Tragfähigkeit von Schneckengetrieben beim Einsatz von lebensmittelverträglichen Schmierstoffen mit Kontamination von Wasser

RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM FAKULTÄT FÜR MASCHINENBAU Institut: Product and Service Engineering Schriftenreihe Heft 13.3 Marwin Geuß Tragfähigkeit von Schneckengetrieben beim Einsatz von lebensmittelverträglichen Schmierstoffen mit Kontamination von Wasser Lehrstuhl für Industrie- und Fahrzeugantriebstechnik Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge

RUHR-UNIVERSITÄT BOCHUM FAKULTÄT FÜR MASCHINENBAU Institut: Product and Service Engineering Schriftenreihe Heft 13.3 Marwin Geuß Tragfähigkeit von Schneckengetrieben beim Einsatz von lebensmittelverträglichen Schmierstoffen mit Kontamination von Wasser Lehrstuhl für Industrie- und Fahrzeugantriebstechnik Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge

Tragfähigkeit von Schneckengetrieben beim Einsatz von lebensmittelverträglichen Schmierstoffen mit Kontamination von Wasser Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur der Fakultät für Maschinenbau der Ruhr-Universität Bochum von Dipl.-Ing. Marwin Geuß aus Wuppertal Bochum 2013

Herausgeber: Institut: Product and Service Engineering Fakultät für Maschinenbau Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum Dissertation: Referent: Korreferent: Prof. i. R. Dr.-Ing. W. Predki Prof. Dr.-Ing. P. Tenberge Tag der Einreichung: 02. April 2013 Tag der mündlichen Prüfung: 30. April 2013 2013 Institut: Product and Service Engineering Ruhr-Universität Bochum Alle Rechte vorbehalten ISBN 3-89194-207-9

Vorwort Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Industrie- und Fahrzeugantriebstechnik der Ruhr-Universität Bochum, ehemals Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Kraftfahrzeuge (LMGK). Mein Dank gilt Herrn Prof. Predki für das entgegengebrachte Vertrauen und die daraus resultierende Freiheit bei der Durchführung meiner Forschungstätigkeiten. Herrn Prof. Tenberge danke ich für die Übernahme des Korreferates. Herrn Prof. Eifler danke ich für die Übernahme des Vorsitzes. Der Forschungsgemeinschaft Antriebstechnik e.v. und insbesondere dem Arbeitskreis Schneckengetriebe möchte ich für die Förderung der Arbeit danken. Die fachlichen Diskussionen und fast schon legendären Abendveranstaltungen werden mir in sehr guter Erinnerung bleiben. Weiter möchte ich meinen studentischen Hilfskräften für die zuverlässige Unterstützung danken - die Betreuung der Prüfstände und damit verbundene sehr öllastige Arbeit haben wir gemeinsam bestritten. Der Institutswerkstatt möchte ich für die tatkräftige Unterstützung danken. Ohne diesen Support wäre die Durchführung der experimentellen Untersuchungen zur Erstellung meiner Arbeit nicht möglich gewesen. Ganz besonders möchte ich den Assistenten danken, mit denen ich während der Zeit am Lehrstuhl arbeiten durfte. Mir wird das kollegiale und freundschaftliche Verhältnis unter den Assistenten sehr gut in Erinnerung bleiben. Vor allem die morgendliche Teestunde und das regelmäßige Mittagessen in der Mensa. Hier konnte der aktuelle Gesprächsstoff des Lehrstuhls - fachlich wie nicht fachlicher Natur - gebührend besprochen und analysiert werden. Aus der Zeit am Lehrstuhl sind tolle Freundschaften entstanden. Ein außerordentlicher Dank geht an meine liebe Familie, die mich während der gesamten Zeit in jeglicher Hinsicht unterstützt hat. Den größten Antrieb und die größte Unterstützung habe ich jedoch von meiner Freundin Mimi erhalten. Sie konnte mir in all den angespannten Situationen Freude schenken. Hattingen, im Juli 2013 Marwin Geuß

