Freilauf kombinierte Lasten
FVA 694 II | IGF-Nr. 21066 N
Einfluss kombinierter Zusatzlasten auf die maximale Hertzsche Pressung beim Klemmrollen- und Klemmkörperfreilauf
Die aktuelle Auslegung von Freiläufen basiert auf einem Lebensdauermodell wonach für jeden Klemmkontakt dieselbe Belastung (Hertzsche Pressung) vorliegt, also einer reinen Drehmomentenbeanspruchung. Der Einfluss auf die Lebensdauer durch parasitäre Kräfte (radiale Zusatzlast oder Verkippung der Laufbahnen) kann nicht adäquat abgeschätzt werden.
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsvorhabens wurde daher der lebensdauerreduziernde Einfluss radialer Zusatzlasten und der Einfluss durch Verkippen der Laufbahnen experimentell und simulativ an Klemmrollenfreiläufen mit Kreisbogenrampe, mit ebener Klemmrampe und an Klemmkörperfreiläufen betrachtet. Hierfür wurden experimentell zunächst Referenzwöhlerlinien, also Versuche unter reinem Drehmoment, ermittelt. Für die Validierung des Berechnungsansatzes wurden zusätzlich Wöhlerlinien unter radialer Zusatzlast (wahlweise 3 kN und 4 kN) geprüft. Ebenso wurden Stichversuche mit einer Wellenverkippung von 0,3° durchgeführt. Die Zusatzlast bedingt eine Exzentrizität der Freilaufringe zueinander, sodass die Belastungen in jedem Klemmkontakt unterschiedlich ausfallen. Abbildung 1 links zeigt schematisch die Verteilung unter Drehmoment und Zusatzlast (rot) im Vergleich zu reiner Drehmomentbelastung (grün). Hieraus resultieren unterschiedliche Schadensintensitäten auf den Klemmflächen unter Zusatzlast. Die Höhe der resultierenden Hertzschen Pressungen und die Verteilung über den Umfang wurde anhand von umfangreichen MKS-Simulationen ermittelt, die wiederum zur Optimierung des analytischen Berechnungsansatzes dienten.
Mit Hilfe der experimentellen Untersuchungen konnte der Einfluss unterschiedlicher Zusatzlasten ermittelt werden, siehe Abbildung rechts. Auf dieser Basis und in Kombination mit den Simulationsergebnissen ist eine rechnerische Lebensdauerabschätzung für beliebige Zusatzlasten, auch ohne Radiallastversuche, möglich. Das Berechnungskonzept wurde für Klemmrollenfreiläufe mit Kreisbogenrampe, ebener Klemmrampe und Klemmkörperfreiläufe validiert.
Untersuchungen zur Wellenverkippung zeigten, dass eine Verkippung von 0,3° bei Klemmrollenfreiläufen keinen signifikanten Einfluss auf die Lebensdauer nimmt. Dieser Freilauftyp ermöglicht eine ausreichende Bewegungsfreiheit der Klemmrollen, um sich im Klemmspalt entsprechend auszurichten. Der Einfluss der Verkippung beim Klemmkörperfreilauf zeigte hingegen gravierende Auswirkungen. Hier ist kein sicherer Betrieb möglich, da der Freilaufkäfig die Klemmelemente einschränkt und so der Freiheitsgrad zum Ausgleich der Schiefstellung fehlt. Es treten sofort Pop-Outs auf und eine Drehmomentübertragung ist nicht gewährleistet.
Die gewonnenen Erkenntnisse und der verwendete analytische Berechnungsansatz bauen auf dem bekannten Vorgehen auf. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung in das gängige Berechnungsprogramm MAnFreD (ehemals JFRED) und kann so den Herstellern von Freiläufen unmittelbar zur Verfügung gestellt werden.
Das Vorhaben IGF-Nr. 21066 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
