilwälzgeschliffenen Prüfritzels hin. Um diese subjektiven Merkmal zu quantifizieren, müssten weitere, feiner aufgelöste Versuche hinsichtlich der Kraftstufe auf Zahnradprüfständen durchgeführt werden. Abschließend ist für dieses Forschungsvorhaben festzuhalten, dass eine gezielte Beeinflussung der Oberflächenrauheit, -struktur, und Materialanteile durch kinematisch modulierte Schleifprozesse erreicht werden kann. Sowohl 2D-, 3D- und Hybridkennwerte der Rauheit, als auch durchgeführte Simulationen zu den Schmierfilmausprägungen weisen auf verbesserte Kontaktbedingungen im Einsatz der Zahnräder hin. Der Nutzen lässt sich aktuell mit den durchgeführten Tests zur Fresstragfähigkeit jedoch weder eindeutig nachweisen, noch widerlegen. In Folge dessen ist weiterer Forschungsbedarf identifiziert worden, insbesondere inwieweit sich die Erkenntnisse zum kinematischen modulierten Teilwälzschleifen auf die Tragfähigkeit in Bezug auf Grübchen äußern wird. In zahlreiche Veröffentlichungen wurden hier Verbesserungen festgestellt, wenn die Oberflächenkennwerte verbessert wurden. Oberflächenrauheit und -struktur können zudem einen großen Einfluss auf die Geräuschentwicklung beim Zahnkontakt haben.
Publications
- Influence of Structuring by Abrasive Machining on the Tribological Properties of Workpiece Surfaces. Procedia Engineering, Volume 19, Seiten 363 - 370, 1st CIRP Conference on Surface Integrity (CSI), 2011
Uhlmann, E.; Borsoi Klein, T.; Hochschild, L.; Bäcker, C.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.11.126) - Contact Mechanics of Rough Spheres - Crossover from Fractal to Hertzian Behavior. Advances in Tribology 974178, Seiten 1 - 4, 2013
Pohrt, R.; Popov, V. L.
(See online at https://doi.org/10.1155/2013/974178) - Kinematische Modulation beim Zahnflanken-Profilschleifen von Zahnstangen. wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 103, Heft 11/12, Seiten 875 - 881, Springer Düsseldorf, 2013
Uhlmann, E.; Bäcker, C.; Schröer, N.; Lypovka, P.
- Mixed and Boundary Lubrication in Rolling Contact: Experiment and Simulation. Facta Universitatis, Volume 11, Number 2, Seiten 123 - 131, 2013
Li, Q.; Pohrt, R.
- Surface structuring using kinematic modulation in grinding. Production Engineering – Research and Development, WGP Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik, Volume 7, Number 4, Springer Heidelberg, Seiten 373 - 381, 2013
Uhlmann, E.; Bäcker, C.; Schröer, N.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-013-0466-2) - Optimierung von Zahnflankenoberflächen durch kinematisch moduliertes Verzahnungsschleifen. Reibung, Schmierung und Verschleiß: Forschung und praktische Anwendungen, Tribologie-Fachtagung, 55: Paper-Nr. 21. Aachen: GfT, 2014, S. 21/1
Pohrt, R.; Bäcker, C.; Popov, V. L.
- Partial-slip frictional response of rough surfaces. Scientific Reports 4/5178, 2014
Paggi, M.; Pohrt, R.; Popov, V.L.
(See online at https://doi.org/10.1038/srep05178) - Oberflächenstrukturierung von Zahnflanken - Kinematisch modulierter Teilwälzschleifprozess zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften. wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 105, Heft 7/8, Seiten 487 - 494, Springer Düsseldorf, 2015
Uhlmann, E.; Bäcker, C.
(See online at https://doi.org/10.37544/1436-4980-2015-07-08-45) - General procedure for solution of contact problems under dynamic normal and tangential loading based on the known solution of normal contact problem. J. of Strain Analysis for Engineering Design, 2016
Popov, V. L.; Pohrt, R.; Heß,M.
(See online at https://doi.org/10.1177/0309324716632417)