Kurzfassung Kurzfassung Schneckengetriebe finden in der Lebensmittelproduktion oft mittelbar oder unmittelbar Anwendung. Hier ist der Einsatz lebensmittelverträglicher Schmierstoffe unerlässlich. Die hohen Reinheitsanforderungen in der Produktion von Lebensmitteln bedürfen einer regelmäßigen Reinigung der Produktionsanlagen mit Wasser. Auch ein stetiger Einsatz in nasser Umgebung ist möglich. Durch Wellendichtringe und Entlüftungseinrichtungen kann im Schmierstoff so eine nennenswerte Menge an Wasser angesammelt werden. Bisher ist der Einfluss einer Kontamination lebensmittelverträglicher Schmierstoffe in Schneckengetrieben nicht bekannt. Für die vorliegende Arbeit wurden Laufversuche mit lebensmittelverträglichen Schmierstoffen bei Kontamination durchgeführt. In den Untersuchungen kam ein Schneckengetriebe mit einem Achsabstand von a = 100 mm und einer Übersetzung von i = 20,5 zum Einsatz. Getestet wurde die Verschleiß- und Grübchentragfähigkeit bei Einsatz kontaminierter Schmierstoffe. Als Versuchsöle kamen drei Polyglykole, davon zwei wasserlösliche, ein wasserunlösliches und ein Polyalphaolefin zum Einsatz. Die Verschleißversuche sind bei zwei Antriebsdrehzahlen n 1 = 60 min -1 und n 1 = 1500 min -1 durchgeführt worden. Der Wassergehalt wurde zwischen 0 % und 5 % variiert. Bei den Grübchenversuchen sind Wassergehalte von 1 % und 2,5 % untersucht worden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Kontamination das Verschleißverhalten verändert. Kontaminationen von > 1 % und hohe Öltemperaturen > 60 C führen zu einer Zunahme des Verschleißes am Schneckenrad. Mit steigendem Wassergehalt und / oder steigender Öltemperatur nimmt die Betriebsverschleißrate deutlich zu. Das Verhalten ist für wasserlösliche und wasserunlösliche Schmierstoffe unterschiedlich. Wasserlösliche Schmierstoffe zeigen deutlich stärkere Steigerungen der Betriebsverschleißrate als wasserunlösliche Schmierstoffe. Ein Einfluss einer Kontamination auf die Grübchentragfähigkeit konnte nicht festgestellt werden. Bei allen eingesetzten Schneckenwellen zeigt sich nach den Versuchen zum Teil deutlich Korrosion in- und außerhalb des Zahneingriffes. An der Schneckenverzahnung konnten nach einigen Versuchen Risse festgestellt werden. Die eingesetzten Lager zeigen Korrosionsschäden. Die Schmierstoffe weisen bei Kontamination eine Viskositätsänderung auf. Basierend auf den Ergebnissen der Versuche ist ein gängiges Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Verschleißsicherheit so angepasst worden, dass hier eine Kontamination des Schmierstoffes mit Wasser berücksichtigt werden kann. Auf Basis der Öluntersuchungen ist ein Berechnungsverfahren entwickelt worden, mit dem die kinematischen Viskositäten des Frischöls in Abhängigkeit des Wassergehaltes für die eingesetzten Schmierstoffe berechnet werden können. Die dokumentierten Schadensbilder zeigen, wie sich eine Kontamination auf die Bauteile eines Schneckengetriebes auswirken kann. Dem Hersteller von Schneckengetrieben bieten die gefundenen Ergebnisse einen Überblick über die Auswirkungen einer Kontamination des Schmierstoffes mit Wasser. Die Ergebnisse erleichtern die Analyse der Schadensursache, die eventuell infolge einer Kontamination entstanden sind. Weiter kann bei Kenntnis einer Kontaminationsgefährdung der Einfluss abgeschätzt und ein passender Schmierstoff ausgewählt werden.

