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Konstruktionselemente mit Hertz'scher Punkt- oder Linienlast und Schlupf in der Kontaktfläche ohne äußere Schmierung

Fachliche Zuordnung Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Förderung Förderung von 2014 bis 2019
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 244601410
 
Erstellungsjahr 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Forschungsvorhaben wurde erstmals die Selbstschmierung von hochbelasteten Wälzpaarungen aus getränktem Sintermaterial erforscht. Systematische Untersuchungen am Zweischeibenprüfstand in Analogie für die Kontaktverhältnisse an Zahnrädern und Wälzlagern haben vielversprechende Standzeiten und typische Reibungszahlen von EHD-Kontakten bei Mischreibung gezeigt. Wiederholungsläufe zeigten bei gleicher Betriebsbedingung teilweise jedoch deutliche Unterschiede mit stabilen, metastabilen und nicht stabilen Betriebsverhalten. Dies konnte mit der Porendichte und Porengröße auf der tribologisch beanspruchten Wälzkörperoberfläche nach Versuch korreliert werden. Durch systematische Untersuchung verschiedener Schmierstoff-, Oberflächen- und Werkstoffeigenschaften konnte die fertigungsbedingte Oberflächenporosität im Vergleich zur Grundporosität und der Schmierstoff als maßgebliche Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten identifiziert werden. Mit geschliffenen oder polierten Prüfkörpern und einem Schmierstoff mit oberflächenwirksamer Molybdänkomponente konnte wiederholbar stabiles Betriebsverhalten erreicht werden. Weiterhin hat die rückwirkungsbehaftete Kopplung von Reibungszahl, Massentemperatur und Schmierstofffluss an der Wälzkörperoberfläche großen Einfluss auf das Betriebsverhalten gezeigt. Mit kontaktauflösenden Untersuchungsmethoden am Zweischeibenprüfstand und EHD-Tribometer sowie mit begleitenden Simulationsuntersuchungen konnte das Grundlagenverständnis gesteigert werden. Rotationsaufgelöste Messungen des Kontaktwiderstands haben gezeigt, dass eine hohe Oberflächenporosität zu höherer Reibkraft und schwerer Mischschmierung führt. Optische Schmierfilmdickenmessungen haben belegt, dass mit getränkten Sinterpaarungen im hochbelasteten Kontakt ein hydrodynamischer Schmierfilm aufgebaut werden kann, die Schmierfilmausprägung durch die Oberflächenporosität aber signifikant beeinflusst wird. Je nach Verbindung von Oberflächenporen zur Grundporosität können lokal schmierfilmerhöhende oder - erniedrigende Effekte wirken. Zur Ausbildung eines hydrodynamischen Schmierfilms ist Schmierstoffaustritt aus dem getränkten Sintermaterial notwendig. Der entsprechende Schmierstofffluss an der Wälzkörperoberfläche konnte mit einem Simulationsmodell quantifiziert werden. Es zeigt sich, dass eine optimale Abstimmung von Porositäts- und Schmierstoffeigenschaften mit den Betriebsbedingungen notwendig ist, um die Schmierstoffbereitstellung durch Schmierstoffaustritt und Schmierfilmausbildung durch Drosselwirkung der Oberfläche in Waage zu halten. Das selbstschmierende System wurde erfolgreich von Tribometerund Modellebene auf Zahnräder übertragen. Am Zahnradwirkungsgradprüfstand wurden stabile Betriebsverhalten mit vielversprechenden Standzeiten und typischen Verzahnungsreibungszahlen geschmierter Zahnradpaarungen beobachtet. Bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Lasten stellt die thermische Grenzlast aufgrund der limitierten Wärmeabfuhr verglichen zu Tauch- oder Einspritzschmierung eine Betriebsgrenze dar. Neben Außenverzahnungen können Innenverzahnungen aufgrund der günstigen Gleit- und Krümmungsverhältnisse im Zahnflankenkontakt für selbstschmierende schmierstoffgetränkte Sintermaterialien ein vielversprechendes Anwendungsgebiet sein. Dazu wurde ein konformer Zweischeibenprüfstand entwickelt, aufgebaut und für erste Untersuchungen am konformen Wälzkontakt genutzt. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die Funktionsfähigkeit der Selbstschmierung von hochbelasteten Wälzpaarungen aus getränkten Sintermaterial gezeigt. Ein stabiles Betriebsverhalten mit hoher Standzeit erfordert eine optimale Abstimmung von Porositäts- und Schmierstoffeigenschaften mit Betriebsbedingungen. Dazu ist weitere Grundlagenforschung mittels theoretischer Simulationsstudien und Messungen am optischen EHD-Tribometer notwendig. Fokus sollte dabei auf eine gezielte Oberflächenverdichtung zur Einstellung einer definierten Porosität im oberflächennahen Bereich gelegt werden, die einen ausreichenden Schmierstoffaustritt erlaubt und trotzdem eine hydrodynamische Schmierfilmausbildung im EHD-Kontakt sicherstellt. Dies wird im laufenden Vorhaben PeCoGear (Performance and Cost Optimization of Aircraft Gears) untersucht. Zudem sollte das Potential von Wälzpaarungen mit schmierstoffgetränkten Kunststoffen untersucht werden, da hier ein weicher EHD-Kontakt mit großer Abplattung vorliegt. Als Fertigungsverfahren kann 3D-Druck zur gezielten Einstellung von Porosität und Kapillarität genutzt werden. Verlustoptimierte Verzahnungsgeometrien haben durch Senkung der lastabhängigen Verzahnungsverluste Potential zur Steigerung der thermischen Grenzlast von selbstschmierenden schmierstoffgetränkten Zahnrädern.

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