Erweiterte Tellerradgrübchentragfähigkeit

Untersuchungen zur erweiterten Quantifizierung der Tellerradgrübchentragfähigkeit bei Kegelrad- und Hypoidverzahnungen

Kegelräder gehören wie auch Stirnräder und Wälzlager zu den Grundelementen des Maschinen-, Fahrzeug- und Anlagenbaus. Auf Grund der stetig steigenden Leistungsdichte im Antriebsstrang sind sie im Einsatz unterschiedlichen, meist hohen Beanspruchungen infolge statischer sowie dynamischer Belastungen ausgesetzt. Eine bei Kegelrädern im Praxiseinsatz immer wieder auftretende Schädigung der Flanken stellt die Schadensart Grübchen dar. Ein bekannter Einfluss auf die Grübchentragfähigkeit, der bislang in den gebräuchlichen Rechenverfahren weder für Stirn- noch für Kegelräder berücksichtigt wird, ist die Treibrichtung. In diesem Forschungsvorhaben wurde daher die Grübchentragfähigkeit von Stirnrad- wie auch Kegelrad- und Hypoidgetrieben unter Berücksichtigung des Treibrichtungseinflusses systematisch untersucht.

Aufbauend auf theoretischen Arbeiten zur Bestimmung des Reibkrafteinflusses auf die Zahnnormalkraft, zur Bestimmung der lokalen Schmierfilmdicken unter Berücksichtigung der Kontakttemperatur sowie zur Entstehung von Grauflecken bei Treibrichtungsumkehr, wurden in Stirnradstichversuchen die sich durch unterschiedliche Treibrichtung ändernden Eingriffsverhältnisse und der Einfluss des Schrägungswinkels untersucht. Zur Klärung des Einflusses von kegelrad- und hypoidspezifischen Parametern auf die Grübchentragfähigkeit bei Treibrichtungsumkehr wurden weitere experimentelle Untersuchungen an Kegelrad- und Hypoidverzahnungen durchgeführt.

Erstmals wurde auch der maßgebende Einfluss der Graufleckenbildung auf die Grübchentragfähigkeit bei unterschiedlichen Treibrichtungen gezeigt (siehe Bild 1). Bisher noch unberücksichtigte Einflussfaktoren auf die Mechanismen zur Graufleckenentstehung konnten somit identifiziert werden. Die Erkenntnisse lassen sich gut mit den bisherigen Modellvorstellungen und Ergebnissen experimenteller Untersuchungen in Einklang bringen. Die Anteile stemmenden und ziehenden Gleitens auf der Zahnflanke konnten als Einflussgrößen auf Grauflecken- und Grübchentragfähigkeit identifiziert werden und bilden somit ein neues Auslegungskriterium für die praktische Anwendung, wenn hohe Zeitanteile mit treibendem Tellerrad (Rekuperationsbetrieb bei Hybrid-/E-Fahrzeugen) vorhanden sind. Ebenso wurde wie bereits in früheren Vorhaben gezeigt, dass vorhandene Graufleckigkeit an Kegel- und Hypoidverzahnungen die Grübchentragfähigkeit massiv steigern kann.

Insgesamt trägt das durchgeführte Vorhaben somit maßgebend zur Erweiterung des Wissens hinsichtlich der Entstehungsmechanismen von Graufleckigkeit und Grübchen bei. Als Kernaussage dieses Forschungsvorhabens bleibt festzuhalten, dass bei üblichen Übersetzungen ein Ausfall des Tellerrades durch Grübchen unabhängig von der Treibrichtung nicht zu erwarten ist.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18377-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.