Summary Summary Worm gears are very common in food production facilities. Here, the use of food-compatible lubricants is essential. Due to the demanding hygiene requirements, food production facilities must be cleaned with water. The operation in permanently wet environments is also possible. Through shaft seals and ventilation systems, a considerable amount of water can accumulate in the lubricant. Until now, it is still unknown if food-compatible lubricant s performance in worm gears is affected by contamination. For this thesis, trial runs with contaminated food-compatible lubricants were carried out. The tested worm gears were characterized by an axial distance of a = 100 mm and a gear ratio of i = 20.5. The scope of the test was to measure the wear resistance and the pitting load capacity with contaminated lubricants. Three polyglycols were examined, with two being water-soluble and the third being water-insoluble. In addition a polyalphaolefin was tested. The wear resistance tests were carried out with two drive speeds n 1 = 60 min -1 and n 1 = 1500 min -1. The water content was varied between 0 % and 5 %. In the pitting load capacity tests, water contents of 1 % and 2.5 % were examined. The results show that contamination affects the wear resistance. Contaminations of > 1 % and high oil temperatures > 60 C lead to an increased wear of the worm drive. With an increasing water content and/or an increasing oil temperature, the wear considerably increases. The performance of water-soluble and water-insoluble lubricants differs: Water-soluble lubricants show a significantly higher increase of wear than water-insoluble lubricants when contaminated. An impact of the contamination on the pitting load capacity could not be determined. All tested worm gears showed corrosion inside and outside the tooth meshing. Some tests led to macroscopic cracks in the worm gearing. The tested bearings show corrosion damage. Contaminated lubricants have a different viscosity than uncontaminated lubricants. Based upon the findings of the tests, a common calculation method for evaluating the wear resistance was adapted, considering the contamination of the lubricant with water. Regarding the results of the oil tests, a calculation method was developed to evaluate the kinematic viscosities of the tested fresh oil as a function of the water content. The documantation of accured damages shows how a contamination can affect the components of a worm gear. Manufacturers of worm gears can use the test results as an overview of the effect of water contamination on lubricants. The results facilitate the analysis of the damage cause, which might result from a contamination. Furthermore, hazard awareness can help to estimate the influence of a contamination and select a suitable lubricant.

Inhaltsverzeichnis I Inhalt 1 Einleitung... 1 1.1 Problemstellung... 2 1.2 Ausgangssituation... 3 1.3 Zielsetzung / Lösungsweg... 3 2 Stand der Forschung... 5 2.1 Bisherige Forschungsergebnisse... 5 2.2 Bisherige Arbeiten an der Forschungsstelle... 14 3 Experimentelle Untersuchungen... 17 3.1 Prüfstände... 17 3.1.1 Prüfstand I... 17 3.1.2 Prüfstand II... 20 3.1.3 Prüfstand III... 21 3.1.4 Fehlerabschätzung... 23 3.2 Prüfgetriebe... 24 3.3 Prüfradsätze... 26 3.3.1 Geometrie... 26 3.3.2 Werkstoffe... 29 3.3.3 Verzahnungsqualitäten... 32 3.4 Schmierstoffe... 34 3.5 Richtlinien Lebensmittelverträglicher Schmierstoffe... 37 3.6 Verschleißversuche... 37 3.6.1 Versuchsumfang... 38 3.6.2 Versuchsdurchführung... 38 3.7 Grübchenversuche... 40 3.7.1 Versuchsumfang... 41 3.7.2 Versuchsdurchführung... 41 3.8 Variantenversuche... 42 3.8.1 Verhalten bei Sumpfschmierung... 42 3.8.2 Versuche zu schwingungsbehafteten Betrieb... 43 3.9 Auswertparameter... 45 3.9.1 Verschleiß... 45 3.9.2 Wirkungs- und Verlustgrade... 48 3.9.3 Zahnreibungszahlen und Verzahnungswirkungsgrad... 48

II Inhaltsverzeichnis 3.9.4 Verschleißintensität... 50 3.9.5 Temperaturen... 55 3.9.6 Grübchen... 55 3.9.7 Volumenanteil der Kontamination... 59 3.9.8 Viskositäten... 59 4 Theoretisches Modell zu Einflüssen von Wasser-in-Öl... 63 4.1 Wechselwirkung Schmierstoff / Wasser... 63 4.1.1 Polyglykole... 63 4.1.2 Polyalphaolefine... 67 4.1.3 Additive... 68 4.1.4 Viskosität... 70 4.1.5 Viskositäts-Druck-Koeffizient... 70 4.2 Chemisch-werkstofftechnischer Einfluss... 72 4.2.1 Grundlagen der Korrosion von Metallen... 72 4.2.2 Wasserstoffversprödung... 75 4.3 Tribologischer Einfluss... 79 4.3.1 Auftreten von Wasser im Kontaktbereich... 79 5 Versuchsergebnisse... 81 5.1 Verschleißversuche... 81 5.1.1 Betriebsverschleißrate... 82 5.1.2 Verschleißintensitäten... 98 5.1.3 Wirkungsgrad... 104 5.1.4 Temperaturen... 113 5.1.5 Zahnreibungszahl... 115 5.2 Grübchenversuche... 121 5.2.1 Grübchenversuche bei einer Kontamination von 1 %... 121 5.2.2 Grübchenversuche bei einer Kontamination von 2,5 %... 122 5.2.3 Vergleich der Grübchenversuche... 125 5.3 Variantenversuche... 127 5.3.1 Betrieb mit Sumpfschmierung... 127 5.3.2 Untersuchungen zu schwingungsbehaftetem Betrieb... 129 5.4 Schäden an der Schneckenwelle... 134 5.4.1 Schneckenzahnriss / -bruch... 134 5.4.2 Korrosion der Schneckenflanke... 140 5.5 Lagerschäden... 143 5.6 Untersuchungen der Ölveränderungen... 145 5.6.1 Kinematische Viskosität... 147 5.6.2 Viskositätsindex... 154

