Großgetriebe-Graufleckigkeit: Einfluss von Flankenmodifikation und Oberflächenrauheit

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1 Großgetriebe-Graufleckigkeit: Einfluss von Flankenmodifikation und Oberflächenrauheit Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum von Dipl.-Ing. Günter Lützig aus Bochum Frankfurt, 2007

2 Herausgeber: Institut für Konstruktionstechnik der Ruhr-Universität Bochum Fakultät für Maschinenbau, Bochum Dissertation: Tag der Einreichung: 03. Mai 2006 Tag der mündlichen Prüfung: 23. Juni 2006 Referent: Korreferent: Prof. Dr.-Ing. W. Predki o. Prof. em. Dr.-Ing. F. Jarchow 2007 Institut für Konstruktionstechnik der Ruhr-Universität Bochum Alle Rechte vorbehalten ISBN

3 Vorwort Diese Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Kraftfahrzeuge (LMGK) der Ruhr- Universität Bochum. Ich bedanke mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. W. Predki, dem Inhaber des Lehrstuhls, für das mir entgegengebrachte Vertrauen und für die wertvolle fachliche Unterstützung. Ich habe die Arbeit am LMGK sehr geschätzt, da ich mich hier, durch den engen Kontakt mit Industrieunternehmen sowie durch Aufgaben in der Lehre, niemals gefangen im wissenschaftlichen Elfenbeinturm gefühlt habe, sondern ein breites, interessantes Themenspektrum vorgefunden habe. Herrn Prof. em. Dr.-Ing. F. Jarchow danke ich für die kritische Durchsicht dieser Arbeit im Rahmen der Übernahme des Korreferats, und auch für sein aufmunterndes Lächeln bei jeder Begegnung auf den Institutsfluren. Der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.v. (FVA) und insbesondere dem Arbeitskreis Stirnräder danke ich für die Förderung des dieser Arbeit zugrunde liegenden Forschungsvorhabens und für die konstruktive Zusammenarbeit. Stellvertretend sei hier Herrn Dr.-Ing. R. Heß (A. Friedr. Flender AG) für seine wertvollen Ratschläge und sein Engagement gedankt. Allen Kollegen am LMGK, wissenschaftlichen wie nichtwissenschaftlichen, danke ich für die gute Zusammenarbeit. Die vielen fachlichen Diskussionen halfen oft bei der Lösung von festgefahrenen Problemen, das gute menschliche Miteinander sorgte für eine angenehme Arbeitsatmosphäre. Insbesondere möchte ich meinen studentischen Hilfskräften danken, die es trotz der Mengen an Öl im und am Großgetriebeprüfstand ermöglicht haben, das Forschungsprogramm durchzuführen und mich bei vielen Teilen dieser Arbeit unterstützt haben. Sehr wichtig ist mir der Dank an meine Familie und meine Freunde, die mich in den letzten Jahren immer in meiner Arbeit bestärkt haben. Mein besonderer Dank gilt meiner Freundin Katrin für ihre Geduld und Unterstützung besonders in der Endphase der Arbeit. Frankfurt, im Januar 2007 Günter Lützig

4 Kurzfassung Graufleckigkeit ist ein Zahnflankenschaden, der maßgeblich von Schmierstoff und Schmierbedingungen beeinflusst wird. Eine Vielzahl kleinster Ausbrüche und Poren lässt die geschädigte Flanke mattgrau erscheinen. Bereits im frühen Stadium wirkt die Graufleckigkeit wie eine Flankenformabweichung und kann die Verzahnungsdynamik und das Geräuschverhalten verändern. Graufleckigkeit kann zu tieferen Anrissen und anschließend zu großflächigen Ausbrüchen führen. Graufleckentragfähigkeitsversuche sind bisher hauptsächlich an Zahnrädern mit kleinem Modul durchgeführt worden. Das Ziel der Forschungsarbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Flankenrauheit und Profilkorrektur auf die Entwicklung von Graufleckenschäden großmoduliger Zahnräder. Es erfolgen zehn Prüfstandsversuche an Radsätzen mit Modul 22mm am Großgetriebeprüfstand (Achsabstand 447,33mm) sowie 20 Vergleichsversuche an der Standard-Zahnradprüfmaschine. Steigende Flankenrauheiten führen bei allen Versuchen zu einer Erhöhung des graufleckigen Anteils der Zahnflanke. Bei den Korrekturen wirken sich steigende Kopfrücknahmen bis zu mittleren Korrekturbeträgen positiv auf die Auskolkungstiefen aus. Danach ist keine weitere Verbesserung zu beobachten. Die Auskolkungstiefe bei den großmoduligen Verzahnungen wächst im Vergleich zu den kleinmoduligen Verzahnungen unterproportional mit dem Modul an. In mehreren Dauertests mit bis zu 50 Millionen Lastwechseln zeigt sich für beide Baugrößen eine annähernd lineare Abhängigkeit der Auskolkungstiefe von der Lastspielzahl. Ergänzend zu den Versuchen finden Werkstoffuntersuchungen und Rechnungen zur Auswirkung verschiedener Korrekturen auf den Krümmungsradius, die Schmierfilmhöhe und die Lastverhältnisse auf der Flanke statt. Diese Berechnungen dienen zur weiteren Interpretation der Versuchsergebnisse. Das aktuelle Rechenverfahren zur Graufleckenberechnung nach Schrade wurde für die durchgeführten Stufentests erweitert und programmiert. Für die Mehrzahl der Versuche ergeben die Rechnungen größere Auskolkungstiefen als die Messungen, in der Tendenz ist das Verfahren aber auch für Zahnräder großer Moduln anzuwenden.

5 Summary Micropitting or grey staining is a fatigue failure on tooth flanks, which is mainly influenced by lubrication conditions. A large amount of microscopic cracks gives the surface a grey appearance. Micropitting acts like a flank form deviation and influences the dynamics and noise of a gear. It can lead to larger cracks and finally to pittings. Present experiments on micropitting have been conducted mainly on gears with a small module. Aim of this examination is to reveal the influence of surface roughness and tooth profile modifications on the development of micropitting of large spur gears. Ten test runs on spur gear pairs with a module of 22mm on a large gear test bench (center distance 447,33mm) and, for comparison with older works, 20 test runs on the standard gear test machine are carried out. Rising surface roughness leads to an increase of the tooth flank area affected by micropitting. Regarding the profile form modification, an increasing tip relief has a positive influence on the depth of the micropitting up to a medium amount of the relief. A further increase does not improve the results any further. The comparison between the two examined modules shows that the depth of the micropitting for the large module is growing only under-proportionally compared to the small module. Several endurance tests with up to 50 million load cycles show for both modules in average a linear dependence between the depth of the micropitting and the number of load cycles. In addition to the experimental work, examination of the material properties on the gears in use were performed. Calculations on the effect of different profile form modifications, on the radius of curvature, the thickness of the lubrication film and the load conditions on the flank were carried out. These calculations help on the further interpretation of the experimental results. The current calculation method for the depth of micropitting damage according to Schrade was extended and programmed in order to handle stage tests with rising loads. Also the majority of test runs the calculation lead to slightly larger results of micropitting depth than the experiments, in tendency the calculation method is valid also for gears with a large module.

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7 Inhalt I Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Ziele der Arbeit und Stand der Technik Bisherige Arbeiten der Forschungsstelle Rechenverfahren nach Schrade (FVA 259/I) 3 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf Prüfstände Verzahnungsgeometrie Versuchsablauf 11 3 Versuchsprogramm Versuchsparameter Auswahl der Flankenrauheiten Schmierfilmdicke Herstellung verschiedener Oberflächenrauheiten Auswahl der Profilkorrekturen Korrekturform Korrekturbetrag Auswirkungen der Korrekturen auf die Flankenpressung Lange lineare Korrektur Kurze lineare Korrektur Lange parabelförmige Korrektur Vergleich der Korrekturformen Flankenform der korrigierten Verzahnungen Einfluss der Korrektur auf den Krümmungsradius Darstellung der Flankenform Bestimmung der Krümmungsradien korrigierter Verzahnungen Auswirkung verschiedener Kopfrücknahmen auf den Krümmungsradius Profilüberdeckung der korrigierten Verzahnungen Weitere Versuchsparameter 49

8 II Inhalt 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Flankenrauheiten Messverfahren und Rauheitskennwerte Messungen an Großgetrieberadsätzen Messung an kleinmoduligen Radsätzen Evolventenprüfung vor dem Versuch Dokumentation der Graufleckenschäden bei Versuchsende Großgetriebe Standardprüfstand (Modul 4,5mm) 79 5 Versuchsergebnisse Großgetriebe Übersicht Einfluss der Flankenrauheit Betrag der Kopfrücknahmen Lage des Auskolkungsmaximums und Art der Kopfrücknahme Einfluss des Flanken-Krümmungsradius Einfluss von Fertigungsabweichungen bei der Kopfrücknahme Schwingungsmessungen Dauertests Standardprüfstand Übersicht über die Ergebnisse Einfluss der Flankenrauheit Einfluss der Profilkorrektur Werkstoffuntersuchungen und Rasterlektronenmikroskopaufnahmen Dauertests Vergleich zwischen Großgetriebe und Standardprüfstand Berechnung der Auskolkung durch Graufleckigkeit Umsetzung des Rechenverfahrens Radsätze Modul 22mm (Großgetriebe) Übersicht Verlauf der Auskolkung über der Eingriffsstrecke 170

9 Inhalt III Sicherheit gegen Graufleckenbildung Radsätze Modul 4,5mm (Standardprüfstand) Vergleich der Rechnung mit dem FVA-Programm RIKOR H Zusammenfassung Literatur 193 Schriftenreihe des Institutes für Konstruktionstechnik 1

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11 Formelzeichen i Formelzeichen Zeichen Einheit Benennung Lateinische Kleinbuchstaben a mm Achsabstand b mm Verzahnungsbreite b H mm Hertzsche Breite c µm Schmitttiefe c a µm Kopfrücknahme c f µm Fußrücknahme d mm Durchmesser d a mm Kopfkreisdurchmesser f fm µm Auskolkungstiefe g α mm Eingriffsstrecke h C mm hydrodynamische Schmierspalthöhe im Wälzpunkt h min mm minimale Schmierspalthöhe i -- Übersetzung l mm Länge m n mm Normalmodul n min -1 Drehzahl p -- Anteil p c N/mm 2 Hertzsche Pressung im Wälzpunkt p e -- Eingriffsteilung p H N/mm 2 Hertzsche Pressung q d -- Geschwindigkeitsverhältnis r b mm Grundkreisradius t p -- Traganteil v m/s Geschwindigkeit vˆ m/s Schwingschnelle am Gehäuse x -- Profilverschiebungsfaktor x, y, z mm Koordinaten

12 ii Inhalt Lateinische Großbuchstaben C -- Konstante; Wälzpunkt der Evolventenverzahnung E N/mm 2 Ersatz-Elastizitätsmodul F n N Zahnnormalkraft N -- Lastwechselzahl R a µm arithmetischer Mittenrauwert R k µm Kernrauhtiefe R mr -- Materialanteil R pk µm reduzierte Spitzenhöhe R q µm 2 quadratischer Mittenrauwert R sk -- Schiefe R vk µm reduzierte Riefentiefe R Z µm gemittelte Rautiefe T λ -- Testbeiwert U d -- Überdeckungsgrad V -- Verhältnis Y mm Flankenpunkt Z µm Profilordinate bei der Rauheitsmessung Griechische Buchstaben α Winkel α n Normaleingriffswinkel β Schrägungswinkel K mm Korrekturbetrag ε α -- Profilüberdeckung η Ns/m² dynamische Viskosität λ µm relative Schmierfilmdicke λ GFP µm kritische relative Schmierfilmdicke µ m -- mittlere Zahnreibungszahl ν mm²/s kinematische Viskosität ρ kg/m³ Dichte ρ ers mm Ersatzkrümmungsradius

13 Formelzeichen iii ρ mm Krümmungsradius ρ C mm Krümmungsradius der Evolvente im Wälzpunkt ξ -- spezifisches Gleiten Allgemeine Indizes 0 Bezugsgröße; lastunabhängige Größe 1 Größe auf der Antriebsseite; nummerierte Größe 2 Größe auf der Abtriebsseite; nummerierte Größe A,B,C,D,E Eingriffpunkte i Index, Laufvariable GF Größen am betrachteten (nachzurechnenden) Praxisgetriebe GFT Größen im Standard-Graufleckentest ST Stufentest, Laststufe Last Wert unter Belastung (Drehmoment) max Maximalwert mess gemessene Größe ges gesamt n Normalschnitt rech berechnete Größe t Stirnschnitt M Mittelwert

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15 1 Einführung 1 1 Einführung 1.1 Ziele der Arbeit und Stand der Technik Graufleckigkeit, auch als Micropittings bezeichnet, ist ein Zahnflankenschaden, der maßgeblich von Schmierstoff und Schmierbedingungen beeinflusst wird. Eine Vielzahl kleinster Ausbrüche und Poren lässt die geschädigte Fläche dem Auge mattgrau erscheinen. Grauflecken treten häufig bereits bei Flankenbeanspruchungen unterhalb der nach DIN 3990 [4] berechneten Grübchendauerfestigkeit auf. Mit dem Auftreten der Graufleckigkeit geht ein Materialabtrag einher, der zu einer Flankenformabweichung führt. Diese Abweichung eignet sich neben der Graufleckenfläche und dem Gewichtsverlust zur Bewertung des Verschleißzustandes. Bereits im frühen Stadium wirkt die Graufleckigkeit wie eine Flankenformabweichung und kann die Verzahnungsdynamik und das Geräuschverhalten verändern [27]. Graufleckigkeit kann zu tieferen Anrissen und anschließend zu großflächigen Ausbrüchen führen. Wann aus Graufleckigkeit Grübchen entstehen, lässt sich zur Zeit noch nicht zuverlässig vorhersagen. Dieser Zusammenhang untersucht ein aktuell laufendes FVA- Forschungsvorhaben [12] anhand von Grundlagenversuchen. Graufleckentragfähigkeitsversuche sind bisher hauptsächlich an Radsätzen mit kleinem Modul durchgeführt worden ([7], [8], [23], [29], [30]). Das Testverfahren beschreibt u.a. Schönnenbeck [29]. Praxiserfahrungen von Getriebeherstellern und Erfahrungen aus früheren Versuchen am Großgetriebe [10] deuten darauf hin, dass diese Testergebnisse auf Großzahnräder nicht unmittelbar zu übertragen sind. Daher besteht Bedarf an der Untersuchung des Schadenskriteriums Graufleckigkeit an großmoduligen Rädern, um das aktuelle Rechenverfahren für die Graufleckentragfähigkeit nach Schrade [30] für große Baugrößen abzusichern. Die bisher vorliegenden Ergebnisse belegen einen Zusammenhang zwischen Graufleckenentwicklung und Profilmodifikationen, auch als Profilkorrekturen bezeichnet. Profilmodifikationen wurden bei den bisherigen Untersuchungen am Großgetriebe noch nicht systematisch in das Versuchsprogramm aufgenommen. Die Flankenrauheit ist nach Tests an kleinmoduligen Verzahnungen für die Entstehung eines Graufle-

16 2 1 Einführung ckenschadens von großer Bedeutung. Aus Sicht der Getriebehersteller besteht dringender Bedarf für die Untersuchung von Kopfrücknahmen auf den Zahnflanken als Parameter für die Profilmodifikation und für Untersuchungen des arithmetischen Mittenrauhwertes als Kennwert für die Flankenrauheit. Daher dienen diese Größen als Hauptvariationsparameter. Neben dem arithmetischen Mittenrauhwert gibt es eine Vielzahl weiterer Parameter, z.b. die Schiefe der Amplitudendichtefunktion, die die Oberflächenflächeneigenschaften teilweise besser charakterisieren [8], [31]. Diese Parameter werden bei der Interpretation der Ergebnisse mit einbezogen. Im Rahmen dieser Arbeit wird zudem der Zusammenhang zwischen dem Modul und der Graufleckentragfähigkeit ermittelt, indem Versuche am Großgetriebeprüfstand mit Graufleckentests an Standardprüfständen, die einen Achsabstand von 91,5mm aufweisen, verglichen werden. Das Forschungsprogramm sieht Versuche vor, bei denen alle Parameter, die nicht vom Modul abhängen, konstant bleiben. Dazu zählen die Flächenpressung im Zahnkontakt und die Lastwechselzahl. Der Betrieb erfolgt mit einem Schmierstoff geringer Graufleckentragfähigkeit. Auch die Umfangsgeschwindigkeit und die Öleinspritztemperatur bleiben konstant. 1.2 Bisherige Arbeiten der Forschungsstelle Im Rahmen eines ersten Forschungsprojektes (Forschungsvorhaben Nummer 286 der Forschungsvereinigung Antriebstechnik [10]) erfolgten am Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Kraftfahrzeuge der Ruhr-Universität Bochum Untersuchungen mit dem Ziel, den Zusammenhang zwischen Graufleckenschäden und der Getriebebaugröße zu ermitteln. Die Versuche fanden an Prüfständen mit 91,5mm und 447,3mm Achsabstand statt. Dabei wurden die Parameter Schmierstoffart und Schmierstofftemperatur untersucht. Zum Einsatz kamen je ein Mineralöl mit geringer und hoher Graufleckentragfähigkeit sowie ein Polyglykol bei Schmierstoff- Einspritztemperaturen von 60 C und 90 C. Die Versuche erfolgten bei Umfangsgeschwindigkeiten von 4,15 m/s und 8,3 m/s.

17 1 Einführung 3 Für alle bisher geprüften Großgetrieberadsätze ist die gleiche Flankenrauheit gefordert worden. Abweichungen liegen im Streubereich der Fertigung. Auch im abgelaufenen Projekt kamen profilkorrigierte Großgetriebeverzahnungen zum Einsatz, um bei den Betriebsbedingungen, die vom Standardtestverfahren nach dem FVA-Arbeitsblatt Graufleckigkeit [9] übernommen werden, die notwendige Fresstragfähigkeit zu gewährleisten. Die Profilkorrektur war bei den Großgetriebeverzahnungen gleich, nur ein Radsatz zeigte wegen eines Fertigungsfehlers einen abweichenden Rücknahmebetrag. Die Radsätze weisen kurze lineare Kopf- und Fußrücknahme am Ritzel auf. Insgesamt erfolgten zehn Versuchsläufe auf dem Großgetriebeprüfstand sowie weitere Versuche am Standardprüfstand. Beim direkten Größenvergleich zeigte sich, dass die Auskolkungstiefen am Großgetriebe um den Faktor 2,4 bis 3,6 größer sind als die Ergebnisse am Standardprüfstand. Dieser Faktor ist geringer als das Verhältnis der Moduln, die sich um den Faktor fünf unterscheiden. Versuchsläufe mit 60 C Öleinspritztemperatur zeigen schlechteres Graufleckenverhalten als Läufe mit 90 C. Dies bestätigt für großmodulige Radsätze die Beobachtung anderer Untersuchungen, dass sich neben dem positiven Einfluss eines dickeren Schmierfilms bei sinkender Temperatur die Graufleckentragfähigkeit des Schmierstoffs stark ändern kann, da Additive erst ab bestimmten Temperaturgrenzen ihre volle Wirkung entfalten. Die Versuchsergebnisse für die unkorrigierten kleinmoduligen Radsätze ließen sich im Mittel relativ gut mit dem Rechenverfahren nach Schrade [30] abbilden. Bei den korrigierten Radsätzen liefert das Berechnungsverfahren im Mittel kleinere Auskolkungstiefen als die Versuche. 1.3 Rechenverfahren nach Schrade (FVA 259/I) Ein erstes Rechenverfahren zur Bestimmung der Graufleckigkeit basiert auf Untersuchungen von Schönnenbeck [29]. Dazu sind Testergebnisse an Prüfverzahnungen statistisch ausgewertet worden. Die Übertragung auf Praxisgetriebe erfolgt unter Berücksichtigung der während eines Eingriffs im Zahnkontakt umgesetzten Energie. Emmert [7] erweitert dieses Verfahren, z.b. erfolgt eine exaktere Anpassung an die Schadenskraftstufe des Schmierstoffs im Standardtest. Profilkorrekturen in den Bereichen der Ritzelflanke, die von Graufleckigkeit am stärksten betroffen sind, berücksichtigen diese Rechenverfahren nicht im notwendigen Umfang. Korrekturen beein-

18 4 1 Einführung flussen das Rechenergebnis nur in geringem Maße über die örtliche Massentemperatur vor dem Zahneingriff. Diese wirkt sich über die Schmierfilmdicke auf die berechnete Auskolkung aus. Einen neu formulierten Ansatz zur Berechnung der Auskolkungstiefen liefert Schrade [30]. Dieser Ansatz berücksichtigt unterschiedliche örtliche Schmierbedingungen und Belastungen auf dem Zahnprofil sowie die Graufleckentragfähigkeit des Schmierstoffs. Somit ist es möglich, auch den Einfluss von Profilkorrekturen und die dadurch auftretende lokale Absenkung der Hertzschen Pressung zu erfassen. Zur Berechnung der Auskolkungstiefe stellt Schrade die Betriebsparameter eines Praxisgetriebes den Versuchsbedingungen eines Graufleckentests gegenüber. Aus den nach Gleichung (1-1) gewichteten Kenngrößen ergibt sich der zu erwartende Wert für die Profil-Formabweichung einer Verzahnung an der Eingriffskoordinate Y, deren Geometrie und Belastung bekannt ist. Der Index GFT bezeichnet dabei den Vergleichswert beim Standardtest nach FVA-Arbeitsblatt 54/7 [9], der Index GF das Praxisgetriebe. f mit Y fm ( Y ) = f fm,gft ζ GF ζ ( Y ) GFT b b H,GF ( Y) p p H,GFT H,GF λgf ( Y ) T λ λgft f ( ), f fm, GFT Auskolkungstiefe fm Y ( Y ) H,GFT ,25 N N GFT 0.25 betrachteter (gefährdeter) Flankenpunkt C (1-1) ζ GF ( Y), ζ GFT spezifisches Gleiten b H, GF ( Y ), b H, GFT halbe Hertzsche Breite p H, GF ( Y ), p H, GFT Hertzsche Pressung λ ( GF Y N, T λ ), λ GFT relative Schmierfilmdicke N GFT Lastwechselzahl Testbeiwert C Faktor, C =1, 0

19 1 Einführung 5 Nach Schönnenbeck und Schrade sind diejenigen Bereiche der Zahnflanke gefährdet in Bezug auf Graufleckigkeit, bei denen eine von der Schadenskraftstufe und Viskosität des Schmierstoffs abhängige kritische relative Schmierfilmhöhe λ GFP unterschritten wird. Den Verlauf dieser Schmierfilmhöhe über der Schadenskraftstufe zeigt Bild 1-1 für ein Mineralöl (ISO VG 220). λ GF( Y ) < λgft T λ = λ GFP (1-2) kritische rel. Schmierfilmdicke λgfp [µm] Schadenskraftstufe ISO VG 220 Bild 1-1: Kritische relative Schmierfilmhöhe in Abhängigkeit der Schadenskraftstufe des Schmierstoffs (für Mineralöl ISO VG 220)

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21 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf 7 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf 2.1 Prüfstände Das Forschungsprojekt nutzt zwei Prüfstände unterschiedlicher Baugröße: Für die kleinmoduligen Radsätze kommt die Standardzahnradprüfmaschine nach DIN T1 [5] zum Einsatz. Bezogen auf den Achsabstand, welcher bei der Standardprüfmaschine 91,5mm beträgt, ist der Großgetriebeprüfstand mit einem Achsabstand von 447,33mm um den Faktor fünf größer. Sowohl die Standardprüfmaschine- wie auch der Großgetriebeprüfstand (Bilder 2-1 und 2-2) sind als Verspannungsprüfstände ausgeführt. In beiden Fällen treibt ein Elektromotor die Radwelle eines einstufigen Stirnradgetriebes an. Dieses wird als Übertragungsgetriebe bezeichnet. Das zweite Getriebe enthält den Prüfradsatz. Kupplungen und Wellen verbinden jeweils Räder und Ritzel beider Getriebe. Die radseitige Welle dient bei den vorhandenen Anlagen zur Drehmomentmessung. Über die auf der schnelllaufenden Seite montierten Verspannvorrichtung wird das Drehmoment eingeleitet. Bei der Standardprüfmaschine erfolgt die Verspannung mittles einer manuellen Verspannzange. Bei geöffneter Kupplung werden die beiden Kupplungshälften gegeneinander verdreht, bis das gewünschte Drehmoment anliegt. Nach Schließen der Kupplung liegt ein konstantes Moment während des Versuchs an. Im Großgetriebe übernimmt ein hydraulischer Drehmotor die Verspannung. Über eine Hydraulikanlage regelt und überwacht die Prüfstandssteuerung das erforderliche Drehmoment. Je eine Ölanlage versorgt die Verzahnungen der Prüfgetriebe per Einspritzschmierung mit Schmierstoff. Dabei laufen bei der Standardprüfmaschine 25l und beim Großgetriebe 600l Schmierstoff um. Das Öl wird vor der Einspritzung gefiltert. Thermoelemente unmittelbar vor den Einspritzdüsen messen die Schmierstofftemperatur und eine Regelung stellt über Tauchheizelemente in den Ölbehältern eine konstante Temperatur sicher. Beim Großgetriebe würden bei hohen Laststufen die Verzahnungsverluste eine Erwärmung des Schmierstoffs über die Solltemperatur hinaus bewirken, deshalb kommt hier eine Wasserkühlung im Ölkreislauf zum Einsatz.

