Abschlussbericht Wälzverschleiß Untersuchungen am 2disc-Prüfstand

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1 Abschlussbericht Wälzverschleiß Untersuchungen am 2disc-Prüfstand Auftraggeber: Forschungsstelle: Projektleiter: Bearbeiter: Rewitec GmbH Herr Dipl.-Ing. Stefan Bill Dr.-Hans-Wilhelmi-Weg 1 D Lahnau Zeitraum: Juli Sept Bearbeitungsstand: Kompetenzzentrum Tribologie, Hochschule Mannheim Leitung: Prof. Dr.-Ing. Paul Feinle Dipl.-Ing.(FH) Markus Grebe, MEng. Johannes Frey, BSc.; Erna Schneider, MSc. Hochschule Mannheim University of Applied Sciences

2 Untersuchungsziel Ziel dieses Projektes ist es, die Wirkung von unterschiedlichen Zusatzstoffen im Getriebeöl auf das Wälzverhalten zu untersuchen. Die Versuche werden auf einem modernen Zweischeiben- Prüfstand durchgeführt, mit dem es möglich ist, die Vorgänge an einer Zahnflanke modellhaft zu untersuchen. In einem ersten Versuch werden die Proben in einem 20-Stunden Test geprüft. Untersucht wird, in wie weit sich das Reibungsverhalten und die Beharrungstemperatur durch Zugabe von 0,2% der Zusatzstoffe verändern. Außerdem werden die Oberflächen vor und nach dem Lauf mit Hilfe des Weißlichtinterferometers topografisch untersucht. Zusätzlich werden rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der Oberflächen angefertigt, um die Wirkung besser erklären zu können. In einem zweiten Versuchsprogramm werden dann mit einzelnen Mustern Dauerläufe (3x 20 Stunden) durchgeführt. Hier liegt der Schwerpunkt auf dem Langzeitverhalten und den sich einstellenden Verschleißraten.

3 2disc-Prüfstand (Optimol Instruments) Der Zwei-Scheiben-Prüfstand 2disc der Firma Optimol-Instruments, München, kann zur Untersuchung der Bewegungsarten Rollen, Gleiten und Wälzen eingesetzt werden. Standardmäßig werden zwei 10 mm breite Scheiben mit 45 mm Durchmesser aneinander gepresst. Die Mantelflächen der Scheibe können theoretisch jede denkbare Geometrie aufweisen. Das Reibungsmoment wird kontinuierlich aufgezeichnet. Nach dem Versuch kann der massenmäßige Verschleiß durch Wiegen bestimmt werden. Im Gegensatz zu den alten Zwei-Scheiben-Prüfständen der Firma Roell-Amsler weist dieses hoch moderne Tribometer deutlich größere Leistungsdaten und eine höhere Präzision auf. Normalkraft: Drehzahl: Bewegungsart: Schmierungszustände: Temperierung: Messgrößen: Probekörper: Gleitgeschwindigkeit: Steuerung: N, mittels Feder und Stellmotor /min; je ein Servomotor pro Welle Hochschule Mannheim University of Applied Sciences Name Rollen (Synchronlauf), Gleiten (Stillstand einer Welle; Gegenlauf), Wälzen (stufenloser Schlupf) Trockenlauf, Mischreibung, Hydrodynamik 5 bis 85 C über Ölumlaufschmierung bzw. Heißluft kontinuierliche Reibkraftmessung, Temperaturmessung im Probekörper, Kontrolle der Vorgabegrößen Schlupf, Drehzahl und Normalkraft Breite 10 mm, max. Durchmesser 60 mm max. 18,8 m/s (im Gegenlauf) PC, Steuerschrank mit Bus-Technologie

4 Prüflauf-Parameter (Standardversuch) Probekörperkonfiguration: Scheibe / Scheibe (Linienkontakt 7 mm) Scheibe: max. Pressung: Geschwindigkeit: Prüfdauer: Bewegungsform /-art: Temperierung: jeweils Ø 45 mm, Breite 10 mm, geschliffen, R z ca. 1,0 µm, 1496 MPa bei 4800 N Umfangsgeschwindigkeit 5 m/s, 10% Schlupf /min linke Welle, /min rechte Welle 20 h 20 min Wälzen mit 10% Schlupf Öltemperatur konstant 85 C; Umlaufschmierung ohne Filter Luftfeuchte: ca % rel. F. Messgrößen: Einlauf: Reibkraftverlauf (online), Temperatur (online) gestufte Lasterhöhung, alle 5 Minuten um 1000 N bis Prüflast erreicht ist

5 Prüfkörper-Werkstoff Anmerkung zur Online-Temperaturmessung Die Temperaturerfassung zeigt teilweise starke Schwankungen, da der Schleifringkontakt durch den Einsatz des Öls verschmutzt wird und somit zu gelegentlichen Ausfällen der Temperaturaufnahme führt. Die nachfolgenden Temperaturkurven wurden daher teilweise geglättet!