Inhaltsverzeichnis III 5.6.3 Verunreinigungen... 155 5.6.4 Verunreinigungen durch Verschleiß... 156 5.6.5 Additive... 160 5.6.6 Zusammenfassung der Öluntersuchungen... 165 6 Berechnungsgrundlagen... 167 6.1 Verschleiß... 167 6.2 Grübchen... 173 6.3 Kinematische Viskosität... 174 6.4 Mittlere Zahnreibungszahl... 181 7 Hinweise für die Praxis... 185 8 Zusammenfassung... 187 9 Formelzeichen... 189 10 Literatur... 195

1 Einleitung 1 1 Einleitung Schneckengetriebe bilden mit den Schneckenschraubrad- und Schraubradgetrieben die Familie der Schraubwälzgetriebe. Bei Schneckengetrieben besteht der Radsatz aus einem globoidischen Schneckenrad und einer zylindrischen Schnecke, wobei auch diese globoidisch ausgeführt werden kann. Bild 1.1 zeigt eine typische Schneckenverzahnung. Bild 1.1: Schneckenverzahnung Schneckengetriebe weisen vielfältige Vorteile auf, so dass sie in einem breiten Gebiet der Antriebstechnik Anwendung finden. Hohe Übersetzungen von bis zu i = 80 können in einer Verzahnungsstufe realisiert werden. Die wenigen bewegten Bauteile führen zu einer niedrigen Massenträgheit und erhöhen die Ausfallsicherheit. Hinsichtlich einer umweltbewussten Auslegung des Antriebsstranges sind Schneckengetriebe aufgrund ihrer hohen Gleitanteile sowie hohen Verzahnungsüberdeckung äußerst geräuscharm. Schneckengetriebe lassen sich mit geringen oder auch einstellbaren Verzahnungsspielen herstellen, daher können diese auch für präzise Positionierungsaufgaben eingesetzt werden. Die zwischen Schneckenrad und Schnecke herrschende Linienberührung führt dazu, dass mit Schneckengetrieben Leistungen von bis zu 1000 kw und Ab-