22 8 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf Drehmomentmesswelle Drehmomentmeßwelle Prüfgetriebe Verspannkupplung Elektromotor Übertragungsgetriebe 91, Bild 2-1: Standardprüfmaschine Prüfgetriebe Drehmomentmesswelle Drehmomentmesswelle Elektromotor Verspannvorrichtung Übertragungsgetriebe Stirnradgetriebe Bild 2-2: Großgetriebeprüfstand Leistung und Montageaufwand beim Großgetriebe bedingen Anpassungen des Prüfstandskonzeptes sowie der messtechnischen Ausstattung. So ist zwischen Motor und Übertragungsgetriebe ein zusätzliches einstufiges Stirnradgetriebe zur Anpassung der

23 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf 9 Drehzahl montiert. Die Getriebewellen sind durch Zahnkupplungen verbunden. Das Übertragungsgetriebe verfügt mit einer eigenen, gekühlten Ölanlage ebenfalls über eine Einspritzschmierung. Eine umfangreiche Messtechnik mit Temperatur, Drehmoment, Durchfluss- und Beschleunigungssensoren liefert der Prüfstandssteuerung Daten zur Überwachung der Anlage, so dass bei Defekten eine automatische Abschaltung erfolgt. Weitere Daten zum Großgetriebe sind dem Abschlussbericht zum Vorgängerprojekt zu entnehmen [10]. Einen Eindruck vom Aufbau der Baugruppen und der Größe des Getriebes vermittelt Bild 2-3. Bild 2-3: Schemaansicht mit aufgeschnittenem Prüfgetriebe und Foto des Großgetriebeprüfstands

24 10 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf 2.2 Verzahnungsgeometrie Als Basisvariante für die Verzahnungsgeometrien dient die sogenannte Standard-C- GF-Verzahnung, die auch für die Standardgraufleckentests verwendet wird [9]. Deren geometrische Größen sind in Tafel 2-1 denen der Prüfradsätze für den Großgetriebeprüfstand gegenübergestellt. Tafel 2-1: Verzahnungsgeometrie, Basisdaten Verzahnung Standard-C-GF Großgetriebe Achsabstand a 91,5mm 447,33mm Normalmodul m n 4,5mm 22mm Achsabstand/Normalmodul a m n 20,33 20,33 Zähnezahlverhältnis z z Profilverschiebungsfaktor Ritzel x 1 0,1817 0,1817 Profilverschiebungsfaktor Rad x 2 0,1715 0,1715 Kopfkreisdurchmesser Ritzel d a1 82,46mm 402,69mm Kopfkreisdurchmesser Rad d a2 118,36mm 570,62mm Gemeinsame Zahnbreite b 14mm 100mm Breiten-Durchmesser-Verhältnis b d 0,153 0,223 Normaleingriffswinkel α Schrägungswinkel β 0 0 Der Modul des Großgetriebes ist etwa um den Faktor fünf größer als der Modul der Standardradsätze. Für die Fertigung der Testverzahnungen standen der Forschungsstelle kreiszylinderförmige Vordrehkörper zur Verfügung, die zusammen mit den Prüfrädern des abgeschlossenen Großgetriebeprojektes beschafft worden sind und aus derselben Werkstoffcharge stammen. Dies gewährleistet die direkte Vergleichbarkeit der Resultate der beiden Forschungsprojekte.

25 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf Versuchsablauf Der Ablauf der Versuche folgt dem Standardtest zur Bestimmung der Graufleckentragfähigkeit von Schmierstoffen nach FVA-Arbeitsblatt 54. Dieser Test lässt sich in zwei Abschnitte gliedern. Die Untersuchung beginnt mit dem Stufentest. Der Prüfradsatz wird in 6 Kraftstufen jeweils 16 Stunden lang mit einem konstanten Moment belastet. Nach jeder Stufe erfolgt die Messung der Profilformabweichung und des Massenverlustes sowie eine Planimetrierung der Graufleckenfläche. Die Umfangsgeschwindigkeit des Rades bleibt bei diesen Versuchen mit 8,3 m/s unverändert. Ist das Ausfallkriterium erreicht, endet der Testabschnitt. Dieser Fall tritt ein, sobald die nach Messungen an drei Zähnen gemittelte Profilformabweichung f fm den Betrag 7,5µm übersteigt. Es schließen sich ein Lauf von 80 Stunden mit dem Moment der Stufe 8 und bis zu fünf 80-stündige Belastungen in der 10. Kraftstufe an. Zwischen den Läufen finden die oben beschriebenen Messungen statt. Der Test endet beim Erreichen einer mittleren Profilformabweichung f fm von 20µm oder einer Grübchenfläche von 4% einer aktiven Zahnflankenfläche. Die Tests am Großgetriebe laufen prinzipiell in gleicher Weise ab. Aus der Vorgabe, dass die Umfangsgeschwindigkeiten und die Hertzschen Pressungen am Wälzpunkt bei beiden Anlagen übereinstimmen sollen, ergeben sich unterschiedliche Laufzeiten, Verspannmomente und Antriebsleistungen. Die Lastwechselzahlen zwischen den Laststufen sind beim Großgetriebe und beim Standardprüfstand gleich. Registriert wird die Tiefe der Auskolkung und die Graufleckenfläche. Der Montageaufwand am Großgetriebe lässt es nicht zu, nach jeder Laststufe das Ritzel zur Vermessung auf einer Evolventenprüfmaschine auszubauen, wie es am Standardprüfstand praktiziert wird. Hier kommen Abgüsse der Zahnflanke zum Einsatz. Der Ablauf der Versuche ist im Bild 2-4 schematisch dargestellt. Die reine Laufzeit für einen Stufentest der Standardprüfmaschine beträgt 6 16 = 96 Stunden und für einen Dauertest 6 80 = 480 Stunden. Das Großgetriebe läuft mit 480 Stunden im Stufentest und 2400 Stunden im Dauertest um den Faktor

26 12 2 Prüfstände, Verzahnungsgeometrie und Versuchsablauf fünf länger. Hinzu kommt der Zeitaufwand für Montagearbeiten, Messungen sowie das Vorwärmen des Schmierstoffes. Neben den Kosten für die Fertigung der Prüfverzahnungen begrenzt vor allem die Prüfstandslaufzeit die Anzahl der möglichen Versuche. Um eine möglichst große Anzahl verschiedener Parameterkombinationen auswählen zu können, ist für die meisten Varianten eine Beschränkung der Versuche auf den Stufentest vorgesehen. Hertzsche Pressung / N/mm Stufentest Dauertest (entfällt bei Großgetriebeversuchen) Kraftstufe Stufentest Dauertest Lastwechsel pro Lauf 2, ,04 1, Laufzeit (Modul 4,5 mm) 16 h 80 h Laufzeit (Modul 22 mm) 80 h 400 h Umfangsgeschwindigkeit 8,3 m/s Bild 2-4: Versuchsablauf an der Standardprüfmaschine

27 3 Versuchsprogramm 13 3 Versuchsprogramm 3.1 Versuchsparameter Die Hauptuntersuchungsparameter dieser Arbeit sind die Flankenrauheiten und Profilmodifikationen in Form von Kopfrücknahmen. Verschiedene frühere Forschungsvorhaben und Praxiserfahrungen belegen den Einfluss der Flankenrauheit. Das zurzeit aktuelle Rechenverfahren zur Graufleckentragfähigkeit nutzt die relative Schmierfilmdicke als wichtigste Berechnungsgröße. In diesen Wert geht als Rauheitskennwert der arithmetische Mittenrauhwert R a ein. Aus diesem Grund dient der arithmetische Mittenrauhwert als Variationsparameter für die Oberflächenrauheit. Die Auswahl der Rauheitsvarianten ist im Kapitel detailliert dargestellt. Die Verzahnungen großer Industriegetriebe sind in der Praxis zumeist profilkorrigiert. Diese Profilmodifikationen beeinflussen den Verlauf der Belastung entlang der Eingriffsstrecke. Insbesondere am stark graufleckengefährdeten Eingriffsbeginn sorgen Kopfrücknahmen am Rad für Entlastungen. Somit stellen Profilkorrekturen einen wichtigen Einflussparameter für die Graufleckenbildung dar. Die Auswahl der Korrekturvarianten für das Forschungsprojekt erfolgt so, dass sich bei den Verzahnungen beider Baugrößen ungefähr ein gleicher Verlauf der Flächenpressungen über der Eingriffsstrecke ergibt. Die Korrekturen sind vorwiegend als lange Kopfrücknahmen ausgeführt und jeweils ausgelegt für eine Belastung, die einer Hertzschen Flächenpressung im Wälzpunkt von 650, 950, 1250N/mm 2 entspricht. Auf die Auswahl der Korrekturen geht Kapitel 3.3 ein. An beiden Prüfständen finden Versuche mit Rädern statt, die aus dem für große Industriegetriebeverzahnungen üblichen Werkstoff 17CrNiMo6 gefertigt sind. Das Versuchsprogramm am Großgetriebeprüfstand zeigt Tafel 3-1. Gegenüber zunächst geplanten Versuchsprogramm ergibt sich eine Änderung bei der dritten Rauheitsvariante. Statt R a =1,2µm beträgt die maximale Rauheit nun R a =1,0µm. Der Grund für diese Änderung liegt zum einen in Problemen bei der Radsatzfertigung

28 14 3 Versuchsprogramm (vgl. Kapitel 3.2.2). Zum anderen trägt diese Modifikation der bei Praxisgetrieben zu beobachtenden Tendenz zu feineren Oberflächen Rechnung. Eine weitere Änderung betrifft die vierte Korrekturvariante, die als Stichversuch mit einer Rauheitsvariante vorgesehen ist. Statt einer extremen Korrektur mit einer Kopfrücknahme von 250µm wurde eine Variante mit einer parabelförmigen Kopfrücknahme von 170µm in das Programm aufgenommen. Tafel 3-1: Versuchsprogramm am Großgetriebe Werkstoff Versuch Betrag der Arithmetischer Nr. Kopfrücknahme c a [µm] Mittenrauhwert R a [µm] Ursprüngliche lineare Kopfrücknahme Planung ,5 0,8 1,2 Ausgeführte linear parabel Verzahnungen ~0,53 ~0,75 1,00 17 CrNiMo 6 1 X X 17 CrNiMo 6 2 X X 17 CrNiMo 6 3 X X 17 CrNiMo 6 4 X X 17 CrNiMo 6 5 X X 17 CrNiMo 6 6 X X 17 CrNiMo 6 7 X X 17 CrNiMo 6 8 X X 17 CrNiMo 6 9 X X 17 CrNiMo 6 10 X X Die direkten Vergleichsversuche am Standardprüfstand mit Rädern aus 17CrNiMo6 liefern zwar einen Größeneinfluss, gestatten es jedoch noch nicht, eine Verbindung zu den Standardtests mit unkorrigierten Testrädern der Zahnradfabrik Friedrichshafen AG herzustellen. Aus diesem Grunde kommen am Standardprüfstand zusätzliche Radsätze aus 16MnCr5, dem für die Standardräder verwendeten Werkstoff, zum Einsatz (Versuche Nr. 11 bis 13). Außerdem sollen Vergleichsversuche mit Radsätzen aus 16MnCr5 den Zusammenhang zwischen dem Standardwerkstoff und dem Großgetriebewerkstoff 17CrNiMo6 herstellen (Versuche Nr. 14 bis 19). Auch für diese Räder aus 16MnCr5 sind Profilkorrekturen vorgesehen. Zusätzlich wurde im Verlauf dieser Arbeit ein

29 3 Versuchsprogramm 15 Stichversuch mit einer kurzen Kopfrücknahme aufgenommen (Versuch Nr. 20). Beim Großgetriebe ist die Variante mit parabelförmiger Korrektur (Versuch Nr. 10) der mittleren Rauheitsgruppe zugeordnet. Abweichend davon ist diese Variante beim Standardprüfstand mit niedriger Rauheit ausgeführt worden. Die Ursache hierfür lag in Problemen bei der Radsatzfertigung. Das komplette Versuchsprogramm ist in Tafel 3-2 zusammengestellt. Tafel 3-2: Versuchsprogramm am Standardprüfstand Werkstoff Versuch Nr Betrag der Kopfrücknahme c a [µm] Arithmetischer Mittenrauhwert R a [µm] linear parabel ,3 0,5 0,8 17 CrNiMo 6 1 X X 17 CrNiMo 6 2 X X 17 CrNiMo 6 3 X X 17 CrNiMo 6 4 X X 17 CrNiMo 6 5 X X 17 CrNiMo 6 6 X X 17 CrNiMo 6 7 X X 17 CrNiMo 6 8 X X 17 CrNiMo 6 9 X X 17 CrNiMo 6 10 X X 17 CrNiMo 6 11 X X 17 CrNiMo 6 12 X X 17 CrNiMo 6 13 X X 16 MnCr 5 14 X X 16 MnCr 5 15 X X 16 MnCr 5 16 X X 16 MnCr 5 17 X X 16 MnCr 5 18 X X 16 MnCr 5 19 X X 17 CrNiMo 6 20 X (kurz) X 3.2 Auswahl der Flankenrauheiten Schmierfilmdicke Da die Verhältnisse im Schmierspalt die Graufleckentragfähigkeit stark beeinflussen, wird bei beiden Baugrößen die gleiche relative Schmierfilmdicke λ im Wälzpunkt

30 16 3 Versuchsprogramm angestrebt. λ ergibt sich nach Gleichung (3-1) als Quotient aus der hydrodynamischen Schmierspalthöhe h C und dem arithmetischen Mittenrauhwert R a einer Zahnpaarung. R a ist hier der Mittelwert für die Flankenrauheit der miteinander kämmenden Räder. h C R a λ = (3-1) Die in der Planung des Forschungsprojektes ausgewählten relativen Schmierfilmhöhen im Wälzpunkt und die dafür vorgesehenen Flankenrauheiten der Prüfverzahnungen beider Baugrößen sind in Tafel 3-3 dargestellt. Tafel 3-3: Flankenrauheit und relative Schmierfilmdicke der Prüfverzahnungen (bei einer Flächenpressung von 1500N/mm 2 im Wälzpunkt, Massentemperatur ohne Korrekturen berechnet) Baugröße Relative Schmierfilmdicke λ 0,48 0,27 0,17 m n =4,5mm 0,3µm 0,5µm 0,8µm m n =22mm 0,5µm 0,8µm 1,2µm Herstellung verschiedener Oberflächenrauheiten Während des Herstellens der Prüfverzahnungen zeigte sich, dass beim Großgetriebe gerade die Fertigung von Flankenoberflächen mit hoher Rauheit den Radsatzlieferanten vor Probleme stellt. Schwierig ist insbesondere das Erreichen einer definierten, reproduzierbaren Oberfläche, da je vier Zahnräder die geforderte Rauheit aufweisen müssen, um den zweiten Versuchsparameter, die Flankenkorrektur, an Radsätzen gleicher Rauheit untersuchen zu können. Es waren umfangreiche Probeschliffe und Nacharbeiten an den Radsätzen notwendig, bis eine weitgehend gleichmäßige Rauheit erreicht war. Dieses iterative Verfahren ist sehr zeitaufwendig und aufgrund des Materialabtrags sind nicht beliebig viele Schleifversuche möglich. Deshalb wurde die Priorität darauf gelegt, möglichst gleichartige Mittenrauheiten zu erzielen und in Kauf genommen, dass die Ist- Rauheiten nicht exakt mit den vorausgeplanten Rauheiten übereinstimmen.

31 3 Versuchsprogramm 17 Bei der Fertigbearbeitung kam das Profilschleifen auf einer Pfauter-Schleifmaschine mit Korund-Schleifscheiben zum Einsatz. Die Einstellung der Oberflächenrauheit erfolgte durch Variation der Abrichtparameter, der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs. Es zeigte sich, dass die Modifikation der Schleifscheiben-Abrichtung einen größeren Einfluss auf die Rauheit hatte als die eigentlichen Schleifparameter. Die wichtigsten Parameter beim Abrichten (Profillieren) der Schleifscheibe sind der Überdeckungsgrad und das Geschwindigkeitsverhältnis. Der Überdeckungsgrad U d ist das Verhältnis aus Abrichterbreite und axialem Abrichtervorschub. Ein steigender Überdeckungsgrad bewirkt eine sinkende Rauheit beim Schleifen der Zahnflanken. Übliche Werte liegen bei 2 3 für das Schruppabrichten und 4 6 für das Schlichtabrichten. Das Geschwindigkeitsverhältnis q d ist der Quotient aus den Umfangsgeschwindigkeiten des Abrichters und der Schleifscheibe. Mit steigendem Geschwindigkeitsverhältnis steigt die Rauheit der Zahnflanken. Bewegen sich Schleifscheibe und Abrichter im Gegenlauf (q d <0), kann eine glattere Werkstückoberfläche erzielt werden als beim Gleichlauf. Das Geschwindigkeitsverhältnis liegt üblicherweise zwischen ±0,2 0,8 [26]. Die wichtigsten Fertigungsparameter zeigt Tafel 3-4 beispielhaft für die Großgetrieberadsätze mit der Flankenrauheit von R a =1,0µm. Tafel 3-4: Fertigungsparameter Flankenrauheit von R a =1,0µm (Großgetriebe) Abrichtparameter Überdeckungsgrad U d =2.5 Geschwindigkeitsverhältnis q d = 0.2 Radiale Zustellung 0.05mm Schleifparameter Schnittgeschwindigkeit 30 m/s Vorschub 2mm/min Abrichten nach jeder Zahnlücke Die Fertigung der kleinmoduligen Radsätze erfolgte auf einer Profilschleifmaschine mit diskontinuierlichem Profilschleifverfahren [20]. Auch hier erfolgte die Herstellung der verschiedenen Rauheiten über eine Modifikation der Abrichtparameter sowie der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs. Das Fertigungsverfahren für die Standard-C-Verzahnungen im Standardgraufleckentest, die im Forschungsprojekt als Referenzverzahnungen zum Einsatz kommen, ist ein MAAG-Glattschliff (diskontinuierliches Wälzschleifen, [24]).

32 18 3 Versuchsprogramm 3.3 Auswahl der Profilkorrekturen Korrekturform Profilmodifikationen an Zahnrädern beeinflussen die Lastverteilung im Doppel- oder Mehrfacheingriffsgebiet. Ausgehend von der theoretischen Evolvente bewirkt zusätzliches Abtragen von Material beim Herstellen der Flanke eine Rücknahme [25]. Diese Rücknahme wird im allgemeinen als Flankenkorrektur bezeichnet. Es besteht eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Korrektur von Zahnflanken. Sie reichen von einfachen geometrischen Formen wie Geraden oder Kreisbögen in Profil- und Flankenrichtung bis hin zu dreidimensionalen Korrekturen. Die Korrektur lässt sich sowohl am Rad oder Ritzel oder an beiden Rädern gleichzeitig anbringen. In diesem Forschungsprojekt ist die Korrektur vorwiegend als eine auf die Eingriffsstrecke bezogene lange lineare Kopfrücknahme an Rad und Ritzel ausgeführt worden (Bild 3-1). Auf eine Korrektur in Breitenrichtung wurde aufgrund der besonders steif ausgeführten Lagerungen und Wellen verzichtet. Der Parameter c a bezeichnet den Maximalbetrag der Rücknahme am Kopf. Der Zahnfuß bleibt unkorrigiert, d.h. die Fußrücknahme c f ist bei allen Radsätzen gleich Null. c a c f Profilkorrektur Auslegung auf Flächenpressung zwischen 650 und 1550 N/mm 2 Bild 3-1: Profilkorrektur In dieser Arbeit kommen zwei Korrekturformen zum Einsatz: Lineare Korrektur - vom Startpunkt der Korrektur steigt die Rücknahme bis zum Kopfnutzkreis linear an. Parabelförmige (oder zirkulare) Korrektur vom Korrekturbeginn steigt der Korrekturbetrag parabolisch zum Kopfkreis an.

