Fresstragfähigkeit Zahnkupplungen

Methode zur Ermittlung der Fresstragfähigkeit von verlagerungsfähigen Mitnehmerverzahnungen in Zahnkupplungen

In den vergangenen Jahrzehnten sind die aktuellen Auslegungsgrundlagen für Mitnehmerverzahnungen in Zahnkupplungen erarbeitet und für die praktische Anwendung nutzbar aufbereitet worden. Ein seit jeher bestehendes Problem aber ist die nicht prognostizierbare Verschleißerscheinung Fressen innerhalb der Verzahnung. Die für Stirnräder standardisierten Methoden beinhalten die Ermittlung einer rechnerischen Fresssicherheit, die sich aus dem Verhältnis einer definierten kritischen Fresstemperatur und einer entsprechend der Belastungssituation auftretenden Reibtemperatur im Flankenkontakt ergibt. Von diesem Lösungsansatz war auch bei diesem Projekt auszugehen.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens FVA 613 II wurde eine Methode zur Vorhersage der thermischen Belastungsgrenze, bei der eben gerade noch keine Fresserscheinungen auftreten, erarbeitet. Dafür sind ein analytischer Berechnungsalgorithmus zur Bestimmung der auftretenden Reibleistungen und Reibkontakttemperaturen sowie ein aerothermodynamisches Simulationsmodell auf Basis der FEM zur Abbildung der Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Wärmeübergang entwickelt. Aus beiden Teilen ist ein Modell für eine Systemsimulation generiert worden, um eine ganzheitliche Berechnung der Betriebstemperaturen gewährleisten zu können. Zur Validierung des Simulationsmodells und zur Verifizierung der Berechnungsergebnisse sind umfangreiche experimentelle Versuchsreihen durchgeführt worden. Dabei wurden die Betriebstemperaturen an unterschiedlichen Versuchskupplungen aufgenommen und ausgewertet. Sie dienten anschließend als Referenz für die in der Simulation ermittelten Temperaturprofile im Beharrungszustand.

Im Ergebnis zeigte sich, dass sich eine allumfassende Beschreibung thermischer Zustandsänderungen von Bogenzahnkupplungen aufgrund der Vielzahl an Einflussparametern (Verzahnung, Geometrie, Betriebslasten, Fluidströmung usw.) und simultan ablaufender Prozesse (Reibung, Wärmeleitung, konvektiver Wärmeübergang) zwar als sehr schwierig gestaltet und bei weitem nicht als abgeschlossen betrachtet werden kann. Gleichwohl lieferten der entwickelte Berechnungsalgorithmus und das Simulationsmodell weitreichende Erkenntnisse über das thermodynamische Verhalten von Zahnkupplungen und bilden damit eine solide Basis für weitergehende Forschungsarbeiten.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19199-BR 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.