2 1 Einleitung triebsdrehmomente von über 350.000 Nm durchgesetzt werden können. Weiter zeichnen sie sich durch eine hohe Überlastsicherheit und mögliche hohe Anfahrmomente aus. Je nach Auslegung sind Selbsthemmung und Selbstbremsung möglich. So kann auf eine zusätzliche Bremse im Antriebsstrang verzichtet werden. Die hohen Gleitanteile machen es notwendig, dass eine fressunempfindliche Werkstoffpaarung eingesetzt wird. Daher eignen sich fressempfindliche Werkstoffpaarungen wie zum Beispiel Stahl / Stahl nicht gut für Schneckengetriebe. Für gewöhnlich besteht das Schneckenrad aus einer Bronze-Legierung und die Schnecke aus einem einsatzgehärteten Stahl, um eine solche weich / harte Werkstoffpaarung zu realisieren. Der weiche Werkstoff am Schneckenrad wirkt sich negativ auf dessen Festigkeit aus. Außerdem sind die Materialkosten für die eingesetzte Bronze im Vergleich zu gewöhnlichen Stahlwerkstoffen höher. In den letzten Jahren konnte durch gezielte Optimierung die Leistungsfähigkeit von Schneckengetrieben immer weiter erhöht werden. Die durchsetzbaren Leistungen und Wirkungsgrade sind gestiegen - gleichzeitig ist der Verschleiß deutlich gesenkt worden. Dies ist vor allem auf die intensive Forschung auf dem Gebiet der Schneckengetriebe zurück zu führen. Werden Getriebe an ihrer Leistungsgrenze betrieben, machen sich Veränderungen des Schmierstoffes durch Alterung oder Kontamination, zum Beispiel durch Wasser, schnell negativ bemerkbar. 1.1 Problemstellung Schneckengetriebe finden in der Lebensmittelproduktion oft mittelbar oder unmittelbar Anwendung. Hier ist der Einsatz lebensmittelverträglicher Schmierstoffe unerlässlich. Die Leistungsfähigkeit solcher Schmierstoffe konnte das abgeschlossene FVA-Vorhaben Nr. 350I [K2] nachweisen. Die hohen Reinheitsanforderungen in der Produktion von Lebensmitteln bedürfen einer regelmäßigen Reinigung der Produktionsanlagen mit Wasser und zugesetzten Reinigern. Auch ein stetiger Einsatz in nasser Umgebung ist möglich. Durch Wellendichtringe und Entlüftungseinrichtungen kann im Schmierstoff eine nennenswerte Menge an Wasser angesammelt werden. Das Streben nach einem optimalen Einsatz und einer maximalen Lebensdauer von Schneckengetrieben bedingt die Untersuchung und Beschreibung der ölverunreinigenden Einflüsse durch Wasser. In der Praxis treten zum Beispiel bei Flaschenabfüllanlagen oder bei Zentrifugen bzw. Separatoren in der Molkerei hohe Wassergehalte in Schneckengetrieben auf. Die Auswirkungen einer solchen Kontamination des Schmierstoffes sind bei Schneckengetrieben bisher unbekannt. Aufgrund der speziellen Werkstoffpaarung Stahl / Bronze und dem hohen Gleitanteil in der Verzahnung unterscheiden sie sich grundlegend von Stirnradverzahnungen. Bisher bestehen Unsicherheiten bezüglich der Beurteilung des Einflusses einer Kontamination. Getriebehersteller geben ihren Kunden verbindliche Grenzwerte für zulässige Wassergehalte, bei denen ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden sollte. Die Einhaltung dieser Grenzwerte erfordern

1 Einleitung 3 häufige Ölwechsel. Der damit verbundene erhöhte Wartungsaufwand könnte mit einer zuverlässigen Einschätzung des Einflusses von Wasser-in-Öl vermieden werden. Die Klärung des Einflusses einer Kontamination des Schmierstoffes mit Wasser ermöglicht den optimalen Einsatz von Schneckengetrieben und vermeidet unvorhersehbare Schadensfälle. 1.2 Ausgangssituation Die DIN 3996 [D7] stellt heute die Grundlage zur Tragfähigkeitsberechnung von Schneckengetrieben dar. Im Wesentlichen baut die Berechnung nach dieser Norm auf den Forschungsergebnissen der letzten Jahrzehnte im Bereich der Schneckengetriebe auf. Die DIN 3996 gibt Verfahren zur Berechnung der Sicherheiten gegen Verschleiß, Grübchen, Zahnfußbruch am Schneckenrad sowie gegen eine Durchbiegung der Schneckenwelle und ein Überschreiten einer zulässigen Ölsumpftemperatur vor. Alle Sicherheitsnachweise basieren auf experimentellen Untersuchungen. In der jüngeren Vergangenheit konnte die Tragfähigkeitsberechnung in den Arbeiten von Hermes [H3], Sievers [S7] und Monz [M1] erweitert werden. Das FVA-Vorhaben Nr. 350I [K2] untersuchte die Belastungsgrenzen von lebensmittelverträglichen Schmierstoffen in Schneckengetrieben. Diese konnten hinsichtlich Temperatur und Verschleiß für die untersuchten Schmier- und Radwerkstoffe bestimmt werden. Es zeigt sich, dass bei niedrigen Antriebsdrehzahlen Polyalphaolefine gegenüber Polyglykolen ein gleichwertiges bis besseres Verschleißverhalten aufweisen. Bei hohen Antriebsdrehzahlen kehrt sich dieses Verhältnis um. Polyglykole zeigen hier ein deutlich besseres Verschleißverhalten als Polyalphaolefine. 1.3 Zielsetzung / Lösungsweg Diese Arbeit soll einen wesentlichen Beitrag dazu leisten, den Einfluss von Wasser in lebensmittelverträglichen Schmierstoffen für Schneckengetriebe im Hinblick auf die Tragfähigkeit berücksichtigen zu können. Wasser kann, je nach Menge und Schmierstoffeigenschaften, gelöst, als freies Wasser gesammelt oder in kleinen Tröpfchen vorliegen. Für Anwendungsfälle, in denen eine Kontamination des Schmierstoffes mit Wasser nicht zu vermeiden ist, können, durch das in diesem Projekt erzielte Wissen, die Öleinsatzzeiten individuell angepasst werden. Dies ermöglicht einen Verzicht auf unnötige Ölwechsel. Das Verschleißverhalten von Schneckengetrieben bei kontaminiertem Schmierstoff wird für verschiedene Grundölarten abschätzbar sein. Ebenfalls wird der Einfluss auf die Grübchentragfähigkeit geklärt. Typische Schadensbilder können auf eine Kontamination zurückgeführt werden. Der Einfluss der Kontamination ist sowohl für Getriebehersteller, als auch für Anlagenbauer wichtig. Es können entsprechende Betriebsvorschriften abgeleitet und das Schädigungsrisiko durch Wasser entsprechend beurteilt werden.