33 3 Versuchsprogramm 19 Zweiter Unterscheidungspunkt ist die Länge der Korrektur. Hierunter unterscheidet man: Lange Korrektur - der Korrekturbeginn liegt am Übergang von Doppel- zum Einzeleingriffsgebiet, d.h. am Eingriffstreckenpunkt B beim Rad und am Punkt D beim Ritzel. Kurze Korrektur - der Korrekturbeginn liegt auf halber Länge des Doppeleingriffsgebietes, in der Mitte der Strecke A-B bzw. D-E. Den Verlauf der Rücknahme über der Eingriffsstrecke für verschiedene Varianten verdeutlicht Bild 3-2. Bild 3-2: Korrekturen über der Eingriffstrecke Über eine Breitenkorrektur verfügt die Verzahnung nicht. Aufgrund der eng im Gehäuse beieinander liegenden Lagerstellen und der steifen Ausführung der Wellen treten keine signifikanten Schiefstellungen in der Verzahnung auf, die eine Breitenkorrektur erforderlich machen. Zudem liegt auch bei der Standard-C-Verzahnung, an die sich die Versuchsverzahnung weitmöglich anlehnt, keine Breitenkorrektur vor Korrekturbetrag Der Betrag der Profilkorrektur wird mithilfe des Ritzelkorrekturprogramms RIKOR G für vier Nennlasten ausgelegt. Bild 3-3 zeigt den vom Programm vorgeschlagenen Verlauf der Korrektur über der Eingriffsstrecke für die Großgetrieberadsätze, berech-

34 20 3 Versuchsprogramm net für das Kriterium linearer Lastanstieg. Dargestellt sind die Rechnungen für die Belastungen der Laststufen 4, 6, 8 und 10. Die für Laststufe 10 ausgelegte Korrektur war in der Planungsphase noch vorgesehen, fand in der Arbeit später keine Verwendung mehr und wurde gegen eine Variante mit parabelförmiger Korrektur ausgetauscht. Der berechnete Verlauf der Korrekturen ist nahezu linear und entspricht einer langen Korrektur. Die Auslegung für die kleinmoduligen Standardverzahnungen erfolgte analog zur Großgetriebeverzahnung, aufgrund der ähnlichen Verzahnungen sind die Pressungsverläufe nahezu identisch. Tafel 3-5 listet die sich ergebenden Rücknahmebeträge auf. RIKOR-Auslegung für p c = 650 N/mm^2 (Laststufe 4) RIKOR-Auslegung für p c = 950 N/mm^2 (Laststufe 6) Korrekturbetrag [µm] Korrekturbetrag [mm] A B C D E Eingriffsstrecke 0 A B C D E Eingriffsstrecke RIKOR-Auslegung für p c = 1250 N/mm^2 (Laststufe 8) RIKOR-Auslegung für p c = 1550 N/mm^2 (Laststufe 10) Korrekturbetrag [mm] Korrekturbetrag [µm] A B C D E Eingriffsstrecke 0 A B C D E Eingriffsstrecke Bild 3-3: Verlauf der Korrektur, berechnet mit RIKOR G Tafel 3-5: Beträge der Kopfrücknahme Betrag der Kopfrück- Auslegung für Hertz. Pressung p c [N/mm 2 ] nahme c a m=4,5mm 10µm 20µm 35µm 50µm Baugröße m=22mm 50µm 100µm 170µm 250µm

35 3 Versuchsprogramm Auswirkungen der Korrekturen auf die Flankenpressung Die folgenden Abschnitte betrachten den Verlauf der Hertzschen Pressungen über der Zahnflanke für die Fälle lange lineare Korrektur, kurze lineare Korrektur und lange parabelförmige Korrektur Lange lineare Korrektur Bild 3-4 zeigt die Hertzsche Pressung über der Zahnflanke (aufgetragen über dem Ritzeldurchmesser). Dargestellt sind für vier Laststufen die Hertzschen Pressungen für Verzahnungen mit langer, linearer Kopfrücknahme: Oben links: Laststufe 4, Pressung im Wälzpunkt p c =650N/mm 2, c a =50µm Oben rechts: Laststufe 6, Pressung im Wälzpunkt p c =950N/mm 2, c a =100µm Unten links: Laststufe 8, Pressung im Wälzpunkt p c =1250N/mm 2, c a =170µm Unten rechts: Laststufe 10, Pressung im Wälzpunkt p c =1550N/mm 2, c a =250µm Das Bild verdeutlicht die Auslegungsstrategie der Korrektur: Für die Nennlast, d.h. die Last für die die Korrektur ausgelegt ist, ergibt sich ein gleichmäßig ansteigender Pressungsverlauf entlang des Eingriffs. Der Übergang zwischen Doppel- und Einzeleingriff ist fließend. Bild 3-5 fasst den Pressungsverlauf für die verschiedenen Korrekturbeträge in Laststufe 10, der höchsten Belastung während der Versuche, zusammen. Für den Korrekturbetrag 250µm ergibt sich der optimale Pressungsverlauf. Allerdings verläuft die Pressung auch schon für den in den Versuchen maximal getesteten Korrekturbetrag von 170µm nahezu linear. Bei geringeren Korrekturen erfolgt ein Sprung im Übergang zwischen Doppel- und Einzeleingriff, außerdem ist die Belastung am Eingriffsbeginn und -ende höher.

36 22 3 Versuchsprogramm Ausgelegung für p c = 650 N/mm^2 (Laststufe 4) Ausgelegung für p c = 950 N/mm^2 (Laststufe 6) Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 1400 Rücknahme 50 µm Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 1400 Rücknahme 100 µm Ritzeldurchmesser [mm] Ausgelegung für p c = 1250 N/mm^2 (Laststufe 8) Ausgelegung für p c = 1550 N/mm^2 (Laststufe 10) Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 400 Rücknahme 170 µm Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 400 Rücknahme 250 µm Ritzeldurchmesser [mm] Bild 3-4: Verlauf der Hertzschen Pressung bei langer linearer Korrektur, ausgelegt für Hertzsche Pressung im Wälzpunkt p C =650, 950, 1250 und 1550N/mm Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 50 µm Rücknahme 100 µm Rücknahme 170 µm Rücknahme 250 µm Ritzeldurchmesser [mm] Bild 3-5: Verlauf der Hertzschen Pressung bei langer linearer Korrektur in Laststufe 10 (Hertzsche Pressung im Wälzpunkt p C =1550N/mm 2 )

37 3 Versuchsprogramm Kurze lineare Korrektur Analog zum vorigen Abschnitt zeigen Bild 3-6 und 3-7 die Hertzsche Pressung über der Zahnflanke für vier Laststufen bei einer kurzen, linearen Kopfrücknahme. Ausgelegung für p c = 650 N/mm^2 (Laststufe 4) Ausgelegung für p c = 950 N/mm^2 (Laststufe 6) Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 1400 Rücknahme 50 µm Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 1400 Rücknahme 100 µm Ritzeldurchmesser [mm] Ausgelegung für p c = 1250 N/mm^2 (Laststufe 8) Ausgelegung für p c = 1550 N/mm^2 (Laststufe 10) Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 170 µm Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 400 Rücknahme 250 µm Ritzeldurchmesser [mm] Bild 3-6: Verlauf der Hertzschen Pressung bei kurzer linearer Korrektur, ausgelegt für Hertzsche Pressung im Wälzpunkt p C = 650, 950, 1250 und 1550N/mm Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 50 µm Rücknahme 100 µm Rücknahme 170 µm Rücknahme 250 µm Ritzeldurchmesser [mm] Bild 3-7: Verlauf der Hertzschen Pressung bei kurzer linearer Korrektur in Laststufe 10 (Hertzsche Pressung im Wälzpunkt p C =1550N/mm 2 )

38 24 3 Versuchsprogramm Lange parabelförmige Korrektur Die Bilder 3-8 und 3-9 zeigen die Hertzsche Pressung über der Zahnflanke für vier Laststufen bei einer langen parabelförmigen Kopfrücknahme. Ausgelegung für p c = 650 N/mm^2 (Laststufe 4) Ausgelegung für p c = 950 N/mm^2 (Laststufe 6) Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 50 µm Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 1400 Rücknahme 100 µm Ritzeldurchmesser [mm] Ausgelegung für p c = 1250 N/mm^2 (Laststufe 8) Ausgelegung für p c = 1550 N/mm^2 (Laststufe 10) Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 170 µm Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 400 Rücknahme 250 µm Ritzeldurchmesser [mm] Bild 3-8: Verlauf der Hertzschen Pressung bei langer parabelförmiger Korrektur, ausgelegt für Hertzschen Pressung im Wälzpunkt p C =650, 950, 1250 und 1550N/mm ohne Korrektur Rücknahme 50 µm Rücknahme 100 µm Rücknahme 170 µm Rücknahme 250 µm Bild 3-9: Verlauf der Hertzschen Pressung bei langer parabelförmiger Korrektur in Laststufe 10 (Hertzsche Pressung im Wälzpunkt p C =1550N/mm 2 )

39 3 Versuchsprogramm Vergleich der Korrekturformen Der Vergleich der Bilder 3-4 bis 3-9 verdeutlicht, dass sich die Pressungen für die Korrekturformen stark ähneln. Bild 3-10a stellt die Verläufe der Hertzschen Pressung über dem Ritzeldurchmesser in Laststufe 6 für die Korrekturformen lange lineare Korrektur, kurze lineare Korrektur und lange parabelförmige Korrektur sowie einer unkorrigierten Verzahnung gegenüber. Dargestellt ist die Rechnung für eine Korrektur mit einem Rücknahmebetrag von 100µm. Dieser Korrekturbetrag ist der von RIKOR vorgeschlagene Wert in Laststufe 6. Die Verläufe der drei Korrekturformen sind fast identisch, nur am Eingriffsbeginn ergibt sich ein Unterschied. Bei der kurzen Korrektur liegt die Pressung am Eingriffsbeginn bei Null, während bei den langen Korrekturen eine Pressung von ca. 200N/mm 2 auftritt. Ein analoges Verhalten ergibt sich für andere Korrekturbeträge und Belastungen. Bild 3-10b zeigt den Verlauf bei einem sehr hohen Korrekturbetrag von 250µ m in Laststufe 6. Bild 3-10c basiert wieder auf einem Betrag der Korrektur von 100µm, aber einer Belastung mit Laststufe 10, also einer höheren Belastung als bei der Auslegung der Korrektur angesetzt. Auch hier zeigen lange, kurze und parabelförmige Korrekturformen einen ähnlichen Verlauf. Dies gilt ebenfalls gemäß Bild 3-10d: Dargestellt ist der Pressungsverlauf bei einer Belastung mit Laststufe 10 und einem Korrekturbetrag von 250µm. Die Ursache für diesen ähnlichen Verlauf liegt darin begründet, dass bei der langen Korrektur an beiden Zahneingriffen des Doppeleingriffsgebietes eine Rücknahme anliegt, wie Bild 3-11 verdeutlicht. Die Evolventen der Rad- und Ritzelflanken sind als durchgezogene Linien dargestellt, die Kopfrücknahmen als gestrichelte Linien. Im Zahneingriff 1 (im Bereich des Eingriffsbeginns) ist die Korrektur am Kopf des Rades wirksam, im Zahneingriff 2 (im Bereich des Eingriffsendes) die Korrektur am Ritzelkopf. Die resultierende Gesamtkorrektur ergibt sich aus dem Betrag der Differenz zwischen den einzelnen Korrekturen an beiden Zahneingriffen. Diese Rücknahmen heben sich gemäß Bild 3-12 teilweise wieder auf, so dass die resultierenden Korrekturen für alle drei Korrekturformen fast identisch sind.

40 26 3 Versuchsprogramm Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 100 µm lang Rücknahme 100 µm kurz Rücknahme 100 µm parabelf. Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 250 µm lang Rücknahme 250 µm kurz Rücknahme250 µm parabelf Ritzeldurchmesser [mm] Ritzeldurchmesser [mm] a) Laststufe 6 (Hertz. Pressung im Wälzpunkt p C =950N/mm2), Korrekturbetrag 100µm b) Laststufe 6 (Hertz. Pressung im Wälzpunkt p C =950N/mm 2 ), Korrekturbetrag 250µm Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur Rücknahme 100 µm lang Rücknahme 100 µm kurz Rücknahme 100 µm parabelf Ritzeldurchmesser [mm] Hertzsche Pressung [N/mm^2] ohne Korrektur 600 Rücknahme 250 µm kurz 400 Rücknahme 250 µm lang 200 Rücknahme 250 µm parabelf Ritzeldurchmesser [mm] c) Laststufe 10 (Hertz.Pressung im Wälzpunkt p C =1550N/mm2), Korrekturbetrag 100µm d) Laststufe 10 (Hertz. Pressung im Wälzpunkt p C =1550N/mm 2 ), Korrekturbetrag 250µm Bild 3-10: Verlauf der Hertzschen Pressung für die Korrekturformen unkorrigiert, lang linear, kurz linear und lang parabelförmig Bild 3-11: Zahneingriffe im Doppeleingriffsgebiet

41 3 Versuchsprogramm 27 Bild 3-12: Resultierende Korrektur im Doppeleingriffsgebiet Als Fazit lässt sich festhalten, dass bei den hier betrachteten Korrekturausführungen die Form der Korrektur keinen wesentlichen Einfluss auf den Verlauf der Hertzschen Pressung über der Eingriffsstrecke hat. Weitere Effekte, die sich aus der Geometrie im Übergang zwischen Evolvente und Korrektur ergeben, werden im folgenden Kapitel diskutiert Flankenform der korrigierten Verzahnungen Einfluss der Korrektur auf den Krümmungsradius Darstellung der Flankenform Die Grundlage der Erzeugung einer Evolvente ist das Abwälzen einer Geraden auf dem Grundkreis. Anschaulich ist dies durch das Abwickeln eines Fadens auf einem

42 28 3 Versuchsprogramm Kreis zu beschreiben. Das Bild 3-13 zeigt schematisch eine so erzeugte Evolvente. Dargestellt sind zwei Flankenpunkte Y 1 und Y 2 und der unterschiedlich weit abgewickelte Faden, eine Strecke mit der Länge ρ 1 bzw. ρ 2. Diese Strecken tangieren den Grundkreis und stehen senkrecht auf der Evolvente. Die Länge ist gleich dem Kümmungsradius der Evolvente im jeweiligen Flankenpunkt. y ρ 2 Y 1 1 ρ Evolvente r b r b Bild 3-13: Entstehung einer Evolvente Das Bild 3-14 zeigt schematisch die Konstruktion einer Flanke mit einer linearen Kopfrücknahme. Bei einer korrigierten Verzahnung wird die Flanke um den Korrekturbetrag in Normalenrichtung zur Evolvente zurückgenommen. Anschaulich betrachtet verkürzt sich in jedem Flankenpunkt Y die Länge des abgewickelten Fadens ρ um den Korrekturbetrag K auf die Länge l. l Y =ρ Y - K Y (3-2)

43 3 Versuchsprogramm 29 y korrigierter Bereich l 2 Y 1 ρ 1 Unkorrigierte Evolvente r b r b Bild 3-14: Evolventische Flanke mit Kopfrücknahme Für die verwendeten Testverzahnungen lässt sich die exakte Form der Zahnflanke unter Berücksichtigung der Verzahnungsgeometrie und der aufgebrachten Korrekturen berechnen. Das Bild 3-15a zeigt einen Ritzelzahn der Großgetriebeverzahnung, Bild 3-15b einen Zahn am Rad. Dargestellt ist der genutzte Bereich der Evolvente oberhalb des Fußnutzkreises für einen Radsatz mit einer Kopfrücknahme von 170µm. Das Bild verdeutlicht die Lage des Korrekturbeginns auf der Flanke. Weiterhin ist ersichtlich, dass die Korrektur im Verhältnis zur Größe des Zahns sehr klein ausfällt in diesem Maßstab ist kaum eine Abweichung von der unkorrigierten Evolvente zu erkennen.

44 30 3 Versuchsprogramm Ritzelflanke Normalmodul 22mm 200 Kopfkreis 195 Beginn der Kopfrücknahme Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Teilkreis Fußnutzkreis Breite [mm] Bild 3-15a: Ritzelzahn der Großgetriebe-Verzahnung (Kopfrücknahme c a =170µm) Radflanke Normalmodul 22mm 282 Kopfkreis 277 korrigierte Evolvente Beginn der Kopfrücknahme Radius [mm] unkorrigierte Evolvente Teilkreis Fußnutzkreis Breite [mm] Bild 3-15b: Radzahn der Großgetriebe-Verzahnung (Kopfrücknahme c a =170µm) Die Änderung der Flankenform durch die Korrektur ist erst in einer vergrößerten Darstellung des Korrekturbereichs ersichtlich. Die folgenden Bilder zeigen die Flankenform oberhalb des Korrekturbeginns, und zwar für die am Großgetriebe eingesetzten Korrekturvarianten: Drei lange lineare Kopfrücknahmen von 50, 100 und 170µm sowie eine lange parabelförmige Kopfrücknahme von 170µm. Insbesondere beim

45 3 Versuchsprogramm 31 Vergleich der Bilder 3-16c und d wird die ausgeprägte Unstetigkeitsstelle ( Knick ), die am Korrekturbeginn bei einer linearen Korrektur auftritt, deutlich. Bei der parabelförmigen Kopfrücknahme ist dieser Knick praktisch nicht mehr zu erkennen. 202 Ritzelflanke Normalmodul 22mm Radflanke Normalmodul 22mm 286 Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 192 Beginn der Kopfrücknahme 276 Beginn der Kopfrücknahme Breite [mm] Breite [mm] Bild 3-16a: Ritzel- und Radflanke mit Kopfrücknahme c a =50µm, Großgetriebe 202 Ritzelflanke Normalmodul 22mm Radflanke Normalmodul 22mm 286 Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 192 Beginn der Kopfrücknahme 276 Beginn der Kopfrücknahme Breite [mm] Breite [mm] Bild 3-16b: Ritzel- und Radflanke mit Kopfrücknahme c a =100µm, Großgetriebe

46 32 3 Versuchsprogramm 202 Ritzelflanke Normalmodul 22mm Radflanke Normalmodul 22mm 286 Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 192 Beginn der Kopfrücknahme 276 Beginn der Kopfrücknahme Breite [mm] Breite [mm] Bild 3-16c: Ritzel- und Radflanke mit Kopfrücknahme c a =170µm, Großgetriebe 202 Ritzelflanke Normalmodul 22mm Radflanke Normalmodul 22mm 286 Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 192 Beginn der Kopfrücknahme 276 Beginn der Kopfrücknahme Breite [mm] Breite [mm] Bild 3-16d: Ritzel- und Radflanke mit parabelförmiger Kopfrücknahme c a =170µm, Großgetriebe Analog zu den Betrachtungen am Großgetriebe zeigen die folgenden Bilder die Flankenform der kleinmoduligen Versuchsradsätze. Zunächst ist im Bild 3-17 ein Ritzel-

47 3 Versuchsprogramm 33 und Radzahn mit dem genutzten Flankenbereich dargestellt. Ein Vergleich mit Bild 3-15 belegt die geometrische Ähnlichkeit zwischen Großgetriebe- und Standardverzahnung, die sich im wesentlichen nur durch das Modulverhältnis von 5 unterscheiden (Modul 22 zu Modul 4,5). Dies gilt auch für die Form der korrigierten Zahnflanken. Bild 3-18 zeigt den Bereich der Korrektur für die verwendeten Korrekturvarianten lange lineare Kopfrücknahme von 10, 20 und 35µm sowie lange parabelförmige und kurze lineare Kopfrücknahme von 35µm. Ritzelflanke Normalmodul 4,5mm Kopfkreis 40 Beginn der Kopfrücknahme Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Teilkreis 35 Fußnutzkreis Breite [mm] Bild 3-17a: Ritzelzahn der Standard-Verzahnung (mit Kopfrücknahme von c a =35µm) Radflanke Normalmodul 4,5mm Kopfkreis 59 Beginn der Kopfrücknahme Radius [mm] korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Teilkreis Fußnutzkreis Breite [mm] Bild 3-17b: Radzahn der Standard-Verzahnung (mit Kopfrücknahme von c a =35µm)

48 34 3 Versuchsprogramm Ritzelflanke Normalmodul 4,5mm 41,5 Radflanke Normalmodul 4,5mm 59,2 Radius [mm] 41,0 40,5 40,0 39,5 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] 58,8 58,4 58,0 57,6 57,2 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 39,0 56,8 38,5 38,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Breite [mm] 56,4 56,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 Breite [mm] Bild 3-18a: Ritzel- und Radflanke mit Kopfrücknahme c a =10µm, Standard- Verzahnung Ritzelflanke Normalmodul 4,5mm 41,5 Radflanke Normalmodul 4,5mm 59,2 Radius [mm] 41,0 40,5 40,0 39,5 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] 58,8 58,4 58,0 57,6 57,2 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 39,0 56,8 38,5 38,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Breite [mm] 56,4 56,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 Breite [mm] Bild 3-18b: Ritzel- und Radflanke mit Kopfrücknahme c a =20µm, Standard- Verzahnung

49 3 Versuchsprogramm 35 Ritzelflanke Normalmodul 4,5mm 41,5 Radflanke Normalmodul 4,5mm 59,2 Radius [mm] 41,0 40,5 40,0 39,5 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] 58,8 58,4 58,0 57,6 57,2 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 39,0 56,8 38,5 38,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Breite [mm] 56,4 56,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 Breite [mm] Bild 3-18c: Ritzel- und Radflanke mit Kopfrücknahme c a =35µm, Standard- Verzahnung Ritzelflanke Normalmodul 4,5mm 41,5 Radflanke Normalmodul 4,5mm 59,2 Radius [mm] 41,0 40,5 40,0 39,5 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Radius [mm] 58,8 58,4 58,0 57,6 57,2 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente 39,0 38,5 38,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 56,8 56,4 56,0 Beginn der Kopfrücknahme 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 Breite [mm] Breite [mm] Bild 3-18d: Ritzel- und Radflanke mit parabelförmiger Kopfrücknahme c a =35µm, Standard-Verzahnung

50 36 3 Versuchsprogramm Ritzelflanke Normalmodul 4,5mm 41,5 Radflanke Normalmodul 4,5mm 59,2 Radius [mm] 41,0 40,5 40,0 39,5 39,0 korrigierte Evolvente Beginn der Kopfrücknahme unkorrigierte Evolvente Radius [mm] 58,8 58,4 58,0 57,6 57,2 56,8 korrigierte Evolvente unkorrigierte Evolvente Beginn der Kopfrücknahme 38,5 56,4 38,0 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Breite [mm] 56,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 Breite [mm] Bild 3-18e: Ritzel- und Radflanke mit kurzer linearer Kopfrücknahme c a =35µm, Standard-Verzahnung Im optischen Vergleich der Flankenformen sind keine prinzipiellen Unterschiede zwischen Großgetriebe- und Standardverzahnung zu erkennen. Um dies auch objektiv und analytisch zu bewerten, wird im folgenden Kapitel auf den Krümmungsradius der Flanke als Kriterium zur Beschreibung der Flankenform eingegangen Bestimmung der Krümmungsradien korrigierter Verzahnungen Eine wichtige Größe zur Charakterisierung einer Zahnflanke ist der Verlauf ihrer lokalen Krümmung. Diese wird durch den Krümmungsradius ρ Y in einem Flankenpunkt Y beschrieben. Die Krümmungen an Rad und Ritzel sind unterschiedlich. Für unkorrigierte Evolventen ist der Krümmungsradius sehr einfach zu ermitteln: ρ ² ² Y1 = ry1 rb 1 ; ρ Y 2 = ry2 ² rb 2 ² (3-3) mit: ρ Y1,2 r Y1,2 r b1,2 Krümmungsradien in einem Flankenpunkt Y Radien des betrachteten Flankenpunktes Y Grundkreisradien

51 3 Versuchsprogramm 37 Im Punkt Y können die Zahnflanken also durch Kreise mit den Radien ρ Y1 und ρ Y2 ersetzt werden. Die Mittelpunkte dieser Kreise liegen in den Berührpunkten der Eingriffsgeraden mit den Grundkreisen. Somit kann der Zahnkontakt als eine Berührung zweier Walzen aufgefasst werden. Im nächsten Schritt lassen sich die beiden Krümmungsradien zu einem gemeinsamen Ersatzkrümmungsradius zusammenfassen. Nun kann die Berührung einer Walze und einer Ebene als Modell für den Zahnkontakt dienen. Diese Betrachtung macht sich die Berechnung der Hertzschen Pressungen zunutze, und hier liegt auch die Bedeutung der Krümmungsradien für die Tragfähigkeitsrechnung ρ ρ ρ + = Ersatz (3-4) Zur Berechnung der Krümmungsradien einer beliebig modifizierten Flanke gibt es keine einfache analytische Lösung. Abhilfe bietet ein numerisches Verfahren. Ein Kreis in einer Ebene lässt sich durch drei Punkte auf seinem Umfang beschreiben. Mithilfe der allgemeinen Kreisgleichung x 2 +y 2 =r 2 und den drei Punktkoordinaten ergibt sich das Gleichungssystem (3-5), aus dem man den Radius und die Koordinaten des Kreismittelpunktes berechnen kann. y x r x m y m Punkte auf dem Kreisumfang r r P 1 P 2 P 3 Bild 3-19: Kreisbogen, definiert durch drei Punkte = + ) ² ² ( ) ² ² ( ) ² ² ( 2 2 ² ² ² ) ( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( y x y x y x y x r y x y x y x y x m m m m (3-5)

52 38 3 Versuchsprogramm Evolvente Ersatzkreis mit Krümmungsradius In jedem Flankenpunkt Y kann mit diesem Verfahren unter Zuhilfenahme zweier benachbarter Flankenpunkte der Krümmungsradius bestimmt werden. Der Abstand der drei Punkte ist so gewählt, dass er ungefähr der Hertzschen Breite bei Nennlast entspricht. Dieser Abstand ermöglicht eine Berechnung der Krümmungsradien, die numerisch stabil ist und gleichzeitig die Flankenform gut wiedergibt. Zudem trägt die Wahl des Abstands der späteren Verwendung der Krümmungsradien bei der Berechnung der Hertzschen Pressung Rechnung. Bild 3-20 zeigt das Verfahren an einem Beispiel. In der Bildmitte ist der betrachtete Flankenpunkt sowie die beiden benachbarten Flankenpunkte zu sehen. Diese drei Punkte liegen auf dem Umfang des Ersatzkreises, der die Zahnflanke (hier eine unkorrigierte Evolvente) lokal sehr gut annähert. Krümmungsradius Stützpunktabstand Breite [mm] Bild 3-20: Rückführung der Evolvente auf einen Ersatzkreis gleicher Krümmung Die numerische Berechnung des Krümmungsradius einer unkorrigierten Evolvente ist müßig, da dieser auch mit Gleichung (3-3) sehr einfach exakt zu berechnen ist. Allerdings ist es durch den Vergleich der beiden Ergebnisse möglich, die Genauigkeit des Näherungsverfahrens zu prüfen; die Abweichungen liegen bei weniger als einem Promille.