6 Lauf 1 Agip Blasia min. - Temperatur Probekörper konstant bei ca. 103 C - Nahezu konstanter Reibkraftverlauf (leicht abfallend), Maximum anfangs bei ca. 433 N, Minimum nach 20h bei ca. 390 N

7 Lauf 1 - Aufnahmen Digitalmikroskop Linke Probe 30-fach vergrößert linke Probe 50-fach vergrößert rechte Probe 30-fach vergrößert rechte Probe 50-fach vergrößert

8 Lauf 1 Aufnahmen Weißlichtinterferometer nicht gelaufen gelaufen R a neu = 0,22 µm R z neu = 1.01 µm R a Ende = 0,12 µm R z Ende = 0,57 µm linke Probe

9 Lauf 2 Agip Blasia 150 mit REWITEC-Zusatz min. - Temperatur Probekörper konstant bei ca. 95 C - Fallender Reibkraftverlauf, Maximum anfangs bei ca. 420 N, Minimum nach 20h bei ca. 300 N

10 Lauf 2 Aufnahmen Weißlichtinterferometer R a neu = 0,22 µm R z neu = 1.01 µm R a Ende = 0,09 µm R z Ende = 0,42 µm linke Probe

11 Lauf 5 - Agip Blasia SX min. - Temperatur Probekörper konstant bei ca. 95 C - Nahezu konstanter Reibkraftverlauf (leicht abfallend), Maximum anfangs bei ca. 325 N, Minimum nach 20h bei ca. 282 N

12 Lauf 5 Aufnahmen Weißlichtinterferometer R a neu = 0,22 µm R z neu = 1.01 µm R a Ende = 0,14 µm R z Ende = 0,70 µm linke Probe

13 Lauf 8 Agip Blasia 320 SX mit REWITEC-Zusatz min. - Konstante Last (4800N), Temperatur Probekörper konstant bei ca. 91 C - Nahezu konstanter Reibkraftverlauf (leicht abfallend), Maximum anfangs bei ca. 327 N, Minimum nach 20h bei ca. 230 N

14 Lauf 8 Aufnahmen Weißlichtinterferometer R a neu = 0,22 µm R z neu = 1.01 µm R a Ende = 0,09 µm R z Ende = 0,45 µm linke Probe

15 Gegenüberstellung Lauf min. Lauf 1- ohne REWITEC: blau Lauf 2 mit REWITEC 1: rot

16 Gegenüberstellung Lauf 1 und min. - Lauf 1: blau Agip Blasia Lauf 2: rot Agip Blasia SX320

17 Gegenüberstellung Lauf min. Lauf 5: grün Agip Blasia SX320 ohne Rewitec Lauf 8: cyan Agip Blasia SX320 mit REWITEC

18 Reduzierung des Reibungsmomentes

19 Gegenüberstellung der Beharrungstemperaturen Mit dem höherviskosen Öl (ISO VG 320) stellt sich grundsätzlich eine niedrigere Beharrungstemperatur ein. Dies deutet darauf hin, dass hier der hydrodynamische Anteil in der Mischreibung höher ist. Im niedrig viskosen Öl (ISO VG 150) führt der Zusatz 1 zu einer deutlichen Reduzierung der Temperatur. Der Zusatz 2 führt zu einer etwas geringeren Reduzierung. Im hoch viskosen Öl zeigt der Zusatz 4 den deutlichsten Effekt.

20 Prüflauf-Parameter (60h-Dauerlauf) Probekörperkonfiguration: Scheibe / Scheibe (Linienkontakt 8 mm) Scheibe: max. Pressung: Geschwindigkeit: Prüfdauer: Bewegungsform /-art: Temperierung: jeweils Ø 45 mm, breite 10mm, geschliffen, R z ca. 2,8 µm, 1278 MPa bei 4000 N Umfangsgeschwindigkeit 5 m/s, 20% Schlupf /min linke Welle, /min rechte Welle 61 Stunden (3x 20 h 20 min) Wälzen mit 20% Schlupf Öltemperatur konstant 85 C; Umlaufschmierung ohne Filter Luftfeuchte: ca % rel. F. Messgrößen: Einlauf: Reibkraftverlauf (online), Temperatur (online) gestufte Lasterhöhung, alle 5 Minuten um 1000 N bis Prüflast erreicht ist.