4 1 Einleitung Im Fokus stehen experimentelle Untersuchungen zum Verschleißverhalten bei unterschiedlichen Kontaminationen des Schmierstoffes mit Wasser und bei unterschiedlichen Öltemperaturen. Weiter werden Abtriebsdrehmoment und Antriebsdrehzahl variiert. Neben dem Verschleißverhalten wird auch das Ermüdungsverhalten für unterschiedliche Kontaminationen untersucht. Damit sind die beiden Schadenskriterien (Bild 1.2), die bei Schneckengetrieben von größter Bedeutung sind, abgedeckt. Der Ausfall infolge von Zahnbruch und Wärme spielt bei der gewöhnlichen Anwendung eine untergeordnete Rolle. Bild 1.2: Abtriebsdrehmomentgrenzen bei Schneckengetrieben [H3]

2 Stand der Forschung 5 2 Stand der Forschung In der Vergangenheit haben sich diverse Forschungsprojekte mit dem Einfluss von Wasser-in-Öl auf unterschiedliche Bauteile eines Antriebsstranges beschäftigt. Die bisherigen Forschungsergebnisse und insbesondere die Arbeiten an der Forschungsstelle bilden den Stand der Forschung in diesem Kapitel ab. 2.1 Bisherige Forschungsergebnisse Im Bereich der Schneckengetriebe gibt es bislang keine Forschungsarbeiten, die sich mit dem Einfluss einer Kontamination des Schmierstoffes durch Wasser beschäftigt haben. Im Folgenden werden bekannte Arbeiten vorgestellt, die sich mit Wasser-in-Öl beschäftigen. Dabei sind zumeist Wälzlager Forschungsschwerpunkt. Einzelne Arbeiten beschäftigen sich mit der Ölveränderung und der Tragfähigkeit von Stirnradverzahnungen bei Betrieb unter Kontamination. Eine direkte Übertragung der Ergebnisse ist aufgrund der speziellen Materialpaarung und Kontaktverhältnisse nicht möglich. Benner [B6] untersuchte den Einfluss des Wassers-in-Öl auf die Schmierfilmdicke. Ausgehend von der Annahme, dass die Schmierfilmdicke mit steigendem Wassergehalt reduziert wird, sind systematische Untersuchungen der Schmierfilmdicke in Abhängigkeit der Last, der Geschwindigkeit und des Wassergehalts durchgeführt worden. Die untersuchten Betriebspunkte umfassen drei Lastenstufen von 380 N/mm² bis 700 N/mm² und vier Geschwindigkeiten von 1 m/s bis 4 m/s. Hierbei handelt es sich um eine reine Abwälzbewegung ohne Gleitanteil. Der Prüfstand ermöglicht eine Messung der Schichtdicke mittels optischer Interferometrie. Eine Stahlkugel wird zu diesem Zweck über eine transparente Scheibe bewegt. Aus dieser Versuchsanordnung resultiert eine Punktberührung zwischen den Kontaktkörpern. Nach dem Mischen mit destilliertem Wasser wird das auf 40 C erwärmte Öl in den Prüfstand eingebracht. Zwischen Kugel und Scheibe bildet der handelsübliche Schmie r- stoff ISO 46 nun einen Schmierfilm. Trotz Variation des Wassergehaltes zwischen 0 % - 30 % ist keine signifikante Änderung der Schmierfilmdicke zu messen. Für die Messung der Re i- bungszahlen wird der Versuch mit einer Stahlkugel auf einer Stahlscheibe durchgeführt. Dazu sind beide Kontaktpartner mit bekannten Geschwindigkeiten angetrieben, um ein Gleiten der Kugel auf der Scheibe zu erreichen. Die einzustellenden Geschwindigkeiten ergeben sich a n- hand der Schmierfilmdicken. Ziel ist eine Schmierfilmdicke von 1 µm, so dass eine reine Scherreibung resultiert und die Oberflächen keinen Kontakt haben. In diesen Versuchen liegt der Wassergehalt bei 400 ppm bis 1200 ppm. Die Last variiert zwischen 1000 N/mm² und 1800 N/mm². Auch in diesen Versuchen lassen sich keine merklichen Änderungen der Rei-