53 3 Versuchsprogramm 39 Das folgende Bild zeigt die Großgetriebe-Radflanke im Bereich des Beginns einer Kopfrücknahme von 170µm. Im Bild 3-21a ist die Flanke sowie der Ersatzkreis mit dem numerisch berechneten Krümmungsradius von 25mm dargestellt. In der extremen Vergrößerung rechts ist zu erkennen, dass der Ersatzkreis im Bereich der drei Stützpunkte die Flanke sehr gut wiedergibt. Im Bild 3-21b ist dieselbe Flanke dargestellt. Dazu ist ein Ersatzkreis mit dem Krümmungsradius der unkorrigierten Evolvente von 120mm eingezeichnet, der die Flanke im betrachteten Punkt, dem Beginn der Korrektur, berührt. Links oben ist in der Vergrößerung deutlich zu erkennen, dass dieser Kreis im Bereich des Stützpunktabstandes eine geringere Krümmung aufweist als die Zahnflanke. Dieses Beispiel belegt, dass das hier vorgestellte numerische Verfahren zur Bestimmung des Krümmungsradius bei modifizierten Flanken deutlich genauer ist als die einfache Verwendung des Krümmungsradius der unkorrigierten Evolvente. Radflanke Normalmodul 22mm korrigierte Evolvente Radius [mm] Ersatzkreisradius Korrekturbeginn Ersatzkreisradius Stützpunktabstand Ersatzkreis Breite [mm] Ersatzkreis Breite [mm] Bild 3-21a: Evolvente mit Kopfrücknahme und numerisch ermittelter Ersatzkreis

54 40 3 Versuchsprogramm Radflanke Normalmodul 22mm korrigierte Evolvente Ersatzkreis Radius [mm] Ersatzkreisradius Korrekturbeginn Ersatzkreisradius Stützpunktabstand Ersatzkreis Breite [mm] Breite [mm] Bild 3-21b: Evolvente mit Kopfrücknahme und Ersatzkreis (mit Krümmungsradius der unkorrigierten Evolvente) Auswirkung verschiedener Kopfrücknahmen auf den Krümmungsradius Mit dem im vorherigen Kapitel vorgestellte Verfahren wurden die Verläufe der Krümmungsradien und des Ersatzkrümmungsradius über der Eingriffsstrecke für die im Versuch verwendeten Radsätze berechnet. Bei der linearen Kopfrücknahme tritt ein starker Abfall des Krümmungsradius im Bereich des Korrekturbeginns auf. Im Bereich der Korrektur liegt der Krümmungsradius etwas höher als der der unkorrigierten Evolvente. Dieser Effekt verstärkt sich bei zunehmendem Korrekturbetrag (Bilder 3-22a-c). Ein anderes Verhalten zeigt sich bei der parabelförmigen Kopfrücknahme. Hier ist ebenfalls im Bereich des Korrekturbeginns ein Absinken des Krümmungsradius zu beobachten, das jedoch deutlich geringer als bei der linearen Korrektur ausfällt. Diese Differenz zur unkorrigierten Evolvente liegt jedoch im gesamten korrigierten Gebiet vor (Bild 3-22d).

55 3 Versuchsprogramm korrigierte Radflanke Krümmungsradien am Großgetriebe, lange lineare Kopfrücknahme von 50µm korrigierte Ritzelflanke Krümmungsradius [mm] jew. unkorrigierte Flanken Eingriffsstrecke [mm] Ersatzkrümmungsradius korrigierte Flanken Bild 3-22a: Krümmungsradien am Großgetriebe über der Eingriffsstrecke (lange lineare Kopfrücknahme von 50µm) korrigierte Radflanke Krümmungsradien am Großgetriebe, lange lineare Kopfrücknahme von 100µm korrigierte Ritzelflanke Krümmungsradius [mm] jew. unkorrigierte Flanken Eingriffsstrecke [mm] Ersatzkrümmungsradius korrigierte Flanken Bild 3-22b: Krümmungsradien am Großgetriebe über der Eingriffsstrecke (lange lineare Kopfrücknahme von 100µm)

56 42 3 Versuchsprogramm korrigierte Radflanke Krümmungsradien am Großgetriebe, lange lineare Kopfrücknahme von 170µm korrigierte Ritzelflanke Krümmungsradius [mm] jew. unkorrigierte Flanken Eingriffsstrecke [mm] Ersatzkrümmungsradius korrigierte Flanken Bild 3-22c: Krümmungsradien am Großgetriebe über der Eingriffsstrecke (lange lineare Kopfrücknahme von 170µm) 160 Krümmungsradien am Großgetriebe, lange parabelförmige Kopfrücknahme von 170µm 140 korrigierte Ritzelflanke Krümmungsradius [mm] korrigierte Radflanke jew. unkorrigierte Flanken Eingriffsstrecke [mm] Ersatzkrümmungsradius korrigierte Flanken Bild 3-22d: Krümmungsradien am Großgetriebe über der Eingriffsstrecke (lange parabelförmige Kopfrücknahme von 170µm)

57 3 Versuchsprogramm 43 Diese ermittelten Ergebnisse decken sich mit der Anschauung: Am Korrekturbeginn tritt eine Übergangsstelle auf, an der sich die Krümmung verkleinert. Bei der linearen Kopfrücknahme bildet dieser Übergang im Extremfall einen Knick, während die parabelförmige Rücknahme sanft in die Evolvente einläuft. Außerhalb des Übergangs überlagert sich bei der parabelförmig korrigierten Flanke die konvexe Krümmung der Evolvente mit der ebenfalls konvexen Krümmung der Rücknahme-Parabel. Dies führt zu einer stärker eingerollten, deshalb stärker gekrümmten Flanke; der Krümmungsradius verringert sich. Die lineare Korrektur hat als Gerade einen unendlich großen Krümmungsradius. Die Überlagerung der Evolventenkrümmung mit dieser Gerade führt dazu, dass sich der Krümmungsradius der Flanke erhöht. Analog lässt sich der Krümmung der Standardverzahnung berechnen. Der Krümmungsradius zeigt bei den verschiedenen Korrekturen einen ähnlichen Verlauf wie beim Großgetriebe. Beispielhaft ist in Bild 3-23 der Verlauf für den größten Korrekturbetrag dargestellt, diese Korrektur entspricht der Korrektur von 170µ m am Großgetriebe (Bild3-22c). 35 Krümmungsradien am Standardprüfstand, lange lineare Kopfrücknahme von 35µm Krümmungsradius [mm] korrigierte Radflanke jew. unkorrigierte Flanken korrigierte Ritzelflanke 5 Ersatzkrümmungsradius korrigierte Flanken Eingriffsstrecke [mm] Bild 3-23: Krümmungsradien am Standardprüfstand über der Eingriffsstrecke (lange lineare Kopfrücknahme von 35µm)

58 44 3 Versuchsprogramm Die vorhergehenden Betrachtungen zeigen, dass sich der Ersatzkrümmungsradius im Bereich der Kopfrücknahme nur minimal von dem der unkorrigierten Verzahnung unterscheidet. Hier ist also keine Auswirkung auf die Flankenbelastung zu erwarten. Lediglich bei der parabelförmigen Korrektur gibt es für den maximalen Rücknahmebetrag eine Absenkung des Krümmungsradius um ca. 8%. Deutlicher wird der Einfluss im Bereich des Korrekturbeginns. Bild 3-24 zeigt die Ersatzkrümmungsradien im Punkt B für Großgetriebe und Standardverzahnung. Der Krümmungsradius am Ritzel bleibt konstant, hier ist bei den verwendeten Kopfrücknahmen im Punkt B keine Korrektur vorhanden. Beim Rad befindet sich in dieser Eingriffsposition der Korrekturbeginn. Hier nimmt der Krümmungsradius nahezu linear über dem Kopfrücknahmebetrag ab. Der Ersatzkrümmungsradius beträgt bei der maximalen Kopfrücknahme nur noch ca. 50% des Krümmungsradius der unkorrigierten Evolvente. Bei der Großgetriebe-Verzahnung ist dieser Rückgang etwas stärker ausgeprägt als beim Standardprüfstand. Diese leichten Unterschiede ergeben sich dadurch, dass das Großgetriebe aus technischen Gründen ein etwas höheres Kopfspiel aufweist, die Korrekturlänge ist dadurch etwas kürzer. Krümmungsradien im im Punkt B der Eingriffsstrecke, Eingriffsgeraden Modul 22mm Ritzelkrümmungsradien Radkrümmungsradien Ersatzkrümmungsradien Krümmungsradius [mm] ca=0µm ca=50µm ca=100µm ca=170µm ca=170µm par Bild 3-24a: Krümmungsradien der Verzahnung mit m n =22mm im Punkt B

59 3 Versuchsprogramm 45 Krümmungsradius [mm] Krümmungsradien Krümmungsradien im im Punkt Punkt B B der der Eingriffsgeraden Eingriffsstrecke, Modul Modul 22mm 4,5mm Ritzelkrümmungsradien Radkrümmungsradien Ersatzkrümmungsradien 0 ca=0µm ca=10µm ca=20µm ca=35µm ca=35µm par Bild 3-24b: Krümmungsradien der Verzahnung mit m n =4,5mm im Punkt B Die oben gemachten Betrachtungen gelten für die abweichungsfreien Soll-Kopfrücknahmen. In Realität ist der Knick am Beginn der Kopfrücknahme auch bei der linearen Kopfrücknahme nicht so scharf wie es sich im Verlauf der Soll-Korrektur über der Eingriffstrecke in Bild 3-25 darstellt. Dort ist neben dem Sollverlauf auch der reale Ist-Verlauf der Korrektur dargestellt, der an einem Versuchsrad mit der Kopfrücknahme 170µm gemessen wurde. Es ist eine leichte Verrundung im Übergang zwischen Evolvente und Korrektur zu erkennen. Zusätzlich ist die parabelförmige Korrektur eingezeichnet. Der Verlauf der Krümmungsradien für diesen realen Fall ist im Bild 3-26 dargestellt. Im Vergleich zu Bild 3-22c ist zu erkennen, dass das Absinken des Krümmungsradius am Korrekturbeginn bei der gemessenen Korrekturform deutlich geringer ausfällt als bei der Betrachtung der abweichungsfreien Soll- Korrektur. Das vorliegende Kapitel hat detailliert die Auswirkungen der Korrekturen auf die Flankenkrümmung untersucht. Zusammenfassend lässt sich festhalten dass die Korrekturen im Fußbereich, an dem bei den vorliegenden Geometrien normalerweise die maximalen Auskolkungen zu beobachten sind, weder am Großgetriebe noch am Standardprüfstand einen nennenswerten Einfluss auf die Krümmung aufweisen. Die beobachteten Effekte beim maximalen Korrekturbetrag gehen in die Auswertung der Ergebnisse ein.

60 46 3 Versuchsprogramm Korrekturbetrag [µm] Korrekturbetrag [µm] parabelförmig linear Ist Ist linear Soll Eingriffstrecke [mm] Eingriffstrecke [mm] Bild 3-25: Verlauf der Korrektur über der Eingriffsstrecke (rechts: Vergrößerte Darstellung des Korrekturbeginns) Krümmungsradien am Großgetriebe, lange lineare Kopfrücknahme von 170µm (Ist-Verlauf) korrigierte Radflanke korrigierte Ritzelflanke Krümmungsradius [mm] jew. unkorrigierte Flanken Eingriffsstrecke [mm] Ersatzkrümmungsradius korrigierte Flanken Bild 3-26: Krümmungsradien am Großgetriebe über der Eingriffsstrecke (lange lineare Kopfrücknahme von 170µ m, gemessener Ist-Verlauf der Kopfrücknahme am Korrekturbeginn)

61 3 Versuchsprogramm Profilüberdeckung der korrigierten Verzahnungen Das Versuchsprogramm fordert Profilkorrekturen von bis zu 170µ m. Diese Rücknahme verändert die Form der Flanke, es liegt keine ideale Evolvente mehr vor. Somit ändern sich die Eingriffsverhältnisse. Damit eine Verzahnung ruckfrei lauffähig ist, muss immer mindestens ein Zahnpaar im Eingriff sein. Dies führt bei einer Geradverzahnung zu der Bedingung, dass die Länge der Eingriffstrecke g α größer sein muss als die Länge der Eingriffsteilung p et. Damit ist die Profilüberdeckung ε α größer eins. g α > p et (3-6) g α p et bzw. ε = > 1 (3-7) α Der maximal vorgesehene Korrekturbetrag am Großgetriebe ist für die Verformung der Zähne unter einem Drehmoment am Ritzel von 28650Nm ausgelegt. Dies entspricht der Laststufe 8. Der Korrekturbetrag kompensiert die Verformung der Zähne unter dieser Last. Der Graufleckenstufentest beginnt in Laststufe 5 mit einem wesentlich kleineren Drehmoment von 11700Nm. Hier ist die Verformung geringer als die aufgebrachte Korrektur, die entstehende Lücke führt zu einem späteren Zahneingriff. Somit verkürzt sich die Eingriffsstrecke, und die Überdeckung sinkt. Dies verdeutlicht eine hochauflösende RIKOR-Berechnung des Pressungsverlaufes für alle Laststufen (Bild 3-27). Kopfrücknahme 170 µm A B C D E Hertzsche Pressung [N/mm^2] Länge einer Eingriffsteilung (p et =64,95) Belastete Länge der Eingriffstrecke g α, Last in Laststufe 5 Laststufe 05 Laststufe 06 Laststufe 07 Laststufe 08 Laststufe 09 Laststufe Eingriffsstrecke [mm] Bild 3-27: Verlauf der Pressungen über der Eingriffstrecke für eine Kopfrücknahme von 170µm

62 48 3 Versuchsprogramm In den niedrigen Laststufen beginnt die Kraftübertragung erst deutlich hinter dem für die unkorrigierte Verzahnung berechneten Eingriffsbeginn im Punkt A und endet bereits vor dem Eingriffsende im Punkt E. Entsprechend verlängert sich das Einzeleingriffsgebiet über die Punkte B und D hinaus. Erst in Laststufe 8 - also der Nennlast, für die die Korrektur ausgelegt wurde - überträgt die Verzahnung die Last auf der gesamten Eingriffstrecke. Anhand der ebenfalls in Bild 3-27 eingezeichneten Länge der Eingriffsteilung p et ist erkennbar, dass die Überdeckung in allen Laststufen größer eins ist. Die tatsächliche Profilüberdeckung der korrigierten Verzahnung unter Last lässt sich bestimmen aus dem Anteil g α,last der Eingriffstrecke, auf dem eine Last anliegt, dividiert durch die Eingriffsteilung p et gα, L ast ε α, Last = (3-8) p et Als belastete Eingriffsstrecke g α,last gilt dabei der Bereich der Eingriffsstrecke, an dem die Hertzsche Pressung einen Schwellenwert von 100N/mm 2 überschreitet. Auch für die weiteren verwendeten Korrekturvarianten Kopfrücknahmen von 50 und 100µm sowie eine Kopfrücknahme von 250µm erfolgte die Berechnung der Pressungen. Damit lassen sich nach Gl. (3-8) die sich tatsächlich unter Last einstellenden Überdeckungen bestimmen. Bild 3-28 zeigt das Ergebnis dieser Berechnung. Das Diagramm ist so skaliert, dass die Balken nur den Anteil der Überdeckung, der größer als die Mindestüberdeckung von eins ist, zeigen. Dieser Anteil ist die theoretische Reserve der Überdeckungen, die einen störungsfreien Lauf gewährleistet. Bei einer Kopfrücknahme von 50µm liegt die volle, theoretisch berechnete Profilüberdeckung in allen Laststufen vor. Bei 100µm weisen ab der Laststufe 6 alle Laststufen die volle Überdeckung auf. Dies ist bei der Kopfrücknahme von 170µm erst ab der Laststufe 8 der Fall. Allerdings liegt hier auch in Laststufe 5 die Überdeckung noch bei 1,13. Die Verzahnung zeigt also eine ausreichende Reserve von mehr als 10% [20]. Ungünstiger würde sich die Situation bei einer Kopfrücknahme von 250µm darstellen, die volle Überdeckung liegt nur bei Laststufe 10 vor. In Laststufe 5 beträgt die Überdeckung nur 1,08. Diese Korrekturvariante wurde im Verlauf des Projektes durch eine parabelförmige Korrekturvariante

63 3 Versuchsprogramm 49 ersetzt. Die Art der Korrektur (linear, parabelförmig) hat keine Auswirkungen auf die Überdeckung, da wie im Kapitel diskutiert die Pressungsverläufe bei linearer und parabelförmiger Korrektur kaum Unterschiede zeigen Überdeckung LS 10 LS 09 LS 08 LS 07 LS 06 LS Kopfrücknahme [µm] Bild 3-28: Sich unter Last einstellende Überdeckung der korrigierten Verzahnung 3.4 Weitere Versuchsparameter Der Betrieb erfolgt mit einem Schmierstoff der ISO-Viskositätsklasse VG 220 mit geringer Graufleckentragfähigkeit bei einer Öleinspritztemperatur von 90 C. Die geringe Graufleckentragfähigkeit soll die Unterschiede zwischen den einzelnen Versuchsvarianten stärker hervorheben. Aufgrund der großen benötigten Ölmengen (die Ölanlage des Großgetriebes fasst 600L) ist die Verwendung eines FVA-Referenzschmierstoffs aus Kostengründen nicht möglich. Stattdessen kommt ein kommerzieller Schmierstoff zum Einsatz. Dieser Schmierstoff ist wegen der ungünstigen Graufleckentragfähigkeit nicht mehr im Handel erhältlich, sondern wurde speziell für das Forschungsprojekt produziert. Er enthält eine Additivierung mit 4% Anglamol 99. PD-Additive (Plastic Deformation) sind nicht enthalten. Der Schmierstoff weist im Graufleckentest auf dem Standardprüfstand mit dem Achsabstand 91,5mm und einer Standard-C-Verzahnung die Schadenskraftstufe 8 auf. Die wichtigsten Schmierstoffdaten enthält Tafel 3-6. Die Öleinspritztemperatur beträgt 90 C.

64 50 3 Versuchsprogramm Tafel 3-6: Stoffeigenschaften des Versuchsschmierstoffs Bezeichung Einheit Wert Dichte bei 15 C ρ Öl,15 C [kg/m 3 ] 907 Viskositätsklasse ISO VG [-] 220 Kin. Viskosität bei 40 C ν Öl,40 C [mm 2 /s] 220 Kin. Viskosität bei 100 C ν Öl,100 C [mm 2 /s] 18,9 Öltyp Mineralöl Schadenskraftstufe Graufleckentest 8 Schadenskraftstufe Fresstest >12 Die Anzahl der Lastwechsel entsprechen denen des Standardtests. Die Drehzahl ist so eingestellt, dass sich bei beiden Verzahnungen am Wälzkreis eine Umfangsgeschwindigkeit von 8,3 m/s ergibt. Daraus folgen die in Tafel 3-7 genannten Drehzahlen und Lastwechsel. Eine Zusammenfassung der gemeinsamen Versuchsparameter für die beiden Baugrößen zeigt Bild Tafel 3-7: Drehzahlen und Lastwechsel für die Prüfstandsvarianten Drehzahlen Lastwechsel [1/min] Stufentest Dauertest Ritzel Rad Ritzel Rad Ritzel Rad Standardprüfstand ,1 1,4 10,4 6,9 Großgetriebe Mio Mio Mio Mio F Belastung Hertzsche Pressung 800 bis 1550 N/mm2 Schmierungsart Einspritzschmierung mit konstanter mit Einspritztemperatur konstanter Einspritztemperatur von 90 C Last wechsel Anzahl der Lastwechsel Anzahl am Ritzel der Lastwechsel im Stufentest 6*2, Lastwechsel im Dauertest 6*1, Lastwechsel ca c f Geometrie Zähnezahlen z 1= 16, z 2= 24 Profilverschiebungsfaktoren x 1= 0,182, x 2= 0,172 Ausnahmen: Modulabhängige Größen und Profilkorrekturen Bild 3-29: Gemeinsame Versuchsparameter für Versuche am Standard- und Großgetriebeprüfstand

65 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 51 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 4.1 Flankenrauheiten Messverfahren und Rauheitskennwerte Die Messung der Oberflächenrauheit kann mit verschiedenen Messverfahren erfolgen. Ein grundsätzlicher Unterschied besteht zwischen drei- und zweidimensionalen Messmethoden. Die dreidimensionale Vermessung ist z.b. mit optischen Verfahren möglich, die einen Ausschnitt des zu untersuchenden Objekts erfassen. Bei Verzahnungen, insbesondere bei Geradverzahnungen, ist die zweidimensionale Messung in Zahnhöhenrichtung ausreichend, da alle Gleit- und Wälzvorgänge in dieser Richtung orientiert sind. Zweidimensionale Rauheitsmessungen erfolgen in der Praxis zumeist mit mechanischen Tastschnittverfahren. Bei mechanischen Tastverfahren können aufgrund der Größe der Tastspitze nicht alle Rauheitsberge und täler erfasst werden. Zur genaueren Erfassung kann ein optisches Verfahren, z.b. Photogrammetrie [19] oder Interferometrie [14], eingesetzt werden. Der Aufwand ist deutlich höher als bei den mechanischen Verfahren. Am besten löst das Rasterelektronenmikroskop (REM) die Oberflächenrauheit auf. Allerdings ist eine Untersuchung mit dem REM nur an zerstörten Zahnrädern möglich, zudem liefert dieses Verfahren keine quantitativen Kennwerte. Tastschnittgeräte können aufgrund der verschiedenen Erzeugung des Referenzprofils, d.h. dem Profil zu dem die Abweichungen in Höhenrichtung gemessen werden, unterschieden werden in Bezugsflächen-, Pendel- und Einkufen-Tastsysteme. Bezugsflächen-Tastsysteme werden auf ideal geometrischen Bezugsflächen geführt, wobei die Bezugsfläche auch außerhalb des Tastsystems liegen kann. Es gibt sie sowohl selbstausrichtend als auch in der Form, dass sie ausgerichtet werden müssen. Ein Pendel- Tastsystem ist selbstausrichtend und hat zwei hinter der Tastspitze angeordnete Gleitkufen, die sich auf der Oberfläche abstützen. Das Einkufen-Tastsystem stützt sich nur auf einer Gleitkufe ab und muss ausgerichtet werden. Bezugsflächentastsysteme sind wesentlich schwingungsunempfindlicher als Pendel- und Einkufentastsysteme [8].

