Bemessungskriterien und Bemessungsmethode für Mechanismen mit oszillierendem Gleitkontakt anhand der Mitnehmerverzahnung von Zahnkupplungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zahnkupplungen dienen bei axialem, radialem und angularem Versatz von momentübertragenden Wellen zu deren Verbindung, wobei das Übertragungsverhalten der Zahnkupplungen vom Auslenkungswinkel der Verzahnungsachsen bestimmt wird. Bei Auslenkungswinkeln von ε ≥ 0,5° ist erfahrungsgemäß die beanspruchte Verzahnung tribologisch, d.h. schmierungstechnisch, gut beherrschbar. Dieses Forschungsthema diente dem Aufzeigen von Möglichkeiten für eine betriebssichere Realisierung von extrem kleinen Auslenkungswinkeln (ε << 0,5°). Sie rufen einen oszillierenden Gleitkontakt mit sehr kurzen Gleitwegen und entsprechend geringen Gleitgeschwindigkeiten hervor. Die dabei entstehende Pressungsüberlappung führt zur starken Beeinflussung des Tribozustandes (Schmierstoffzufuhr). Ziel des Projekts war es, zuverlässige Bemessungskriterien für derartige Gleitkontakte zu erforschen. Zur Umsetzung dessen wurde ein Berechnungsalgorithmus entwickelt, der die Lastverteilung innerhalb der Verzahnung im Hinblick auf die veränderten Kontaktbedingungen und die resultierenden Beanspruchungen beschreibt. Dem Berechnungsalgorithmus lagen umfassende Analysen bezüglich maßgebender Einflussparameter auf die Belastungs-respektive Beanspruchungssituation in der Mitnehmerverzahnung zugrunde. Von besonderem Interesse war dabei die infolge der Geometriemodifikation auftretenden kinematischen Veränderungen im Kontakt. Dabei zeigten sich durchaus positive Effekte der stark vergrößerten Krümmungsradien auf die mechanischen wie auch tribologischen Beanspruchungsverhältnisse. Es fiel auf, dass sich, entgegen den Erwartungen, je nach Schmierstoffwahl ein für Grenzreibungsbedingungen vergleichsweise günstiger Tribozustand einstellen kann. Die Bemessung der Gleitmechanismen erfolgt anhand der auftretenden spezifischen Reibleistung im Flankenkontakt. Diese Größe wird zu einer definierten zulässigen spezifischen Reibleistung, welche sich aus Materialkenngrößen und kinematischen Randbedingungen sowie kontaktgeometrischen Verhältnissen ergibt, ins Verhältnis gesetzt. Die Grundlage hierfür bildete die deterministische Bestimmung eines Kontaktfaktors, welcher Größen enthält, die einen Einfluss auf die Verformbarkeit innerhalb der Kontaktstelle ausüben. Der Kontaktfaktor besitzt für jeden Kontakt einen konstanten Wert und stellt eine Bezugsgröße zur Verformungsenergiedichte nach Fleischer für reale Kontaktgeometrien dar. Aufbauend auf den theoretischen Untersuchungen sind zahlreiche Prüfstandversuche auf einem Zweiwellen-Verspannprüfstand an geometrisch modifizierten Zahnkupplungen durchgeführt worden. Neben der messtechnischen Ermittlung auftretender Reibkräfte in der Verzahnung standen Oberflächenanalysen der Zahnflanken im Vordergrund. Mit Hilfe eines 3D-Weißlichtinterferrometers sind Aufnahmen der Flankenoberflächen angefertigt und die entsprechenden Rauheitskennwerte für eine Beurteilung des Reibungsverhaltens ergänzend zur Reibkraft ermittelt worden. Die Messergebnisse konnten die vorausgegangenen Erkenntnisse der theoretischen Analysen bestätigen. Im Ergebnis des Projekts steht nunmehr eine Herangehensweise zur Bemessung oszillierender Gleitkontakte für die ingenieurtechnische Anwendung zur Verfügung. Allerdings beschränkt sich die Methode ausschließlich auf Materialpaarungen aus Stahl, was im Hinblick auf die Vielfalt der in der Praxis in Gleitpaarungen eingesetzten Werkstoffe aber als wichtige Grundlage für weiterführende Forschungstätigkeiten auf diesem Gebiet anzusehen ist. Von großem Interesse ist in diesem Kontext die Übertragbarkeit der Methode zur Ermittlung des Kontaktfaktors auf Kontaktpaarungen, welche im Gegensatz zu dem hier betrachteten Werkstoff Stahl ein anisotropes Materialverhalten (z.B. Polymere oder Keramiken) aufweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Beanspruchbarkeit in Zahnkupplungen bei sehr kleinem Verlagerungswinkel. Antriebstechnik 54 (2015) 1, S. 22-29
Breitenbach, T; Kunze, G.