6 2 Stand der Forschung bungszahlen messen. Dieser Effekt wird durch ein Verdrängen des Wassers aus dem Kontak t- bereich heraus erklärt, so dass nur das Öl das kraftübertragende Medium ist. Schatzberg und Felsen [S2], [S3] führten Versuche mit einem Vier-Kugel-Apparat bei sehr hoher Beanspruchung durch (p Hertz > 6000 N/mm²). Bei einem Wassergehalt von 0,01 % zeigen sich Lebensdauerminderungen von ca. 50 %. Sie führten diese Lebensdauerminderung in erster Linie auf die korrosive Wirkung des Wassers zurück. Aufbauend auf [S3] untersuchte Henzel [H2] den Einfluss einer Wasserstoffaufnahme auf die Wälzermüdung einsatzgehärteter Zahnräder. Mit Wasserstoff versetzte Zahnflanken zeigen typische Gefügemerkmale, die einer Wasserstoffschädigung zugeordnet werden können, und weisen eine deutlich geringere ertragbare Lastspielzahl auf als nicht behandelte Zahnräder. Karbacher und Specht [K3] stellen den Einfluss von Wasser auf Ermüdung und Verschleiß im Wälzlager dar. Etwa 5 % aller vorzeitigen Wälzlagerausfälle werden durch flüssige Verunreinigungen verursacht. Selbst reines Wasser ohne zusätzliche aggressive Medien hat ein sehr hohes Schädigungspotenzial in Wälzlagern. Öl nimmt Wasser aus der Luft auf, je nach Grundöl und Additivierung von einigen ppm bis zu einigen tausend ppm. Kurzzeitige Wasserkonzentrationen sind meist unkritisch, da das Wasser bei hohen Betriebstemperaturen schnell wieder ausdampft. In Betriebssituationen, bei denen ständig Wasser nachgeliefert wird, ist dagegen von einem erheblichen Schädigungspotenzial auszugehen. Die Auswirkungen können in mehrere Kategorien unterteilt werden: Reduzierung der Ermüdungslaufzeit, Beschleunigung von Alterung und Rückstandsbildung der Schmierstoffe sowie zerstörende Korrosion. Gold, Aßmann und van de Sandt [S1] untersuchten den Wassereinfluss bei sich nicht drehenden Vierpunktlagern, die mit Fett geschmiert werden, auf Riffelbildung und Korrosion. Sie verwendeten das HRE-IME-Riffeltestverfahren, bei dem zwei Prüflager wechselnd mit einer Frequenz von 10 Hz in axialer Richtung belastet werden. Bei einem der Lager wurde zusätzlich Wasser mit 1 % NaCl in das Fett eingeleitet. Durch die infolge des Wassers auftretende Korrosion der Wälzlagerlaufbahnen kam es hier zu ausgeprägter Riffelbildung. Der Zusatz von Elektrolyten verstärkt die Korrosion und damit auch die Entstehung von Riffeln. Die Versuche mit unterschiedlichen Fetten zeigen, dass ein guter Korrosionsschutz des eingesetzten Fettes die Riffelbildung positiv beeinflusst. Als besonders günstige Schmiermittel erweisen sich bei den Tests Calcium-Seifen-Fette (mit Mineralöl) und Lithium-Komplex-Fette (mit synthetischem Grundöl). Tchemtchoua [T1] untersuchte den Einfluss von Feuchtigkeit auf die Schmierung gefetteter Wälzlager. Als wichtigste Schadenskriterien für fettgeschmierte Windkraftlager nennt er Riffelbildung,