66 52 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Ein Grundsätzliches Problem bei Rauheitsmessungen an Zahnrädern ist die evolventisch gekrümmte Messfläche. Dieses Problem umgeht eine Vermessung auf einer Evolventenprüfmaschine, da sie die Krümmung der Flanke nachvollziehen kann. Ein weiterer Vorteil der Evolventenprüfmaschine ist, dass hier der Messbereich auf der Flanke exakt und reproduzierbar festgelegt werden kann; beim Tastschnittgerät hingegen gibt es immer geringe Abweichungen, da der Taster manuell an die Flanke herangeführt wird. Allerdings muss dafür die Evolventenprüfmaschine mit einem ausreichend feinen Rauheitstaster und der entsprechenden Auswertesoftware ausgestattet sein, zudem ist ein entscheidender Vorteil des Tastschnittgerätes der geringe (zeitliche) Aufwand. Emmert [7] hat bei Vergleichsmessungen keinen systematischen Unterschied zwischen Perthometer und Evolventenprüfmaschine festgestellt. Eine wichtige Einstellung bei der Rauheitsmessung ist die Wahl des Filters, der durch ein Hochpassverhalten die bei der Fertigung entstandenen Welligkeiten der Oberfläche herausfiltern soll, so dass ein ebenes Rauheitsprofil wiedergegeben wird. Neben der Wahl des Filtertyps (vgl. [2], [28]) ist die Grenzwellenlänge des Filters von Bedeutung. Gängig sind Grenzwellenlängen von λ= 0,8mm und λ= 0,25mm. Vergleichsmessungen an den kleinmoduligen Verzahnungen zeigen, dass z.b. der R a - Wert bei Messungen mit λ= 0,8mm um 10 bis 30% höher lag als bei Messungen mit λ= 0,25mm. Bei einer Grenzwellenlänge von λ= 0,8mm besteht die Gefahr, dass einige langwellige Teile in die Berechnung der Rauheitskennwerte eingehen. Im Gegensatz dazu kann es bei einer Grenzwellenlänge von λ=0,25mm vorkommen, dass kurzwellige Strukturen herausgefiltert werden und die Rauheitswerte deutlich niedriger werden. Ideal ist also ein Filter, der die langwelligen Anteile komplett herausfiltert, die Rauheitsamplituden jedoch komplett erhält. Im vorliegenden Fall wurden die Messungen an den kleinmoduligen Zahnrädern auf einem stationären Tastschnittgerät mit einem Bezugsflächen-Tastsystem, das ausgerichtet werden muss, durchgeführt (Gerät Rank Taylor Hobson Form Talysurf Serie 2). Die Vermessung der großmoduligen Zahnräder erfolgte mit einem Handgerät mit Einkufentastsystem (Rank Taylor Hobson Surtronic S3), da die Größe der Radsätze den Einsatz des stationären Gerätes nicht zuließ. Die Grenzwellenlänge des verwendeten Hochpassfilters beträgt λ=0,8mm. Die Taststrecke hat eine Länge von 4,8mm.

67 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 53 Rauheitskennwerte Um die Oberflächenrauheit zu charakterisieren, gibt es eine Reihe von Kennwerten, die nach DIN EN ISO 4287 und DIN EN ISO definiert sind. Rauheitskennwerte lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Erfassung der vertikalen Eigenschaften einer Messstrecke (d.h. der Höhe der Ausschläge senkrecht zur Messstrecke). Dazu gehören R a, R z und R q. Erfassung der vertikalen und horizontalen Eigenschaften (Verteilung der Ausschläge, statistische Kennwerte), dazu gehören R sk, t p bzw R mr und R k. Die Aussagekraft der Werte der ersten Gruppe, die lediglich die vertikalen Eigenschaften eines Profils beschreiben, ist geringer als die der Werte der zweiten Gruppe, welche Aussagen über die Profilform zulassen. Es folgt eine kurze Beschreibung ausgewählter Kennwerte (Abbildungen nach [15]). Der arithmetische Mittenrauhwert R a ergibt sich, indem man die Flächen der Profilspitzen und täler auf die gesamte Messstrecke bezieht. Die Flächen der Spitzen und Täler werden durch die Konturen und die Mittellinie des Profils begrenzt. Der Mittenrauhwert ist relativ unempfindlich gegen Ausreißer. In der folgenden Gleichung kennzeichnet l r die Länge der Messstrecke (Auswertelänge). Z(x) ist die Profilordinate, d.h. die gemessene Materialhöhe an der Position x der Messstrecke. R a 1 = lr lr 0 Z( x) dx (4-1) Bild 4-1: Arithmetischer Mittenrauhwert

68 54 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Für die Bestimmung der gemittelten Rauhtiefe R z wird die Messstrecke in 5 Teile geteilt. In jedem dieser Teile wird der Abstand vom höchsten zum niedrigsten Punkt des Profils gemessen. Der Mittelwert dieser 5 Messungen ist dann der Wert R z. Der quadratische Mittenrauhwert R q ergibt sich aus der Wurzel, die aus dem quadratischen Mittel aller Höhen eines Profils zu ziehen ist. Er entspricht also der Standardabweichung der Profilordinaten. Der quadratische Mittenrauhwert ist statistisch aussagekräftiger als der arithmetische Mittenrauhwert R a. R q = 1 lr lr 0 Z 2 ( x) dx (4-2) Bild 4-2: Quadratischer Mittenrauhwert Die Schiefe R sk ist ein Maß dafür, wie die Amplituden in einem Profil verteilt sind. Grundlage zur Bestimmung der Schiefe ist die Amplitudendichteverteilung (Histogramm). Hier wird über jeder Profilordinate Z die Häufigkeit p(z) aufgetragen, mit der diese Profilordinate in der Messung zu finden ist. Bei einer normalverteilten Amplitudendichte ist R sk =0. Verschiebt sich die Kurve hin zu den Rauheitstälern spricht man von einer negativen Schiefe (linksschief). Bei negativer Schiefe liegt eine gut tragende, plateauartige Oberfläche vor. R sk ist gut geeignet, um sowohl horizontale als auch vertikale Eigenschaften eines Profils zu charakterisieren. R sk lr 1 1 = Z Rq lr 0 3 ) 3 ( x dx (4-3)

69 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 55 Bild 4-3: Amplitudendichtekurve Der Traganteil t p, auch als Materialanteil R mr bezeichnet, ist eine Kenngröße der Traganteilskurve, auch Materialanteilskurve oder Abbott-Kurve genannt. Die Materialanteilskurve gibt den Materialanteil des gemessenen Profils als Funktion der Schnitttiefe an. Der Schnitt erfolgt im Abstand c von der höchsten Profilspitze. R mr (c) bzw. t p ergibt sich nun aus der Summe der über dem Schnitt liegenden Traganteile Ml i, bezogen auf die Gesamtmesslänge. Der Profiltraganteil wird üblicherweise in Prozent angegeben. Der Nachteil dieses Kennwertes ist, dass er von der höchsten Profilspitze abhängig und damit empfindlich gegenüber Ausreißern ist. Um dies zu umgehen, wird von Fritsch [8] zwischen t p =25% und t p =85% eine Regressionsgerade gebildet, die unabhängig von Ausreißern ist. Die Steigung dieser Geraden charakterisiert die Verteilung der Ordinaten. Alternativ lässt sich die Schnitttiefe c relativ zu einer Referenzschnitthöhe c 0, bei der ein definierter Materialanteil vorliegt, bestimmen. Die Traganteilskurve ist je nach Oberflächencharakteristik unterschiedlich und gibt daher eine gute Auskunft sowohl über die Rauhtiefe als auch über die Profilform. R mr n 100 ( c) = Mli ( c) (4-4) ln i= 1 Bild 4-4: Materialanteile des Rauheitsprofils

70 56 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Die Kernrauhtiefe R k definiert die Tiefe des Rauheitskernprofils. Sie ergibt sich aus der Traganteilkurve. Hierzu wird die Sekante mit der geringsten Neigung auf die Traganteilkurve gelegt. Der Abstand vom höchsten zum niedrigsten Punkt dieser Sekante gibt dann den Wert R k wieder. Bei kleiner Kernrauhtiefe im Verhältnis zur gemittelten Rauhtiefe liegt neben wenigen hohen Spitzen und tiefen Tälern der Großteil des Materials auf einen kleinen Anteil der Rauhtiefe konzentriert. Das Profil ist belastungsfähiger für die mechanische Beanspruchung. Die reduzierte Spitzenhöhe R pk ist die gemittelte Höhe der aus dem Kernbereich herausragenden Spitzen. Die reduzierte Riefentiefe R vk kennzeichnet den Anteil der aus dem Kernbereich in das Material hinein ragenden Profiltiefen. Bild 4-5: Kennwerte der Abott-Kurve Messungen an Großgetrieberadsätzen Im folgenden werden die Ergebnisse der Rauheitsmessungen für das Großgetriebe dokumentiert. Der Focus liegt hierbei auf dem Hauptvariationsparameter, dem arithmetischen Mittenrauhwert. Daneben wurden noch weitere Rauheitskennwerte gemessen. Auf diese Parameter wird im Rahmen der Vermessung der kleinmoduligen Verzahnungen in Abschnitt eingegangen. Die Rauheitsmessungen beziehen sich, wie beim Standard-FVA-Graufleckentest, auf den Mittelwert für die Zahnradpaarung. Am Großgetriebe erlaubt es die Zahnhöhe, mehrere Messungen über der Zahnhöhe durchzuführen. Dies geschieht im Bereich oberhalb des Fußnutzkreises, am Wälzkreis und unterhalb des Kopfkreises. Für jedes Zahnrad wird zunächst ein Mittelwert über die vermessenen Zähne, sperat für die Messstellen Fußbereich, Wälzkreisbereich und Kopfbereich, gebildet. Es stehen nun für jedes Zahnrad drei mittlere Rauheiten zur Verfügung (Fuß, Wälzkreis, Kopf).

71 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 57 Danach werden nach Gl (4-5) die mittlere Rauheit im Fußbereich des Ritzels und die mittlere Rauheit im Kopfbereich des Rades zu einem gemeinsamen R a -Wert für den Radsatz zusammengefasst. Der Bereich des Ritzelfußes und des Radkopfes kämmen im besonders gefährdeten Flankenabschnitt, deshalb ist die Rauheit an dieser Stelle für den Schaden maßgeblich. 1 2 ( R + R ) R a, Radsatz = a, Mittelwert Ritzel, Fußbereich a, Mittelwert Rad, Kopfbereich = 1 2 i R Anzahl Zähne Ritzel + a, Ritzelzahn i, Fußbereich a, Radzahn j, Kopfbereich j R Anzahl Zähne Rad (4-5) Die Radsätze der ersten Variante weisen eine Ist-Mittenrauheit von 0,5 0,6µm auf. Die Radsätze der zweiten Variante zeigen eine Mittenrauheit von 0,7 0,8µm, die Rauheiten der dritten Variante liegen bei 1,0µm. Das Bild 4-6 zeigt als Balken die R a - Werte für alle Radsätze gemäß Gl. (4-5). Ausgehend davon ist die Standardabweichung zwischen allen Messwerten aufgetragen. Zusätzlich sind für jeden Radsatz die mittleren Rauheiten über die Ritzelzähne (Fußbereich) und die Radzähne (Kopfbereich) als waagerechte Linien eingetragen. Die Standardabweichungen liegen im schlechtesten Fall bei ±0,1µm. Bei allen Radsätzen ist die Rauheit am Rad höher als am Ritzel. Dabei ist zu beachten, dass im Diagramm wie oben erläutert die Rauheiten im Bereich von Radkopf und Ritzelfuß eingetragen sind. Aufgrund der Geometrieverhältnisse beim Schleifen sind die Rauheiten am Kopf immer höher als im Fuß. Die mittlere Rauheitsvariante mit R a =0,7 0,8µm zeigt die größten Unterschiede zwischen der Rauheit am Rad und Ritzel. Die auftretende Abweichung ist für eine stark streuende prozessabhängige Größe wie der Rauheit zu erwarten. Trotz der Streuungen liegen die drei Rauheitsvarianten auf deutlich unterschiedlichen Niveaus.

72 58 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Nr. 1 (ca=50µm) Nr. 4 (ca=100µm) Nr. 7 (ca=170µm) Nr. 2 (ca=50µm) Nr. 5 (ca=100µm) Nr. 8 (ca=170µm) Nr. 10 P (ca=170µm) Nr. 3 (ca=50µm) Nr. 6 (ca=100µm) Nr. 9 (ca=170µm) Mittenrauhwert Ra [µm] mit Standardabweichung Vor Versuchsbeginn Standardabweichung Mittelwert Ritzelfuß Radkopf Bild 4-6: Mittelwert der Flankenrauheit bei den Großgetrieberadsätzen vor den Prüfstandsversuchen, mit Standardabweichung und Rauheiten von Rad und Ritzel (siehe Erläuterungen auf der vorangehenden Seite) Zum Vergleich sind zusätzlich die Werte der gemittelten Rauhtiefe R z dargestellt. gemittelte Rauhtiefe Rz ISO [µm] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Vor Versuchsbeginn Nr. 1 (ca=50µm) Nr. 4 (ca=100µm) Nr. 7 (ca=170µm) Nr. 2 (ca=50µm) Nr. 5 (ca=100µm) Nr. 8 (ca=170µm) Nr. 10 P (ca=170µm) Nr. 3 (ca=50µm) Nr. 6 (ca=100µm) Nr. 9 (ca=170µm) Bild 4-7: Mittelwert der Rauhtiefe bei den Großgetrieberadsätzen vor den Prüfstandsversuchen

73 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Messung an kleinmoduligen Radsätzen Bei den kleinmoduligen Radsätzen erfolgt eine Messung in der Mitte der aktiven Flankenhöhe von Rad- und Ritzelflanke. Analog zum Großgetriebe wird nach Gleichung (4-5) zunächst der Mittelwert über die Messzähne an Rad und Ritzel gebildet, dann der Mittelwert für den Radsatz. Die Messergebnisse für den arithmetische Mittenrauhwert zeigt Bild 4-8. Es sind deutlich die drei Rauheitsniveaus mit R a -Werten um 0,3µm, 0,5µm und 0,8µm zu unterscheiden. Lediglich die Variante ganz rechts im Bild (Werkstoff 16MnCr5, c a =0µm) weicht mit R a =0,95µm relativ stark von den anderen Radsätzen der Reihe R a ~0,8µm ab. 1.2 Mittenrauhwert Ra [µm] mit Standardabweichung Vor Versuch Radsatz Ritzel Rad Ra-Vorgabewerte Std.-C; Ra=0.5; ca=0; 16MnCr5 Ra0,3µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=35µmp; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=35µmk; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=10µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=20µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=35µm; 16MnCr5 Ra0,8µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=0µm; 16MnCr5 Bild 4-8: Mittlere arithmetische Mittenrauhwerte der kleinmoduligen Radsätze vor den Prüfstandsversuchen Bild 4-9 zeigt die gemittelten Rauhtiefen vor Versuch, dargestellt ist der Mittelwert von Rad und Ritzel.

74 60 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Vor Versuch Ra-Vorgabewerte Ra0,3µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=35µmp; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=35µmk; 17CrNiMo6 Ra0,3µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ra0,5µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=10µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=20µm; 16MnCr5 Ra0,5µm; ca=35µm; 16MnCr5 Ra0,8µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ra0,8µm; ca=0µm; 16MnCr5 gemittelte Rauhteife RzISO [µm] Bild 4-9: Mittlere Rauhtiefe der kleinmoduligen Radsätze vor den Prüfstandsversuchen Bild 4-10 zeigt die Schiefe der Amplitudendichteverteilung. Auch hier erfolgt analog zu Gleichung (4-5) eine Mittelwertbildung für die Radsätze. Alle Schiefewerte sind negativ, d.h. die Profile besitzen einen plateauartigen Charakter, der sich positiv auf das Tragverhalten auswirkt (vgl. Kapitel 4.1.1). Systematische Unterschiede zwischen den drei Rauheitsvarianten sind nicht zu erkennen, d.h. aus den unterschiedlichen Schleifparametern für die einzelnen Varianten entstehen keine typischen Amplitudenverteilungen. Die Varianten unterscheiden sich vorwiegend durch die Höhe der Rauheitsberge und Täler, nicht durch deren Verteilung. Die Kernrauhtiefe der Radsätze ist in Bild 4-11 dokumentiert. Hier zeigt sich eine gute Übereinstimmung der Werte innerhalb einer Rauheitsvariante. Die Werte steigen mit zunehmender Rauheit nahezu proportional an. Wie schon die Messungen der Schiefe belegen auch diese Werte, dass die Verteilung der Rauheitsordinaten bei allen Varianten ähnlich ist.

75 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 61 Bild 4-10: Mittlere Schiefe der kleinmoduligen Radsätze vor den Prüfstandsversuchen Bild 4-11: Mittlere Kernrauhtiefe der kleinmoduligen Radsätze vor den Versuchen

76 62 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 4.2 Evolventenprüfung vor dem Versuch Alle Radsätze erfuhren nach der Auslieferung durch den Hersteller eine intensive Grundvermessung der Zahnflanken. Überprüfte Parameter sind Profilform, Flankenlinie, Teilung und Rundlauf. Die Messprotokolle dienen als Basis für die spätere Bestimmung der Auskolkung. Sie ist durch die Differenz zwischen der Profilform der neuen und gelaufen Zahnflanke definiert. Dazu kommt ein Verzahnungsmesszentrum der Firma Klingenberg zum Einsatz (Bild 4-12). Ein Kugeltaster fährt die Flanken ab und zeichnet Abweichungen von der theoretischen Flankenform auf. Der Durchmesser des Kugeltasters beträgt 3mm für die kleinmoduligen Radsätze und 10mm für die Großgetrieberadsätze. Bild 4-12: Verzahnungsmesszentrum Die geforderte Qualität für die Prüfverzahnungen ist Qualitätsstufe 5 nach DIN 3962 [3], für die Profilform- und Profilwinkelabweichung und wurden besonders beim Großgetriebe deutlich feinere Qualitäten verlangt. Die gemessenen Ist- Qualitäten dokumentiert Tafel 4-1 für das Großgetriebe und Tafel 4-2 für den Stan-

77 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 63 dardprüfstand. Messwerte, die die zugelassenen Grenzwerte überschreiten, sind kursiv und grau hinterlegt dargestellt. Tafel 4-1: Qualitäten der Radsätze für den Großgetriebeprüfstand Bezeichung [µm] f f α max f H α max f f β max f H β max f p max F p F r Grenzwert Ra0,6µm; ca=50µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=100µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,6µm; ca=170µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=100µm; 17CrNiMo6 Ritzel (nicht genutzt) Rad Ra0,7µm; ca=50µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,8µm; ca=100µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,75µm; ca=170µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,7µm; ca=170µmp; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra1,0µm; ca=50µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra1,0µm; ca=100µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra1,0µm; ca=170µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra1,0µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ritzel (nicht genutzt) Rad

78 64 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Tafel 4-2: Qualitäten der Radsätze für den Standardprüfstand Bezeichung [µm] f f α max f H α max f f β max f H β max f p max F p F r Grenzwert Ra0,35µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,3µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,3µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,27µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,3µm; ca=35µmp; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,3µm; ca=35µmk; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,3µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,3µm; ca=10µm; 16MnCr5 Ritzel (nicht genutzt) Rad Ra0,5µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,45µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,45µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,55µm; ca=10µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,45µm; ca=20µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=35µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,8µm; ca=0µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,8µm; ca=10µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,8µm; ca=20µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,8µm; ca=35µm; 17CrNiMo6 Ritzel Rad Ra0,95µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,8µm; ca=10µm; 16MnCr5 Ritzel (nicht genutzt) Rad Standard-C-Verzahnungen Ra0,5µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Ra0,5µm; ca=0µm; 16MnCr5 Ritzel Rad Bei den kleinmoduligen Radsätzen, die für das Projekt gefertigt wurden, ist teilweise eine geringfügige Höhenballigkeit mit Beträgen bis maximal 5µm festzustellen.

79 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Dokumentation der Graufleckenschäden bei Versuchsende Großgetriebe Dieser Abschnitt dokumentiert den Zustand der Prüfritzel für das Großgetriebe nach Versuchsende anhand der beiden Hauptbewertungskriterien für die Graufleckigkeit, dem Ausmaß der Graufleckenfläche und der Profilformabweichung. Dazu ist für jede Variante jeweils ein Flankenfoto und ein Profilmessprotokoll dargestellt. Der Profilmessprotokoll zeigt drei Ritzelzähne nach jedem Versuch. Schematisch ist im Fußbereich als Gerade die gemessene Profilform vor dem Versuch dargestellt. Ausgehend von dieser Linie wird die maximale Auskolkung gemessen. Entscheidend für die Belastung im Bereich oberhalb des Fußnutzkreises, dem am stärksten gefährdeten Flankenteil, ist die Korrektur am Kopf des Gegenrades. Deshalb ist rechts im Bild das Profilformmessprotokoll eines Zahnes des Gegenrades dargestellt. Das Messprotokoll ist um 180 gedreht eingefügt. Somit sind die Flankenpunkte von Rad und Ritzel, die sich miteinander im Eingriff befinden, auf der selben Höhe zu finden. Die Versuche sind nach den drei Varianten der Flankenrauheit gruppiert. Eine Übersicht über die Versuche und die dazugehörigen Bildnummern zeigt die folgende Tafel.