21 Lauf 10 Agip Blasia 320 SX ohne REWITEC Die Reibkraft nimmt anfangs schnell von 260 N auf 235 N ab. Nach der ersten Demontage nach 20 h liegt der Wert mit ca. 210 N deutlich niedriger. Der Grund hierfür ist unbekannt. Anschließend ist eine kontinuierliche leichte Abnahme auf schlussendlich 180 N erkennbar. Die Temperatur sinkt allerdings nur minimal und liegt während der gesamten Versuchsdauer bei ca. 125 C.

22 Lauf 11 Agip Blasia 320 SX mit REWITEC Mit REWITEC nimmt die Reibkraft innerhalb der ersten 6 Stunden signifikant ab. Der Startwert liegt bei ca. 285 N. Nach 5 Stunden ist die Reibkraft bereits auf 145 N gesunken. Dadurch sinkt auch die Probekörpertemperatur deutlich ab. Nach ca. 16 Stunden verändert sich das System nahezu nicht mehr. Die Reibkraft liegt konstant bei ca. 120 N. Die Temperatur stellt sich auf ca. 100 C ein und liegt damit deutlich unter der des nicht behandelten Öls (127 C).

23 Veränderung der Rauheitsdaten in den Dauerläufen Agip Blasia 320 SX ohne REWITEC Agip Blasia 320 SX + REWITEC Man erkennt, dass sich durch REWITEC deutlich reduzierte Rauheitskennwerte ergeben. Die Wirkung findet in den ersten 20 Stunden statt. Anschließend verändern sich die Werte kaum noch.

24 Bewertung (20-Stundenlauf) Die Zusatzstoffe zeigen eine deutliche Reduzierung der Reibung und damit auch des Temperaturniveaus unter Wälzbedingungen im Vergleich zum Standardöl (Agip Blasia 150 bzw. Agip Blasia SX 320) ohne Zusatz. Die Wirkung beruht auf der Einglättung der Oberflächen unter Mischreibungsbedingungen. Durch die Einglättung nimmt der hydrodynamische Anteil an den Mischreibungsbedingungen zu. Mit dem höherviskosen Öl (ISO VG 320) stellt sich grundsätzlich ein niedrigeres Reibungsniveau ein. Dies deutet darauf hin, dass hier der hydrodynamische Anteil in der Mischreibung höher ist. Somit ist die Wirkung der Zusatzstoffe nicht mehr so deutlich sichtbar. Für den 60-Stunden-Dauerlauf wurden die Bedingungen durch Erhöhung des Schlupfes daher noch einmal verschärft. Im niedrig viskosen Öl Agip Blasia 150 zeigt der Zusatz 1 die deutlichste Wirkung. Das Reibungsniveau wird hier um ca. 23% reduziert. Die Topografiemessung mittels Weißlichtinterferometrie zeigt eine deutliche Glättung der Oberflächen im Vergleich zu dem nicht behandelten Standardöl. Auch mit dem höher viskosen Öl (Agip Blasia SX320) zeigen sich erhebliche Verbesserungen mit den Zusätzen, jedoch rufen die Zusätze 1 und 4 bei den Prüfbedingungen 1 (10% Schlupf) ähnliche Wirkung hervor. Das Reibungsniveau wird durch die Einglättung der Oberflächen bei allen drei Varianten um ca. 18% abgesenkt.

25 Bewertung (60h-Dauerlauf) Im Dauerlauf mit dem höher viskosen Öl und verschärften Prüfbedingungen (20% Schlupf) zeigt der Zusatz eine deutliche Wirkung. Innerhalb der ersten Prüfstunden sinkt die Reibung deutlich. Das Reibwertniveau wird um ca. 33% im Vergleich zu dem unbehandelten Öl reduziert. Die Probekörpertemperatur sinkt von 125 C auf 100 C, d.h. um ca. 20%. Der Dauerlauf mit dem Zusatz im Öl Agip Blasia SX320 zeigt, dass das System nach ca. 16 Stunden stabil und unter den vorgegebenen Prüfbedingungen eingelaufen ist. Es gibt keine Anzeichen für einen erhöhten Verschleiß im Vergleich zu dem unbehandelten Öl. Die rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen und die Topografiemessungen belegen das. Die rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen (REM) und chemische Elementanalysen (EDX) und Topografiemessungen (WLI) zeigen, wie die Oberflächen durch die Zusätze eingeglättet werden (siehe Extra-Bericht).

26 Wir bedanken uns für den Auftrag Mannheim, Markus Grebe verantwortlicher Projektleiter

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