80 66 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Tafel 4-3: Übersicht über die Ergebnisdarstellungen für das Großgetriebe Mittenrauhwert R a,ist [µm] Kopfrücknahme c a [µm] Bild Nr. 0, , , , , , linear ,7 170 parabelf , ,0 50 (Dauertest) , , ,0 170 (Dauertest) 4-24

81 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 67 Graufleckigkeit 402,7 Punkt E Rad -fuß dritzel [mm] 381,2 Punkt D Korrektur am Ritzelkopf Rad vor Versuch 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B Korrektur am Radkopf 21 µm 31 µm 32 µm 336,1 Punkt A Radkopf Bild 4-13: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,6µm und c a = 50µm nach Versuchsende

82 68 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Graufleckigkeit 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm Rad vor Versuch 345,5 Punkt B 7 µm 6 µm 7 µm 336,1 Punkt A Bild 4-14: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,5µm und c a = 100µm nach Versuchsende

83 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 69 Graufleckigkeit 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm Rad vor Versuch 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 3 µm 5,5 µm 4 µm 336,1 Punkt A Bild 4-15: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,6µm und c a = 170µm nach Versuchsende

84 70 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm 357,0 Punkt C Rad vor Versuch 5 mm 345,5 Punkt B 28 µm 30 µm 336,1 Punkt A 26 µm Bild 4-16: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,7µm und c a =50µm nach Versuchsende

85 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen ,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B Rad vor Versuch 336,1 Punkt A 8 µm 8 µm 8 µm Bild 4-17: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,8µm und c a =100µm nach Versuchsende

86 72 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 4,5 µm 8 µm 9 µm Rad vor Versuch 336,1 Punkt A Bild 4-18: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,75µm und c a =170µm linear nach Versuchsende

87 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen ,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 4 µm 8,5 µm 8 µm Rad vor Versuch 336,1 Punkt A Bild4-19: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 0,7µm und c a =170µm parabelförmig nach Versuchsende

88 74 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm Rad vor Versuch 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 336,1 Punkt A 26 µm 31 µm 24 µm Bild 4-20: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 1,0µm und c a = 50µm nach Versuchsende des Stufentests

89 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen ,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D Rad vor Versuch 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 95 µm 111 µm 108 µm 336,1 Punkt A Bild 4-21: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 1,0µm und c a = 50µm nach Versuchsende des Dauertests

90 76 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D Rad vor Versuch 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 10 µm 9 µm 7 µm 336,1 Punkt A Bild 4-22: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 1,0µm und c a = 100µm nach Versuchsende

91 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen ,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D 20 µm 357,0 Punkt C Rad vor Versuch 5 mm 345,5 Punkt B 13 µm 10 µm 10 µm 336,1 Punkt A Bild 4-23: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 1,0µm und c a = 170µm nach Versuchsende des Stufentests

92 78 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 402,7 Punkt E dritzel [mm] 381,2 Punkt D Rad vor Versuch 20 µm 357,0 Punkt C 5 mm 345,5 Punkt B 29 µm 25 µm 23 µm 336,1 Punkt A Bild 4-24: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Großgetrieberitzels mit R a = 1,0µm und c a = 170µm beim Abbruch des Dauertests (nach Lastwechseln am Ritzel)

93 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen Standardprüfstand (Modul 4,5mm) In ähnlicher Weise wie im vorigen Abschnitt ist im folgenden der Zustand der Prüfritzel nach Versuchsende für den Standardprüfstand dokumentiert. Aufgrund der Vielzahl der Versuche zeigt das Profilmessprotokoll nur einen, repräsentativen Ritzelzahn. Darunter ist die Profilform vor dem Versuch als Bezug für die Bestimmung der Auskolkung dargestellt, daneben ein Zahn des Gegenrades um 180 gedreht. Die Versuche sind gemäß Tafel 4-4 nach den drei Varianten der Flankenrauheit gruppiert, innerhalb der Gruppen nach dem Radsatzmaterial. Es schließen sich zwei Messprotokolle von Versuchen mit Standard-C-Verzahnungen der Firma ZF Friedrichshafen an. Tafel 4-4: Übersicht über die Ergebnisdarstellungen für den Standardprüfstand Mittenrauhwert Kopfrücknahme Material Bild Nr. R a,ist [µm] c a [µm] 0, CrNiMo , CrNiMo , CrNiMo , CrNiMo ,27 35 parabelf. 17CrNiMo ,3 35 kurz linear 17CrNiMo ,3 0 16MnCr ,5 0 17CrNiMo , CrNiMo , CrNiMo , CrNiMo , MnCr , MnCr , MnCr , MnCr ,8 0 17CrNiMo , CrNiMo ,8 10 (Dauertest) 17CrNiMo , CrNiMo , CrNiMo ,8 35 (Dauertest) 17CrNiMo , MnCr ,5 0 16MnCr5 Standard-C ,5 0 (Dauertest) 16MnCr5 Standard-C 4-48

94 80 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 5 µm Ritzel vor Versuch 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-25: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,35µm und c a = 0µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

95 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 81 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 4,1 µm Ritzel vor Versuch 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-26: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,3µm und c a = 10µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

96 82 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch 5 µm Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-27: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,3µm und c a = 20µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

97 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 83 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 0,6 µm Ritzel vor Versuch 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-28: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,3µm und c a =35µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

98 84 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch 68,25 Punkt A 0,8 µm Ritzel nach Versuch Bild 4-29: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,27µm und c a =35µm parabelförmig, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

99 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 85 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch 0,7 µm 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-30: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,3µm und c a =35µm (kurze linear), 17CrNiMo6 nach Versuchsende

100 86 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 6,2 µm 68,25 Punkt A Bild 4-31: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,3µm und c a =0µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

101 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 87 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm Ritzel vor Versuch 70,7 Punkt B Ritzel nach Versuch 8,9 µm 68,25 Punkt A Bild 4-32: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,5µm und c a = 0µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

102 88 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 6 µm 68,25 Punkt A Bild 4-33: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,5µm und c a = 10µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

103 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 89 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 5,3 µm Ritzel vor Versuch 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-34: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,5µm und c a = 20µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

104 90 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 7 µm Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-35: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,45µm und c a = 35µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

105 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 91 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch 8,7 µm 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-36: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,45µm und c a = 0µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

106 92 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm Ritzel vor Versuch 70,7 Punkt B 7 µm 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-37: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,55µm und c a = 10µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

107 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 93 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm 73,2 Punkt C Rad vor Versuch 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 5,1 µm 68,25 Punkt A Bild 4-38: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,45µm und c a = 20µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

108 94 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm Ritzel vor Versuch 70,7 Punkt B 7,7 µm Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-39: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,5µm und c a = 35µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

109 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 95 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm Ritzel vor Versuch 70,7 Punkt B 7,8 µm 68,25 Punkt A Ritzel nach Versuch Bild 4-40: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,8µm und c a = 0µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

110 96 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 9,7 µm 68,25 Punkt A Bild 4-41: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,8µm und c a = 10µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

111 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 97 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C Ritzel nach Versuch 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch 25 µm 68,25 Punkt A Bild 4-42: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,8µm und c a = 10µm, 17CrNiMo6 nach Dauertest

112 98 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm Ritzel vor Versuch 70,7 Punkt B 9 µm Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-43: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,8µm und c a = 20µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

113 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 99 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 11.1 µm Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-44: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,8µm und c a = 35µm, 17CrNiMo6 nach Versuchsende

114 100 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B 22,7 µm Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-45: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,8µm und c a = 35µm, 17CrNiMo6 nach Dauertest

115 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen ,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 15 µm 68,25 Punkt A Bild 4-46: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Ritzels mit Modul 4,5mm mit R a = 0,95µm und c a = 0µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

116 102 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen 82,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 14,5 µm 68,25 Punkt A Bild 4-47: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Standard-C-Ritzels mit Modul 4,5mm mm mit R a = 0,5µm und c a = 0µm, 16MnCr5 nach Versuchsende

117 4 Vermessung der Testradsätze vor und nach den Versuchen ,46 Punkt E dritzel [mm] 76,4 Punkt D 10 µm Rad vor Versuch 73,2 Punkt C 1 mm 27,7 µm 70,7 Punkt B Ritzel vor Versuch Ritzel nach Versuch 68,25 Punkt A Bild 4-48: Flankenfoto und Profilformmessprotokoll des Standard-C-Ritzels mit Modul 4,5mm mm mit R a = 0,5µm und c a = 0µm, 16MnCr5 nach dem Dauertest

118

119 5 Versuchsergebnisse Versuchsergebnisse 5.1 Großgetriebe Übersicht Die Ergebnisse aller Großgetriebeversuche nach Versuchsende sind im Bild 5-1 zusammengefasst. Die maximalen Auskolkungstiefen lassen sich aus den Profilmessungen vor und nach dem Versuch exakt bestimmen: Eingetragen ist ein Mittelwert aus Messungen an drei Flanken. Die Bewertung der Graufleckenfläche erfolgt mit Hilfe einer Rasterschablone. Die Profilmessprotokolle und Flankenfotos sind in Kapitel 4.3 dokumentiert. Während sich bei den Versuchen mit der Rauheit R a =0,5...0,6µm die Graufleckigkeit auf einen klar begrenzten Bereich oberhalb des Fußnutzkreises beschränkt, sind bei den Varianten mit höherer Rauheit ca. 30% der Flanke im Bereich zwischen Fuß- und Wälzkreis geschlossen mit Graufleckigkeit bedeckt. Der darüber liegende Flankenbereich erscheint bei den Varianten mit hoher Rauheit R a =1,0µm auf den in Kapitel 4.3 abgebildeten Fotos ebenfalls grau. Es sind aber insbesondere Rauheitsspitzen von Graufleckigkeit betroffen, dazwischen finden sich Linien mit ungeschädigten Bereichen, so dass sich keine vollständige Bedeckung der Zahnflanke mit Grauflecken ergibt. Trotz der teilweise starken optisch sichtbaren Graufleckigkeit sind die Auskolkungstiefen eher niedrig. Die Schadensgrenze beim Standardtest mit Modul 4,5mm beträgt 7,5µm, entsprechend vergrößert liegt diese Grenze für das Großgetriebe bei 35µm. Alle Varianten liegen unterhalb dieser Grenze.

120 106 5 Versuchsergebnisse Ra=0.6; ca=50 Ra=0.5; ca=100 Ra=0.6; ca=170 Ra=0.7; ca=50 Ra=0.8; ca=100 Ra=0.75; ca=170 Ra=0.7; ca=170p Ra=1.0; ca=50 Ra=1.0; ca=100 Ra=1.0; ca=170 Max. Auskolkung [µm] Auskolkung Graufleckenfläche Schadensgrenze Auskolkung Graufleckenfläche [%]. 5 0 Ist-Werte Ist-Werte Ra Ra. vor Versuch [µm] [µm] Bild 5-1: Auskolkung und Graufleckenfläche nach Versuchsende am Großgetriebe (P: parabelförmige Kopfrücknahme) Die Ergebnisse lassen sich in zwei Kernpunkten zusammenfassen: Auskolkungstiefe: Die Ausgangsrauheit der Flanken hat nur eine geringe Auswirkung auf die Auskolkungstiefe nach Versuchsende. Zwischen Varianten mit einer Kopfrücknahme von 50µm und den Varianten mit höheren Rücknahmebeträgen sinkt die Auskolkungstiefe signifikant ab, bleibt dann aber bei den Varianten mit 100µm und 170µm Rücknahme nahezu konstant. Graufleckenfläche: Mit steigender Flankenrauheit nimmt die Graufleckenfläche zu. Bei geringer Ausgangsrauheit führt ein geringer Betrag der Kopfrücknahme zu größeren Graufleckenflächen. Bei den Varianten mit größerer Oberflächenrauheit ist dieser Effekt nur noch schwach zu beobachten. Diese Tendenzen sind auch in den folgenden Bildern abzulesen, in denen die Entwicklung von Auskolkungstiefe und Graufleckenfläche während des Stufentests dar-

121 5 Versuchsergebnisse 107 gestellt ist. Bild 5-2 vergleicht die drei Rauheitsvarianten, gruppiert nach Kopfrücknahmebeträgen. Die x-achse zeigt die Laststufen mit der zugehörigen Hertzschen Flächenpressung im Wälzpunkt. Schraffiert sind die Schadensgrenzen des Graufleckentests eingetragen Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] Schadensgrenze Laststufe Ra=1.0; ca=50 Ra=0.7; ca=50 Ra=0.6; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=1.0; ca=50 Ra=0.7; ca=50 Ra=0.6; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] Bild 5-2a: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Großgetriebe, Versuche mit Kopfrücknahme c a =50µm

122 108 5 Versuchsergebnisse Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] Schadensgrenze Laststufe Ra=1.0; ca=100 Ra=0.8; ca=100 Ra=0.5; ca=100 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=1.0; ca=100 Ra=0.8; ca=100 Ra=0.5; ca=100 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] Bild 5-2b: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Großgetriebe, Versuche mit Kopfrücknahme c a =100µm

123 5 Versuchsergebnisse Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] Schadensgrenze Laststufe Ra=1.0; ca=170 Ra=0.7; ca=170p Ra=0.75; ca=170 Ra=0.6; ca=170 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=1.0; ca=170 Ra=0.7; ca=170p Ra=0.75; ca=170 Ra=0.6; ca=170 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] Bild 5-2c: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Großgetriebe, Versuche mit Kopfrücknahme c a =170µm (P: parabelförmige Kopfrücknahme) Bild 5-3 vergleicht die Rücknahmevarianten gruppiert nach Rauheiten.

124 110 5 Versuchsergebnisse Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] Schadensgrenze Laststufe Ra=0.6; ca=170 Ra=0.5; ca=100 Ra=0.6; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0.6; ca=170 Ra=0.5; ca=100 Ra=0.6; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] Bild 5-3a: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Großgetriebe, Rauheitsvariante R a ~0,5µm

125 5 Versuchsergebnisse Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] Schadensgrenze Laststufe Ra=0.7; ca=170p Ra=0.75; ca=170 Ra=0.8; ca=100 Ra=0.7; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0.7; ca=170p Ra=0.75; ca=170 Ra=0.8; ca=100 Ra=0.7; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] Bild 5-3b: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Großgetriebe, Rauheitsvariante R a ~0,8µm (P: parabelförmige Kopfrücknahme)

126 112 5 Versuchsergebnisse Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] Schadensgrenze Laststufe Ra=1.0; ca=170 Ra=1.0; ca=100 Ra=1.0; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=1.0; ca=170 Ra=1.0; ca=100 Ra=1.0; ca=50 Modul 22 mm Öleinspritztemperatur 90 C Hertzsche Pressung [N/mm 2 ] Bild 5-3c: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Großgetriebe, Rauheitsvariante R a ~1,0µm Die folgenden Kapitel gehen anhand der beiden Parameter Flankenrauheit und Kopfrücknahme näher auf die Ursachen für die oben genannten Ergebnisse ein und diskutieren mögliche Fehlerquellen, die den Versuchsausgang beeinflussen könnten.

127 5 Versuchsergebnisse Einfluss der Flankenrauheit Wie bisherige Untersuchungen zeigen, hat die Flankenrauheit einen wichtigen Einfluss auf die Graufleckenentwicklung. Dies bestätigen die Großgetriebeversuche in Hinblick auf die Graufleckenfläche, die bei den Varianten mit größerer Rauheit wächst. Bei der maximalen Auskolkungstiefe ist kein großer Einfluss vorhanden. Eine Erklärung für dieses Phänomen liefert der Vergleich von Rauheiten vor und nach dem Versuch. Das Bild 5-4 vergleicht den arithmetischen Mittenrauhwert der Radsätze vor und nach dem Versuch. Die Rauheiten liegen nach Ende des Stufentests alle auf einem Niveau unterhalb von R a =0,5µm. Insbesondere bei den Reihen mit Ausgangsrauheiten von R a =0,7 0,8 und 1,0µm fand eine starke Einglättung statt. Messungen an Abgüssen, die während des Stufentests angefertigt wurden, lassen erkennen, dass die Einglättung schon in niedrigen Laststufen stattfindet. Die Auswertung weiterer Rauheitsparameter, wie der Schiefe, zeigte keinen eindeutigen Einfluss. Darauf wird im Rahmen der Ergebnisdiskussion für die kleinmoduligen Radsätze näher eingegangen, dort liegt aufgrund der größeren Anzahl der Versuche eine breitere Datenbasis vor.

128 114 5 Versuchsergebnisse Nr. 1 (ca=50µm) Nr. 4 (ca=100µm) Nr. 7 (ca=170µm) Nr. 2 (ca=50µm) Nr. 5 (ca=100µm) Nr. 8 (ca=170µm) Nr. 10 P (ca=170µm) Nr. 3 (ca=50µm) Nr. 6 (ca=100µm) Nr. 9 (ca=170µm) Mittenrauhwert Ra [µm] mit Standardabweichung Vor Versuchsbeginn Standardabweichung Mittelwert Ritzelfuß Radkopf Nr. 1 (ca=50µm) Nr. 4 (ca=100µm) Nr. 7 (ca=170µm) Nr. 2 (ca=50µm) Nr. 5 (ca=100µm) Nr. 8 (ca=170µm) Nr. 10 P (ca=170µm) Nr. 3 (ca=50µm) Nr. 6 (ca=100µm) Nr. 9 (ca=170µm) Mittenrauhwert Ra [µm] mit Standardabweichung Nach Versuchsende mittlere Rauheit vor Versuch Mittelwert Ritzelfuß Radkopf Bild 5-4: Mittlere Flankenrauheit der Großgetrieberadsätze vor und nach den Prüfstandsversuchen Die Versuchsergebnisse zeigen, dass nicht die Ausgangsrauheit, sondern die Rauheit nach Einglättungen die Auskolkungstiefe des Graufleckenschadens bestimmt. Um dies weiter zu untersuchen, wurde der Versuchslauf einer Variante (Ausgangsrauheit R a =0,8µm, Kopfrücknahme c a =100µm) statt mit Laststufe 5 mit Laststufe 8 gestartet. Diese Laststufe entspricht der Schadenskraftstufe des Schmierstoffs. Eine Einglättung in Laststufen unterhalb der Schadenskraftstufe soll dadurch vermieden werden.

129 5 Versuchsergebnisse 115 Bild 5-5 vergleicht die Profilmessprotokolle nach Versuchsende für die drei Rauheitsvarianten anhand der Radsätze mit einer Kopfrücknahme von c a =100µm. Links und rechts stehen die Diagramme für R a =0,5µm bzw. R a =1,0µm. Diese beiden Versuche starteten mit Laststufe 5. In der Mitte befindet sich das Diagramm für R a =0,8µm, Versuchsstart mit Laststufe 8. Im Bild ist zu erkennen, dass sich bei den drei Rauheitsvarianten kein signifikanter Unterschied zwischen den maximalen Auskolkungstiefen im Bereich des Fußnutzkreises ergibt. Lediglich im Bereich darüber sind leichte Unterschiede erkennbar. Hier zeigt sich beim Versuchsstart mit Laststufe 8 eine etwas tiefere Auskolkung als bei der Variante mit höherer Rauheit und Versuchsstart mit Laststufe 5. Für die Variante mit R a =0,5µm ist in diesem Bereich gar keine Auskolkung zu beobachten. Die Einglättung erfolgt offensichtlich auch bei höheren Belastungen so schnell, dass der Einfluss der Ausgangsrauheit kaum zum Tragen kommt. Dies wird belegt durch die Rauheitsmessung an einem Abguss der Ritzelflanke, der kurz nach Beginn des Versuchs mit der Laststufe 8 erstellt wurde (nach ca Überrollungen). Dieser Abguss wies schon eine deutlich reduzierte Rauheit auf. 7 µm 6 µm 7 µm 8 µm 8 µm 8 µm 10 µm 9 µm 7 µm R a =0,5µm, Start in LS 5, max. Auskolkung 6,7µm R a =0,8µm, Start in LS 8 max. Auskolkung 8µm R a =1,0µm, Start in LS 5 max. Auskolkung 8,7µm Bild 5-5: Profilmessprotokolle für Rauheitsvarianten R a =0,5µm bis 1,0µm, Kopfrücknahme c a =100µm

130 116 5 Versuchsergebnisse Betrag der Kopfrücknahmen Die auftretenden Auskolkungstiefen lassen sich durch die an der Zahnflanke anliegenden Belastungen erklären. Bild 5-6 zeigt die Hertzschen Pressungen für einen unkorrigierten Radsatz in der Laststufe 8, berechnet mit RIKOR [6]. Diese Laststufe entspricht der Schadenskraftstufe des verwendeten Schmierstoffs im Standardtest. Da alle wichtigen Geometrie- und Laufzeitparameter bei den Großgetriebeversuchen denen im Standardtest entsprechen, stellt diese Belastung die Grenze dar, oberhalb der eine signifikante Auskolkung durch Graufleckigkeit zu erwarten ist. Zusätzlich sind im Diagramm die Pressungsverläufe in Laststufe 10 für die verwendeten Korrekturbeträge am Großgetriebe dargestellt. In der Schadenskraftstufe des Schmierstoffs (Laststufe 8) liegt die Pressung im besonders graufleckengefährdeten Fußbereich bei ca. 1050N/mm 2. Bei der Variante mit einer Kopfrücknahme von 50µm liegt die Flächenpressung an der selben Stelle bei 1200N/mm 2, also deutlich höher als die Belastung, die in der Schadenskraftstufe des Schmierstoffs auftritt. Hier war eine deutliche Auskolkung von 28µm zu beobachten. Für die Variante mit Kopfrücknahme 100µm liegt die Belastung im Zahnfuß ungefähr auf demselben Niveau wie die in der Schadenskraftstufe auftretende Belastung. Die Auskolkung geht stark zurück und liegt bei nur noch 7 8µm. Bei einer Korrektur von 170µm sind im Fußbereich keine (Variante R a =0,6µm) bzw. geringe (Variante R a =1,0µm) Auskolkungstiefen vorhanden. Die maximale Auskolkung liegt am Ende des Doppeleingriffsgebietes. Hier ist die Flankenpressung fast 1,5 mal so hoch wie die Pressung, die in der Schadenskraftstufe des Schmierstoffs in dieser Eingriffsstellung auftritt. Allerdings ist dieser Bereich aufgrund der geringeren Gleitgeschwindigkeiten weniger graufleckengefährdet. Es kommen zwei gegenläufige Einflussfaktoren zum Tragen. Die Beobachtung, dass die maximalen Auskolkungstiefen nicht konstant mit steigender Kopfrücknahme abnehmen, sondern dass die beiden Korrekturvarianten c a =100 und 170µm ähnliche Auskolkungstiefen aufweisen, bedeutet also keinen Widerspruch, sondern lässt sich aufgrund der Pressungsverläufe nachvollziehen. Die Lage der maximalen Auskolkungstiefe verlagert sich, wie es nach dem Pressungsverlauf zu erwarten ist.

131 5 Versuchsergebnisse 117 Im Zuge der Berechnung von Auskolkungstiefen nach dem Rechenverfahren nach Schrade finden umfangreiche Berechnungen von Gleitgeschwindigkeiten, Pressungsverläufen und davon abhängigen Größen wie der Schmierfilmdicke statt, die diese Einflüsse auch quantitativ berücksichtigen. Beispiele finden sich im Kapitel A B C D E Hertzsche Pressung [N/mm^2] Bild 5-6: ca=0 µm; LS 08 ca= 50 µm; LS 10 ca=100 µm; LS 10 ca=170 µm; LS Eingriffsstrecke [mm] Hertzsche Pressung über der Eingriffsstrecke in Laststufe 8 (Schadenskraftstufe des Schmierstoffs) und in Laststufe Lage des Auskolkungsmaximums und Art der Kopfrücknahme Einfluss des Flanken-Krümmungsradius Auffällig ist bei allen Rauheitsvarianten die Lage der maximalen Auskolkung bei einer Kopfrücknahme von 170µm. Während bei geringeren Kopfrücknahmen das Maximum im Bereich des Eingriffsbeginns liegt, befindet es sich bei c a =170µm am Übergang zwischen Doppel- und Einzeleingriffsgebiet. Eine Erklärung für die Lage des Maximums oberhalb des Eingriffsbeginns ist im Verlauf der Flächenpressung über der Eingriffsstrecke zu finden. Bei Korrekturbeträgen von 170µm ergibt sich wie bei der Auslegung der Korrektur vorgesehen eine Entlastung am Eingriffsbeginn. Bild 5-7 vergleicht den Pressungsverlauf für Kopfrücknahmen von 50µm und 170µm für die Laststufen 7 und 10. In beiden Laststufen liegt die Pressung am Eingriffsbeginn bei einer Kopfrücknahme von 170µm deutlich unter der Pressung bei einer Kopfrücknahme von 50µm. Etwa auf halber Länge des Doppeleingriffsgebietes kehren sich die Verhältnisse um. Die Pressung bei der stark

132 118 5 Versuchsergebnisse korrigierten Verzahnung steigt zum Ende des Doppeleingriffsgebietes hin deutlich an. Deshalb ist trotz der geringeren Gleitgeschwindigkeiten dort die maximale Auskolkungstiefe zu finden. A B C D E Hertzsche Pressung [N/mm^2] ca=170 µm; LS 07 ca= 50 µm; LS 07 ca=170 µm; LS 10 ca= 50 µm; LS Eingriffsstrecke [mm] Bild 5-7: Pressungsverlauf über der Eingriffsstrecke beim Großgetrieberitzel mit Kopfrücknamen c a =50 und 170µm Neben der nominellen Pressungsüberhöhung kommt der in Kapitel gezeigte Einfluss des "Knicks" am Korrekturbeginn auf die Krümmungsradien zum tragen. Theoretisch ergibt sich für den Rücknahmebetrag von 170µm eine Reduzierung des Ersatzkrümmungsradius auf ca. 50% des Wertes der unkorrigierten Verzahnung. Bei Betrachtung des Ist-Verlaufes der Korrektur, bei dem der Übergang leicht verrundet ist, sinkt der Ersatzkrümmungsradius immer noch auf 65% ab. Der Ersatzkrümmungsradius geht mit dem Exponenten -½ in die Berechnung der Hertzschen Pressung ein, siehe Gleichung (5-1). p F E = n Hertz π b ρ (5-1) 2 ers mit F n Normalkraft am Zahn E Ersatz-Elastizitätsmodul b Zahnbreite ρ ers Ersatz-Krümmungsradius

133 5 Versuchsergebnisse 119 Die Hertzsche Pressung überhöht sich beim Korrekturbeginn aufgrund des auf 65% gesunkenen Krümmungsradius um 25%. Dieser Effekt überlagert sich mit der von RIKOR berechneten Pressungsverteilung, die zwar die Auswirkungen der Korrektur auf die Lastaufteilung im Doppeleingriff berücksichtigt, nicht aber den Effekt der Krümmungsänderung am Korrekturbeginn. Zum experimentellen Vergleich wurde die Variante mit einer langen parabelförmigen Korrektur bei einer Kopfrücknahme von c a =170µm und einer Rauheit von R a =0,8µm ins Versuchsprogramm aufgenommen. Eine parabelförmige Korrektur weist einen stetigen Übergang zwischen Evolvente und Korrektur auf. Im Versuch zeigen sich keine Unterschiede in der Tiefe der maximalen Auskolkung zwischen der linearen und der parabelförmigen Variante. Lediglich an einem Zahn wandert bei der linearen Variante die Lage der maximalen Auskolkung geringfügig in Richtung Zahnfuß (Bild 5-8). Die Form der Korrektur als parabelförmige oder lineare Kopfrücknahme hat also keine nennenswerte Auswirkung auf die Graufleckenentwicklung. Dies steht zunächst im Widerspruch zu der theoretisch zu erwartenden höheren Pressung durch den geringeren Krümmungsradius bei der linearen Korrektur. Es ist in der Praxis allerdings zu beobachten, dass im Laufe der Versuche am Gegenrad im Bereich des Korrekturbeginns Verschleiß auftritt, der den Übergang zwischen Evolvente und Korrektur weiter verrundet. Damit nähern sich der Verlauf der beiden Korrekturformen und die Krümmungsradien in diesem Punkt wieder aneinander an. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Ausführung der Profilkorrektur als lineare oder parabelförmige Kopfrücknahme keinen Einfluss auf die Graufleckenbildung hat. Die Lage der maximalen Auskolkung wandert bei steigenden Beträgen der Kopfrücknahme in Richtung Zahnmitte. Die Ursache hierfür liegt in der Verlagerung der maximalen Hertzschen Pressung in diese Richtung.

134 120 5 Versuchsergebnisse 402,7 Parabelförmige Parabelf;rmige Korrektur Lineare Korrektur 381,2 20 µm 5 mm Ende des Doppeleingriffsgebietes, Beginn der Korrektur am Gegenrad 336,1 Bild 5-8: Profilformabweichung am Ritzel nach Versuchsende bei linearer bzw. parabelförmiger Korrektur R a =0,8µm, c a =170µm Einfluss von Fertigungsabweichungen bei der Kopfrücknahme Das Maximum der Auskolkung liegt bei den meisten Korrekturvarianten im Bereich kurz oberhalb des Fußnutzkreises am Ritzel. Entscheidend für die Belastung dort ist hauptsächlich die Korrektur am Kopf des Rades. Selbstverständlich sind auch die Korrekturen von Fertigungsabweichungen betroffen, allerdings ist die Kopfrücknahme deutlich einfacher zu reproduzieren als die Flankenrauheit. Im folgenden soll untersucht werden, ob eine fehlerhaft gefertigte Kopfrücknahme den Versuchsausgang beeinflusst. Zwei Parameter charakterisieren die an den Radsätzen ausgeführte

135 5 Versuchsergebnisse 121 lange lineare Kopfrücknahme: Der maximale Rücknahmebetrag am Kopf und der Beginn der Korrektur. Letzterer soll bei allen Radsätzen am Übergang zwischen Doppel- und Einzeleingriffsgebiet liegen. Wie in den Messprotokollen in Kapitel zu erkennen ist, beginnt die Kopfrücknahme tatsächlich an diesem Punkt. Der Betrag der Kopfrücknahme bestimmt den Winkel, mit der der korrigierte Flankenteil von der Evolvente abknickt. Dieser Winkel wird ebenfalls gut erreicht. Lediglich unmittelbar am Zahnkopf läuft die ausgeführte Korrektur teilweise bogenförmig aus, hier liegen die Ist-Korrekturbeträge über den Sollwerten. Bild 5-9 zeigt dies anhand der Profilform der Radflanke vor dem Versuch für die Rauheiten R a =0,6 und 1,0µm und einer Soll-Kopfrücknahme von c a =50µm. Die Variante mit R a =1,0µm zeigt ein fast abweichungsfreies Verhalten. Die Abrundung am Zahnkopf ist moderat. Die Variante mit R a =0,6µm weist unter allen verwendeten Zahnrädern die größte Abweichung bei der Kopfrücknahme auf. Das Bild 5-9 zeigt, dass der Korrekturbetrag im mittleren Bereich der Kopfrücknahme etwas zu gering ausfällt. Dafür ist die Abrundung am Ende der Korrektur stark ausgeprägt. Die Auswirkung dieser Fertigungsabweichung zeigt sich am Ritzelfuß. Am Eingriffsbeginn liegt die Pressung bedingt durch die Abrundung niedriger, als es bei der Sollkorrektur der Fall wäre. Nach ca. 3mm auf der Eingriffsstrecke bewirkt die etwas zu geringe Korrektur bei der Rauheitsvariante R a =0,6µm, dass die Pressung leicht über dem Verlauf bei Sollkorrektur liegt. Insgesamt sind die Pressungsunterschiede jedoch relativ gering, die Abweichung bei den Pressungsbeträgen zwischen den beiden Rauheitsvarianten beträgt maximal 1,6% des Nennwertes. Das Beispiel zeigt, dass die auftretenden Fertigungsabweichungen bei der Kopfrücknahme die Versuchsergebnisse nicht unzulässig verfälschen.

136 122 5 Versuchsergebnisse 570,6 50 µm Rad mit R a =0,6 µm 551,9 Rad mit R a =1,0 µm 20 µm 5 mm Hertzsche Pressung [N/mm^2] A B C D E Sollkorrektur 50µm Istkorrektur bei Ra=1,0 Istkorrektur bei Ra=0, Eingriffsstrecke [mm] 508,6 Bild 5-9: Profilformmessprotokoll der Großgetrieberäder mit R a =0,6 und 1,0µm und resultierende Pressungsverläufe, Soll-Kopfrücknahme c a =50µm, vor Versuchsbeginn Schwingungsmessungen Nichtevolventische Bereiche der Zahnflanke, wie sie Kopfrücknahmen darstellen, verändern die Eingriffsverhältnisse und können zu Eingriffsstörungen führen. Solche Eingriffstörungen erhöhen die Dynamik im Getriebe und bewirken eine zusätzliche Belastung der Zahnflanken. Wie in Kapitel erläutert, bewirken Kopfrücknahmen insbesondere im Teillastbereich eine Veränderung der Überdeckung, die aber bei den gewählten Parame-

137 5 Versuchsergebnisse 123 tern nicht zu kritischen Überdeckungen führt. Zusätzliche Informationen, ob in bestimmten Betriebszuständen Eingriffsstörungen zu verstärkter Schwingungsanregung führen, liefert die Messung der Schwingschnelle am Getriebegehäuse. Die Prüfstandssteuerung verwendet diese Kenngröße zur Überwachung der Anlage, um den Prüfstand bei schwerwiegenden Verzahnungsschäden zu stoppen. Die Messstelle liegt auf der Oberseite des Getriebedeckels, der Sensor misst Schwingungen normal zur Deckeloberfläche. Aus der am Gehäuse gemessen Schwingschnelle ergibt sich gemäß Gl. (5-2) der Schnellepegel [18]. Nach Bild 5-10 liegen die Pegelwerte bei allen Korrekturen und Lastzuständen bei ähnlichen Werten. Treten im nichtevolventischen Flankenbereich der Korrekturzone Störungen auf, müssten sich diese bei größerer Korrektur verstärken. Dies ist aber nicht der Fall, eine Beeinflussung der Ergebnisse durch dynamische Effekte ist nicht zu erwarten. L v vˆ = 20 log (5-2) v ˆ0 mit vˆ : Schwingschnelle am Gehäuse; ˆv 0 = m/s: Referenzwert der Schnelle Schnellepegel [db] LS 05 LS 07 LS 06 LS 10 LS 09 LS 08 Kopfrücknahme [µm] Bild 5-10: Schwingschnelle am Getriebegehäuse der korrigierten Verzahnung während des Stufentests (Rauheitsvariante R a =0,5 0,6µm)

138 124 5 Versuchsergebnisse Dauertests Neben den Stufentests, die den Einfluss der Parameter Profilkorrektur und Flankenrauheit untersuchen, geben Dauertests Informationen über den Einfluss der Lastwechselzahl. Der Dauertest erstreckt sich analog zum Standardtest auf über 50 Millionen Überrollungen am Ritzel in Laststufe 10. Dies entspricht der Dauerfestigkeitsgrenze für die Flankentragfähigkeit. Es kamen am Großgetriebe zwei Radsätze mit einer arithmetischen Mittenrauheit R a =1,0µm und Kopfrücknahmen von c a =50 bzw. 170µm zum Einsatz. Der Radsatz mit einer Kopfrücknahme von 50µm lief die 50 Millionen Überrollungen in Laststufe 10 durch. Ein Flankenfoto zeigt Bild 5-11, das Profilmessprotokoll nach Versuchsende ist im Kapitel dokumentiert. Im gesamten Flankenbereich ist Graufleckigkeit zu beobachten, die unterhalb des Wälzkreises stärker ausgeprägt ist als oberhalb. Die maximale Auskolkungstiefe befindet sich in der Nähe des Eingriffsbeginns. Beim Radsatz mit einer Kopfrücknahme von 170µm traten nach ca. 17 Millionen Überrollungen in Laststufe 10 einzelne Grübchen auf, damit endete der Dauertest vorzeitig. Im Bild 5-11 ist ein Flankenfoto mit Grübchen dargestellt (Profilmessprotokoll Kapitel 4.3.1). Die Graufleckigkeit befindet sich hauptsächlich im Bereich unterhalb des Wälzkreises. Oberhalb des Wälzkreises ist ebenfalls Graufleckigkeit zu beobachten, die sich jedoch streifenförmig an den Schleifriefen orientiert und keine geschlossene Fläche bildet. Die maximale Auskolkungstiefe befindet sich, wie schon nach dem Stufentest bei allen Varianten mit c a =170µm zu beobachten, im Bereich des Einzeleingriffspunktes B. Das größte Grübchen erstreckt sich über eine Zone zwischen Einzeleingriffspunkt B und Wälzkreis, dies ist der Bereich in dem die höchsten Hertzschen Pressungen auftreten (vgl. Bild 5-7, Seite 118). Die Sicherheit gegen Grübchenbildung ist bei allen Radsätzen kleiner eins (hier: S H, Ritzel =0,88). Die geringe Sicherheit ist für die Geometrie der Standard-C-Verzahnung gewollt, da diese Verzahnung ursprünglich für Versuche zur Bestimmung der Grübchentragfähigkeit ausgelegt wurde. Generell ist für Grübchenbildung eine hohe Streuung für den Zeitpunkt des Schadenseintritts zu beobachten. Es ist also nicht ungewöhnlich, dass nur bei einem der Dauerläufe Grübchen entstanden sind.

139 5 Versuchsergebnisse 125 Bild 5-11: Flankenfotos der Großgetrieberitzel mit Ausgangsrauheit R a =1,0µm links: Kopfrücknahme c a =50µm; rechts: Kopfrücknahme c a =170µm Bild 5-12 stellt den Verlauf der Auskolkungstiefe im Stufen- und Dauertest an den Großgetrieberitzeln dar. Beim Radsatz mit der Ausgangsrauheit R a =1,0µm und einer Kopfrücknahme von c a =50µm, der den kompletten Dauertest durchlaufen hat, ist ein leicht progressiver Verlauf der Auskolkungstiefe zu erkennen. Die Schadensgrenze für den Dauertest, 100µm, wird hier im fünften Lauf in Laststufe 10 überschritten. Beim zweiten Dauertest zeigt die Variante mit c a =170µm bis zum Abbruch einen Verlauf mit ähnlicher Steigung wie bei der Variante mit 50µm. Bild 5-12: Verlauf der Auskolkungstiefe im Dauertest am Großgetrieberitzel mit Ausgangsrauheit R a =1,0µm und Kopfrücknahme c a =50µm und 170µm

140 126 5 Versuchsergebnisse Das Versuchsprogramm sah von vorneherein aus Zeitgründen nur die zwei oben beschriebenen Dauertests vor. Die Durchführung weiterer Dauertests wäre zur statistischen Absicherung wünschenswert gewesen. Dies war innerhalb der Projektlaufzeit nicht möglich, da nach dem ersten Dauertest am Prüfstand ein Bruch der Ritzelwelle auftrat, der zu weiteren Schäden im Prüfstand führte und eine langwierige Reparatur nach sich zog. Bild 5-13: Wellenbruch am Großgetriebe 5.2 Standardprüfstand Übersicht über die Ergebnisse Das Bild 5-14 fasst die Ergebnisse am Standardprüfstand nach Versuchsende zusammen: Die breiten ausgefüllten Balken stellen die Auskolkungstiefe dar, die schmalen schraffierten Balken die Graufleckenfläche. Die Bilder 5-15 und 5-16 zeigen den Verlauf der Auskolkung und der Graufleckenfläche in den Stufentests. Zusätzlich zum Versuchsprogramm gemäß Tafel 3-2 erfolgten vier Stufentests mit den Standard- C-Verzahnungen für Graufleckentests der Firma ZF Friedrichshafen. Diese Tests

141 5 Versuchsergebnisse 127 dienen zur Bestimmung der Graufleckentragfähigkeit des Schmierstoffs unter Standardbedingungen. Sie ergeben für den Schmierstoff mit sehr guter Reproduzierbarkeit die Schadenskraftstufe 8 (siehe Bild 5-15a). Bild 5-14: Auskolkung und Graufleckenfläche nach Versuchsende am Standardprüfstand (P: parabelförmige Kopfrücknahme, K: Kurze lineare Kopfrücknahme, Std.-C: Standard-C-Verzahnung für Graufleckentests, gefertigt von ZF-Friedrichshafen)

142 128 5 Versuchsergebnisse 22,5 20 Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] 17, ,5 10 7,5 5 2,5 Schadensgrenze Ra=0,95; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,8; ca=0; 17CrNiMo6 Ra=0,45; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,5; ca=0; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,35; ca=0; 17CrNiMo6 Std.-C; Ra=0,5; ca=0; 16MnCr5 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0,95; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,8; ca=0; 17CrNiMo6 Ra=0,45; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,5; ca=0; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,35; ca=0; 17CrNiMo6 Std.-C; Ra=0,5; ca=0; 16MnCr5 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-15a: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Versuche mit Kopfrücknahme c a =0µm Die x-achse zeigt die Laststufen mit der zugehörigen Hertzschen Flächenpressung im Wälzpunkt. Schraffiert sind die Schadensgrenzen des Standard-Graufleckentests eingetragen.

143 5 Versuchsergebnisse ,5 20 Mittlere Auskolkung f fm 17,5 15 f fm [µm] 12,5 10 Schadensgrenze Ra=0,8; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,55; ca=10; 16MnCr5 7,5 Ra=0,5; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=10; 17CrNiMo6 5 2,5 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0,8; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,55; ca=10; 16MnCr5 Ra=0,5; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=10; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-15b: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Versuche mit Kopfrücknahme c a =10µm

144 130 5 Versuchsergebnisse 22,5 20 Mittlere Auskolkung f fm 17,5 15 f fm [µm] 12,5 10 Schadensgrenze Ra=0,8; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,45; ca=20; 16MnCr5 7,5 Ra=0,5; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=20; 17CrNiMo6 5 2,5 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0,8; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,45; ca=20; 16MnCr5 Ra=0,5; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=20; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-15c: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Versuche mit Kopfrücknahme c a =20µm

145 5 Versuchsergebnisse ,5 20 Mittlere Auskolkung f fm 17,5 f fm [µm] 15 12,5 10 7,5 5 2,5 Schadensgrenze Ra=0,8; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=35; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=35 K; 17CrNiMo6 Ra=0,27; ca=35 P; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=35; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0,8; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=35; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=35 K; 17CrNiMo6 Ra=0,27; ca=35 P; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=35; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-15d: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Versuche mit Kopfrücknahme c a =35µm (P: parabelförmige Kopfrückn., K: kurze lineare Kopfrückn.)

146 132 5 Versuchsergebnisse 22,5 20 Mittlere Auskolkung f fm f fm [µm] 17, ,5 10 7,5 5 2,5 Schadensgrenze Ra=0,3; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,3; ca=35 K; 17CrNiMo6 Ra=0,27; ca=35 P; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,35; ca=0; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0,3; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,3; ca=35 K; 17CrNiMo6 Ra=0,27; ca=35 P; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,3; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,35; ca=0; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-16a: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Rauheitsvariante R a ~0,3µm (P: parabelförmige Kopfrückn., K: kurze lineare Kopfrückn.)

147 5 Versuchsergebnisse ,5 f fm [µm] 20 17, ,5 10 7,5 5 2,5 Schadensgrenze Mittlere Auskolkung f fm Std.-C; Ra=0,5; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,5; ca=35; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=20; 16MnCr5 Ra=0,55; ca=10; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=0; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Std.-C; Ra=0,5; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,5; ca=35; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=20; 16MnCr5 Ra=0,55; ca=10; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,45; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,5; ca=0; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-16b: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Rauheitsvariante R a ~0,5µm

148 134 5 Versuchsergebnisse 22,5 20 Mittlere Auskolkung f fm 17,5 15 f fm [µm] 12,5 10 Schadensgrenze Ra=0,95; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,8; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,8; ca=20; 17CrNiMo6 7,5 Ra=0,8; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,8; ca=0; 17CrNiMo6 5 2,5 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Laststufe Flächenpressung [N/mm 2 ] 100 GF [%] Laststufe Graufleckenfläche GF [%] GFT-Klasse niedrig GFT-Klasse mittel GFT-Klasse hoch Ra=0,95; ca=0; 16MnCr5 Ra=0,8; ca=35; 17CrNiMo6 Ra=0,8; ca=20; 17CrNiMo6 Ra=0,8; ca=10; 17CrNiMo6 Ra=0,8; ca=0; 17CrNiMo6 Modul 4,5 mm Öleinspritztemperatur 90 C Flächenpressung [N/mm 2 ] Bild 5-16c: Auskolkung und Graufleckenfläche während des Stufentests am Standardprüfstand, Rauheitsvariante R a ~0,8µm Aus den Versuchen ergeben sich die folgenden Beobachtungen: Die Versuche mit den Standard-C-Verzahnungen weisen ein deutlich schlechteres Graufleckenverhalten als die entsprechenden für dieses Projekt gefertig-

149 5 Versuchsergebnisse 135 ten Radsätze auf (Varianten Ra~0,5µm, keine Kopfrücknahme). Die Versuche mit den Verzahnungen des Forschungsprojektes ergeben eine Schadenskraftstufe von 10, während die Standardräder die Schadenskraftstufe 8 aufweisen. Die beiden verwendeten Radsatzwerkstoffe 16MnCr5 und 17CrNiMo6 weisen bei den direkt vergleichbaren Varianten keine signifikanten Unterschiede auf. Lediglich bei der Variante mit höchster Rauheit ohne Kopfrücknahme zeigen sich deutliche Differenzen. Hierbei ist zu beachten, dass sich beim Radsatz aus 16MnCr5 in der Fertigung eine höhere Rauheit als beabsichtigt eingestellt hat (R a =0,95µm statt R a =0,8µm). Der Radsatz aus 17CrNiMo6 hingegen zeigt eine ausgeprägte Flankenlinienabweichung am Rad, zudem fällt im Bereich des Ritzelfußes die Profillinie in Richtung Zahnmitte ab. Diese beiden Profilformabweichungen wirken wie eine Korrektur: Die Belastung im Fußbereich sinkt. Die unterschiedlichen Fertigungsabweichungen an den beiden Radsätzen wirken sich theoretisch gegenläufig auf die Graufleckentragfähigkeit aus. Zum weiteren Vergleich mit den anderen Varianten wird deshalb hier der Mittelwert der Auskolkungstiefen beider Versuche herangezogen. Steigende Rauheiten führen zu steigenden Auskolkungstiefen und größeren Graufleckenflächen. Bei steigenden Kopfrücknahmebeträgen singt die Auskolkungstiefe zunächst ab, steigt dann bei hohen Korrekturbeträgen wieder an. Bei der Variante mit Ra=0,3µm und c a =35µm tritt so gut wie keine Graufleckigkeit auf. Die folgenden Kapitel vertiefen und erläutern die oben genannten Beobachtungen Einfluss der Flankenrauheit Bei den kleinmoduligen Radsätzen steigen die Auskolkungstiefen und Graufleckenflächen mit zunehmendem arithmetischen Mittenrauhwert an. Dies entspricht den Ergebnissen anderer Untersuchungen und theoretischen Erwartungen. Bild 5-17 vergleicht die Rauheiten vor und nach dem Stufentest.

150 136 5 Versuchsergebnisse Bild 5-17: Arithmetischer Mittenrauhwert der kleinmoduligen Verzahnungen vor und nach den Stufentests (Beschriftung x-achsen: Ra-Vorgabewerte: geplante Sollwerte bei der Herstellung; Ra-Istwerte: in der Fertigung erreichte, gemessene mittlere Rauheit an den Radsätzen)

151 5 Versuchsergebnisse 137 Anders als am Großgetriebe, wo eine Einglättung nach Versuchsende bei den Radsätzen zu gleichen Rauheitsniveaus führt und deshalb bei allen Rauheitsvarianten ähnliche Auskolkungstiefen vorliegen, weisen die kleinmoduligen Radsätze auch nach Versuchsende noch drei unterschiedliche Rauheitsniveaus mit steigenden R a -Werten auf. In den Bildern 5-18 und 5-19 sind die Rauheitskennwerte Schiefe und Kernrauhtiefe vor und nach den Stufentests dargestellt. Die Schiefe nimmt betragsmäßig zu und bleibt negativ. Die Kernrauhtiefe nimmt wie die Mittenrauhwerte ab. Dies deutet darauf hin, dass die Radsätze nach dem Versuch einen stärker ausgeprägten plateauartigen Profilcharakter bekommen. Dies ist plausibel, denn während der Läufe werden zuerst die Rauheitsberge abgetragen, tiefere Riefen bleiben unverändert. Der Zusammenhang zwischen der Schiefe und der Kernrauhtiefe und der gemessenen Auskolkungstiefe wird anhand der Bilder 5-20 und 5-21 diskutiert.

152 138 5 Versuchsergebnisse Bild 5-18: Schiefe der kleinmoduligen Verzahnungen vor und nach den Stufentests (Beschriftung x-achsen: Ra-Vorgabewerte: geplante Sollwerte bei der Herstellung; Ra-Istwerte: in der Fertigung erreichte, gemessene mittlere Rauheit an den Radsätzen)

153 5 Versuchsergebnisse 139 Bild 5-19: Kernrauhtiefe kleinmodulige Verzahnungen vor und nach den Stufentests (Beschriftung x-achsen: Ra-Vorgabewerte: geplante Sollwerte bei der Herstellung; Ra-Istwerte: in der Fertigung erreichte, gemessene mittlere Rauheit an den Radsätzen)

154 140 5 Versuchsergebnisse Im Bild 5-20 ist auf der x-achse die Schiefe aufgetragen, auf der y-achse der arithmetische Mittenrauhwert. Die Korrekturvarianten sind durch unterschiedliche Datenpunkte gekennzeichnet. Die Tiefe der Auskolkung ist durch die Länge des schwarzen Balkens oberhalb der Datenpunkte dargestellt. Im Bild ist keine systematische Abhängigkeit der Auskolkungstiefe von der Schiefe zu erkennen. Z.B. zeigen die beiden Varianten mit einem R a -Wert von ~0,47µm und einer Kopfrücknahme von 20µm mit 5,13µm bzw. 5,33µm nahezu gleiche Auskolkungstiefen, obwohl sich die Schiefe dieser Varianten mit Werten von -0,39 und -0,55 um fast 30% unterscheidet. Auch diese Darstellung belegt, dass die Auskolkungstiefen mit steigenden arithmetischen Mittenrauhwerten zunehmen. Volger [31] zeigt, dass Oberflächen mit ausgeprägten Rauheitsbergen und Profilhochlagen, die durch positive Schiefen charakterisiert sind, sich negativ auf die Graufleckentragfähigkeit auswirken. Im vorliegenden Fall weisen alle Profile eine negative Schiefe auf. Alle Varianten besitzen damit bereits eine günstige Oberflächenstruktur mit wenigen Rauheitsbergen, die stark aus dem Profil herausragen. Die Unterschiede im Betrag des Schiefewertes haben offensichtlich keinen großen Einfluss mehr auf die Auskolkungstiefen. Nach Fritsch [8] ist, wie auch in diesem Forschungsprojekt beobachtet, zunächst die Rauhtiefe entscheidend für die Flankentragfähigkeit. Bei ähnlicher Rauhtiefe nimmt die Flankentragfähigkeit mit größerer negativer Schiefe zu. Sind Rauhtiefe und Schiefe gleich, sind Oberflächen mit kleinerer Steigung der Materialanteilskurve günstiger. Grundlage dieser Beobachtungen sind Radsätze mit unterschiedlichen Fertigungsverfahren. Die Kernrauhtiefe gibt Aufschluss darüber, welcher Anteil des Materials in einem mittleren Bereich des Profils konzentriert ist. Um die drei Rauheitsvarianten vergleichen zu können, wird die Kernrauhtiefe auf die Rautiefe R Z bezogen. Dieser Quotient stellt ein Maß für die Steigung des Kernbereichs der Materialanteilskurve dar (siehe Bild 4-4). Eine flache Steigung ist ein Hinweis auf eine plateauartige Oberfläche mit wenig herausstehenden Rauheitsbergen oder -tälern. Im Bild 5-21 ist auf der x-achse die Steigung der Materialanteilskurve dargestellt, auf der y-achse der Mittenrauhwert, die Länge der Balken oberhalb der Datenpunkte zeigt die Auskolkungstiefe. Im Diagramm sind deutlich die drei Rauheitsvarianten zu

155 5 Versuchsergebnisse 141 unterscheiden. Die Radsätze mit größeren arithmetischen Mittenrauhwerten weisen geringere Steigungen der Materialanteilskurve auf. Ein positiver Einfluss einer geringen Steigung ist nicht festzustellen. Es überwiegt auch hier der Einfluss der Rauhtiefe, mit steigenden Mittenrauhwerten steigt auch die Auskolkungstiefe. ca=0µm 1.75 ca=10µm ca=20µm µm Auskolkung ca=35µm Std.-C; ca=0mm arithmetischer Mittenrauhwert Ra [µm] Schiefe Rsk Bild 5-20: Zusammenhang zwischen Schiefe, arithmetischem Mittenrauhwert und Auskolkungstiefe

156 142 5 Versuchsergebnisse 1.75 ca=0µm ca=10µm ca=20µm µm Auskolkung ca=35µm Std.-C; ca=0mm arithmetischer Mittenrauhwert Ra [µm] Steigung der Materialanteilskurve (Rk/Rz) Bild 5-21: Zusammenhang zwischen der Steigung der Materialanteilskurve (R k /R Z ), arithmetischem Mittenrauhwert und Auskolkungstiefe Einfluss der Profilkorrektur Das Bild 5-22 stellt noch einmal die Auskolkungstiefen an den kleinmoduligen, für das Forschungsprojekt gefertigten Radsätzen dar. Hierbei wurde für die Varianten mit gleicher Rauheit und gleichem Kopfrücknahmebetrag der Mittelwert über die Ergebnisse der Versuche mit Radsätzen aus 16MnCr5 und 17CrNiMo6 aufgetragen. Bei niedriger Rauheit sinkt die Auskolkungstiefe von der Korrekturvariante mit c a =0µm auf 10µm zunächst ab, steigt dann bei einer Korrektur von 20µm wieder an. Bei der Variante mit c a =35µm tritt so gut wie keine Graufleckigkeit auf. Der Anstieg der Auskolkung zwischen der Variante c a =10µm und c a =20µm von 4,1µm auf 5,0µm lässt sich nicht mit dem Pressungsverlauf erklären. Allerdings ist der Unterschied von 0,9µ m sehr gering und kann durch eine Streuung im Versuch oder durch Schwankun-

157 5 Versuchsergebnisse 143 gen in der Radsatzqualität hervorgerufen worden sein (die Variante mit c a =20µm weist einen größeren Profilwinkelfehler auf) Ra=0.33; ca=0 Ra=0.29; ca=10 Ra=0.32; ca=20 Ra=0.27; ca=35 Ra=0.46; ca=0 Ra=0.51; ca=10 Ra=0.47; ca=20 Ra=0.46; ca=35 Ra=0.89; ca=0 Ra=0.82; ca=10 Ra=0.81; ca=20 Ra=0.83; ca=35 Max. Auskolkung [µm]. Ist-Werte Ra vor Versuch [µm] Bild 5-22: Auskolkungstiefen an den kleinmoduligen Ritzeln nach dem Stufentest, Mittelung für Varianten gleicher Rauheit und Kopfrücknahme Das Bild 5-23 zeigt den Verlauf der relativen Schmierfilmhöhe in Abhängigkeit vom Mittenrauhwert und vom Betrag der Kopfrücknahme. Die lokale Schmierfilmhöhe steht als Zwischengröße aus der Berechnung der Auskolkungstiefe zur Verfügung, vgl. Kapitel 6.1. Im Diagramm ist zudem die kritische Schmierfilmhöhe λ GFP für einen Schmierstoff der Schadenskraftstufe 8 dargestellt, bei deren Unterschreitung Graufleckengefährdung vorliegt. Die Variante mit R a =0,3µm und Kopfrücknahme von c a =35µm, die im Versuch nahezu ungeschädigt geblieben ist, liegt sehr deutlich oberhalb dieser Grenze. Die Schmierfilmhöhe reicht aus, um Berührungen von Rauheitsspitzen der kämmenden Zahnflanken zu verhindern. Die Varianten mit niedrigeren Kopfrücknahmen liegen nur knapp oberhalb des Grenzwertes. Hier treten Grauflecken auf. Allerdings bleiben die Auskolkungstiefen deutlich unter der Schadensgrenze von 7,5 µm.

158 144 5 Versuchsergebnisse 0.5 relative Schmierfilmdicke [µm] Ra 0,3 Ra 0, Ra=0,3; ca=00 Ra=0,3; ca=10 Ra=0,3; ca=20 Ra=0,3; ca=35 Ra=0,5; ca=00 Ra=0,5; ca=10 Ra=0,5; ca=20 Ra=0,5; ca=35 lamda_gfp Eingriffsstrecke [mm] Bild 5-23: Relative Schmierfilmhöhe in Abhängigkeit vom Mittenrauhwert und vom Kopfrücknahmebetrag Bei den Varianten mit höheren Rauheiten, wie im Bild für Ra=0,5µm dargestellt, liegen für alle Kopfrücknahmen die relativen Schmierfilmhöhen unterhalb des Grenzwertes, diese Varianten sind also graufleckengefährdet. Bei den Varianten von c a =0 bis c a =20µm liegt eine sinkende Auskolkungstiefe vor, bei c a =35µm steigt die Auskolkungstiefe. Bei diesem Rücknahmebetrag ist die schon beim Großgetriebe beobachtete Verlagerung des Auskolkungsmaximums hin zum Ende des Doppeleingriffsgebietes zu beobachten (vgl. Profilmessprotokolle in Kapitel 4.3.2). Hier gilt, wie schon beim Großgetriebe diskutiert, dass durch den hohen Korrekturbetrag zwar die Pressung am Eingriffsbeginn absinkt, dafür aber die Belastung am Ende des Doppeleingriffsgebietes deutlich höher ist als bei den Varianten mit niedrigen Korrekturbeträgen. Diese Überhöhung wird besonders deutlich, wenn man die Hertzsche Pressung einer Variante mit Kopfrücknahme auf die Pressung der unkorrigierten Variante bezieht. Bild 5-24 zeigt, aufgetragen über der Eingriffsstrecke, das Verhältnis p H Korrektur ca /p H unkorrigiert. Die Pressung der Variante mit einem Kopfrücknahmebetrag von c a =35µm liegt am Eingriffsbeginn nur bei 65% der Pressung der unkorrigierten Variante. Dies wirkt sich direkt auf die relative Schmierfilmhöhe aus, die Hertzsche Pressung geht umgekehrt proportional in die Schmierfilmhöhe ein. Im Bild 5-25 ist das Verhältnis der Schmierfilmhöhen der Radsätze mit Korrektur zu

159 5 Versuchsergebnisse 145 den Schmierfilmhöhen am Radsatz ohne Korrektur über der Eingriffsstrecke aufgetragen. 1.2 Verhältnis Hertz. Pressung ca=00µm 0.8 ca=10µm 0.7 ca=20µm ca=35µm Eingriffstrecke [mm] Bild 5-24: Verlauf der Hertzschen Pressung der korrigierten Radsätze bezogen auf die Pressung ohne Korrektur Verhältnis rel. Schmierfilmhöhe ca=00µm ca=10µm 1.2 ca=20µm 1.1 ca=35µm Eingriffstrecke [mm] Bild 5-25: Verlauf der relativen Schmierfilmhöhe der korrigierten Radsätze bezogen auf die Schmierfilmhöhe ohne Korrektur Schrade [30] hat nach Auswertungen vieler Graufleckenversuche einen Zusammenhang zwischen Auskolkungstiefe und spezifischem Gleiten, Hertzscher Pressung, Hertzscher Abplattungsbreite und Schmierfilmhöhe aufgestellt. Dieser Zusammenhang bildet die Grundlage für das Rechenverfahren zur Graufleckentragfähigkeit. Die Größen Hertzsche Pressung, Hertzsche Breite und relative Schmierfilmhöhe sind vom Korrekturbetrag abhängig. Da die Hertzsche Breite direkt von der Hertzschen Pres-

160 146 5 Versuchsergebnisse sung abhängt, ist das Verhältnis der Werte für die korrigierten Varianten bezogen auf die unkorrigierte Variante identisch mit dem Verhältnis der Hertzschen Pressung. Die Größen Hertzsche Pressung, Hertzsche Breite und relative Schmierfilmhöhe für die korrigierten Varianten bezogen auf die unkorrigierte Variante lassen sich gemäß Gleichung (5-3) zu einer Kenngröße für den Korrektureinfluss zusammenfassen. Dabei werden die einzelnen Größen gemäß der von Schrade ermittelten Exponenten gewichtet (vgl. Kapitel 1.3). b b 0,25 H, Korrektur ca H,Korrekur ca Korrektur ca V = (5-3) H,unkorrigiert p p H,unkorrrigiert λ λ unkorrigiert 1.25 Im Bild 5-26 ist dieses Verhältnis dargestellt. Im Zusammenspiel aller korrekturabhängigen Faktoren liegt die Variante mit c a =35µm nur bei 40% des Wertes der unkorrigierten Verzahnung. Im Bereich kurz vor dem Ende des Doppeleingriffsgebietes liegt dieser Wert V für c a =35µm 30% oberhalb des Wertes V der unkorrigierten Variante. Relativiert wird dieser Effekt durch den starken betragsmäßigen Abfall des spezifischen Gleitens in Richtung Wälzkreis. Die Gleitgeschwindigkeit am Ende des Doppeleingriffsgebietes liegt nur noch bei 20% des Wertes am Eingriffsbeginn. Setzt man einen gleichgewichteten Einfluss von lastabhängigen Faktoren und der Gleitgeschwindigkeit voraus, lässt sich der Effekt steigender Auskolkung bei Vergrößerung der Korrektur von 20 auf 35µm nicht erklären. Möglicherweise wirkt sich hier zusätzlich eine Reduzierung des Krümmungsradius durch die Korrektur aus, wie sie schon für die Großgetrieberadsätze in Abschnitt gezeigt wurde.

161 5 Versuchsergebnisse Verhältnis Pressungseinfluss ca=00µm 0.6 ca=10µm ca=20µm 0.4 ca=35µm Doppeleingriffsgebiet 0.2 Doppeleingriffsgebiet Eingriffstrecke [mm] spezifische Gleitgeschwindigkeit Ritzel -3.0 Rad -3.5 Doppeleingriffsgebiet -4.0 Doppeleingriffsgebiet Eingriffstrecke [mm] Bild 5-26: Verhältnis der korrekturabhängigen Einflussgrößen für die Korrekturvarianten bezogen auf die Variante ohne Korrektur (oben) und Verlauf des spezifischen Gleitens über die Eingriffsstrecke (unten) Werkstoffuntersuchungen und Rasterlektronenmikroskopaufnahmen Neben der Vermessung der Verzahnung im Hinblick auf Profilform und Flankenrauheit erfolgt eine Untersuchung des Werkstoffs. Die normgerechte Zusammensetzung der Werkstofflegierung wurde vom Lieferanten bescheinigt. Beim Hersteller der Verzahnungen erfolgte eine Prüfung auf Schleifbrand und Schleifrisse. Eine mitlaufende Couponprobe dient zur Kontrolle der Einhärtetiefe. Da für die Standard-C- Verzahnungen, die über den Handel bezogen wurden, keine Couponproben vorliegen, und Untersuchungen wie Härteverlaufsprüfung oder Gefügebilder nicht zerstörungsfrei angefertigt werden können, müssen diese Untersuchungen an gelaufenen Radsätzen nach Versuchsende stattfinden. Da speziell die kleinmoduligen Radsätze uner-

162 148 5 Versuchsergebnisse wartete Ergebnisse aufweisen (hier zeigen die für diese Arbeit gefertigten Radsätze deutlich geringere Schäden als die Standard-C-Verzahnungen) liegt der Focus der Untersuchung auf dieser Baugröße. Härteprüfung Die geforderte Einhärtetiefe für die kleinmoduligen Verzahnungen liegt bei 0,8-1,0mm. Die Bilder 5-27 bis 5-29 zeigen die Verläufe einer Microhärtemessung (HV0,1) für eine Standard-C-Verzahnung (laufende Radsatznummer 1164) und je einer für diese Arbeit gefertigten Verzahnung aus 16MnCr5 und 17CrNiMo6. Tafel 5-1 listet die gemessenen Randhärten und Härtetiefen auf. Die Standardverzahnung weist eine geringfügig niedrigere Einhärtetiefe auf. Tafel 5-1: Vergleich der Härtekennwerte Radsatz Randhärte Einhärtetiefe Standard-C-Verzahung der Firma ZF Friedrichshafen, 16MnCr5 Für diese Arbeit gefertigte Radsätze, 16MnCr5 Für diese Arbeit gefertigte Radsätze, 17CrNiMo6 645 HV0,1 0,7 0,8mm 615 HV0,1 0,9mm 640 HV0,1 0,8 0,9mm Standard-C-Verzahnung, 16MnCr5 Härte HV 0, Rechtsflanke (nach Dauertest) Linksflanke (nach Stufentest) 550 HV Tiefe [mm] Bild 5-27: Härteverlauf bei einer Standard-C-Verzahnung (R a =0,5µ m, Linksflanke: c a =0µ m, nach Stufentest - Rechtsflanke c a =0µ m, nach Dauertest)

163 5 Versuchsergebnisse 149 Härte HV 0, Radsatz aus 16MnCr5 (Radsatz 8) Rechtsflanke (nicht gelaufen) Linksflanke (nach Stufentest) HV 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Tiefe [mm] Bild 5-28: Härteverlauf bei einem für diese Arbeit gefertigten Radsatz aus 16MnCr5 (R a =1,0µ m, Linksflanke: c a =0µ m, nach Stufentest - Rechtsflanke nicht gelaufen) Härte HV 0, Radsatz aus 17CrNiMo6 (Radsatz 5) Rechtsflanke (nach Stufentest) Linksflanke (nach Stufentest) 550 HV Tiefe [mm] Bild 5-29: Härteverlauf bei einem für diese Arbeit gefertigten Radsatz aus 17CrNiMo6 (R a =0,3µ m, Linksflanke: c a =10µ m, nach Stufentest - Rechtsflanke c a =20µ m, nach Stufentest) Das Gefüge zeigt eine normale Struktur, es sind keine auffälligen Einschlüsse oder Fehlstellen vorhanden (Bild 5-30 bis 5-32). Anhand der Schliffbilder erscheint der Restaustenitgehalt bei den für diese Arbeit gefertigten Radsätzen etwas höher als beim Standardradsatz. Dies bestätigen Messungen mit einem Röntgendiffraktometer, siehe Tafel 5-2. Der Restaustenitgehalt liegt bei der Standardverzahnung bei 9%, bei

164 150 5 Versuchsergebnisse den für diese Arbeit gefertigten Radsätzen bei 15-18% (gemessen an Zahnflanken nach dem Stufentest). Aus bisherigen Erfahrungen wirkt sich Restaustenit positiv auf die Graufleckentragfähigkeit aus [27]. Die Messwerte liegen unterhalb des für die Standard-C-Verzahnung geforderten maximalen Wertes für den Restausternitgehalt von 20%. Tafel 5-2: Restaustenitgehalt Radsatz Standard-C-Verzahung der Firma ZF Friedrichshafen, 16MnCr5 Für diese Arbeit gefertigte Radsätze, 16MnCr5 Für diese Arbeit gefertigte Radsätze, 17CrNiMo6 Restaustenitgehalt [Vol%] 9% 15% 18% Bild 5-30: Gefüge bei einer Standard-C-Verzahnung aus 16MnCr5 (R a =0,5µ m, c a =0µ m, nach Stufentest)

165 5 Versuchsergebnisse µm Bild 5-31: Gefüge bei einem für diese Arbeit gefertigten Radsatz aus 16MnCr5 (R a =1,0m, c a =0µ m, nach Stufentest) 20µm Bild 5-32: Gefüge bei einem für diese Arbeit gefertigten Radsatz aus 17CrNiMo6 (R a =0,3µ m, c a =10µ m, nach Stufentest) Rasterelektronenmikroskopaufnahmen Aufnahmen der Zahnflanken unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) zeigen die Graufleckenschäden im Detail. Im Folgenden sind beispielhaft drei Zahnflanken nach

166 152 5 Versuchsergebnisse dem Stufentest dargestellt. Bild 5-33 zeigt die Flanke einer Standard-C-Verzahnung nach dem Stufentest. Sowohl oberhalb wie auch unterhalb des Wälzkreises sind Grauflecken zu erkennen (R a =0,5µm). Im Bereich unterhalb des Wälzkreises ist die Flanke komplett mit Grauflecken bedeckt, es sind keine Schleifriefen der ursprünglichen Oberfläche mehr zu erkennen. Im Bereich oberhalb des Wälzkreises sind noch Schleifriefen zu erkennen, aber auch hier befindet sich starke Graufleckigkeit. Im Bild 5-34 ist eine für diese Arbeit gefertigte Verzahnung mit einer Ausgangsrauheit von R a =1,0µm und Kopfrücknahme c a =0µm aus 16MnCr5 dargestellt. Der Bereich zwischen Fußnutzkreis und Wälzkreis ist vollständig mit Grauflecken bedeckt, während oberhalb des Wälzkreises das Schliffbild in Bereichen mit Profiltieflagen erhalten geblieben ist. Unterhalb des Fußnutzkreises, wo kein Kontakt mit der Gegenflanke erfolgt, ist das Schliffbild im Ursprungszustand zu erkennen. Bild 5-35 zeigt einen Radsatz aus 17CrNiMo6 mit R a =0,3µm und Kopfrücknahme c a =10µm. Dieser Radsatz weist nur einen geringen Graufleckenschaden auf, der sich oberhalb des Fußnutzkreises befindet. Auf der restlichen Flanke sind die Schleifriefen noch gut zu erkennen. Allerdings findet auch hier ausgehend von den Rauheitsbergen eine Plateaubildung statt. An einzelnen dieser abgeplatteten Rauheitsberge sind erste Grauflecken-Ausbrüche zu erkennen. Beim Vergleich der REM-Bilder fällt auf, dass bei der Standardverzahnung die verbleibenden Riefen in unterschiedlicher Neigung auf der Oberfläche verlaufen. Somit ergibt sich teilweise eine kreuzförmige Riefenstruktur. Da diese Riefen nicht der Abrollbewegung des Zahnradpaares folgen, können sie nicht während des Laufs entstanden sein, sondern müssen aus dem Schleifprozess herrühren. Dies bestätigt eine Aufnahme an einem neuen, ungelaufenem Zahnrad, das ebenfalls kreuzförmige Riefen aufweist (Bild 5-36). Bei den für diese Arbeit gefertigten Verzahnungen verlaufen die Riefen zueinander parallel. Möglicherweise ist dies eine Ursache für die schlechtere Graufleckentragfähigkeit der Standardradsätze gegenüber den anderen Verzahnungen: Kreuzende Riefen schneiden die Rauheitsberge an, es entstehen ungünstigere Kerbverhältnisse als bei durchgehenden Riefen. Die Entstehung von Anrissen wird dadurch begünstigt.

167 5 Versuchsergebnisse 153 Bild 5-33: Rasterelektronenaufnahmen einer Standard-C-Verzahnung aus 16MnCr5 (R a =0,5µ m, c a =0µ m, nach Stufentest)

168 154 5 Versuchsergebnisse Bild 5-34: Rasterelektronenaufnahmen eines für diese Arbeit gefertigten Radsatzes aus 16MnCr5 (R a =1,0µ m, c a =0µ m, nach Stufentest)

169 5 Versuchsergebnisse 155 Bild 5-35: Rasterelektronenaufnahmen eines für diese Arbeit gefertigten Radsatzes aus 17CrNiMo6 (R a =0,3µ m, c a =10µ m, nach Stufentest)

170 156 5 Versuchsergebnisse Bild 5-36: Rasterelektronenaufnahme einer Standard-C-Verzahnung aus 16MnCr5 (R a =0,5µ m, c a =0µ m) im Neuzustand Anhand von Querschliffen ist das typische Schadensbild graufleckiger Verzahnungen zu beobachten: Risse, die in einem Winkel von ca. 25 entgegen der wirkenden Reibkräfte verlaufen und nur geringe Tiefe erreichen. An diesen Rissen brechen winzige Materialstücke aus, es entstehen die für die Graufleckigkeit typischen Mikroporen. Bild 5-37: Querschliff (REM-Aufnahme, Bereich zwischen Wälzkreis und Fußnutzkreis)