2 Stand der Forschung 7 Korrosion, Verschleiß und Ermüdung. Eine empirische Erhebung in diesem Zusammenhang zeigt, dass die Verunreinigung durch Kondenswasser und seltener durch Spritzwasser oder Kühlwasser zu Schäden führt. Nach FAG [F1] ist der Einfluss auf die Lagerlebensdauer erheblich. Ab einem Wassergehalt von 0,03 % muss mit einem Einbruch der Lebensdauer gerechnet werden. Dies ist mit lokalen Schmierfilmeinbrüchen und beginnender Rückstandsbildung begründet. Ein Wassergehalt von 0,1 % führt nach [F1] zu Verschleiß bzw. Ermüdung und Wassergehalte größer 0,5 % führen zur Korrosion. Nach Ionnides [I1] reicht ein Wassergehalt von 0,01 % um die Lagerlebensdauer auf die Hälfte zu reduzieren. In [F1] und [I1] fehlen die Angaben, auf welche Art die Zahlenwerte ermittelt wurden und für welche Schmierstoffe und Schmierbedingungen die Aussagen zutreffen. Cantley [C1] führt die Minderung der Lagerlebensdauer auf oberflächennahe Mikrorisse zurück, die zu Abplatzern führen. [F4] zeigt in diesem Zusammenhang eine starke Abhängigkeit vom eingesetzten Schmierstoff. Bei naphtenbasischen emulgierenden Ölen tritt nach [F4] die geringste Lebensdauerminderung auf. Nach Wennehorst und Poll [W2] ist besonders eine ständige Anwesenheit von Wasser im System kritisch, während das Wasser bei einmaligem Zutritt bei hohen Betriebs- und Kontakttemperaturen verdampft und eine weniger schädigende Wirkung hat. Nach FAG [F2] und den Ausführungen in [S1] nimmt die relative Lebensdauer von Wälzlagern bei Ölschmierung durch den Eintrag von Wasser exponentiell ab. Erhebliche Lebensdauerreduzierungen sind ab einem Wassergehalt von 0,01 % möglich. Bei geringer Luftfeuchtigkeit kann sich diese Menge an Wasser-in-Öl ansammeln. Nicht nur die Menge an Wasser beeinflusst die Lebensdauerminderung, sondern auch die Form in der das Wasser vorliegt. In gelö s- ter Form mindert das Wasser die Viskosität, jedoch ist dieser Effekt eher als gering einzust u- fen. Liegt das Wasser in freier Form vor, kann es aufgrund seiner geringen Viskosität und des sehr geringen Druckviskositätskoeffizienten schon bei relativ geringen Wassergehalten zu l o- kalen Schmierfilmdurchbrüchen kommen, die dann zu Verschleiß, Graufleckigkeit und Ermüdung führen können. Freies Wasser kann zur Korrosion führen, die durch Hydrolyse des im Schmierstoff gebundenen Schwefels verstärkt wird. Weitere Folgen dieser beschleunigten Ö l- alterung können Schlammbildung, Verkokung bei höheren Temperaturen, ein Ausfällen sowie eine Inhibierung von Additiven, Ablagerungen und Verblockungen von Filtern und Ölverteilern sein. Kleine Mengen Wasser können nach [F3] vom Schmierstoff aufgenommen werden. Dies führt zur Verschlechterung der Schmierwirkung. Mögliche Folgen sind matte und druckpolierte Lau f-

8 2 Stand der Forschung spuren an den Lagerringen. Bei größeren Feuchtigkeitsmengen im Lager entstehen matte Laufspuren und bei hoher Last druckpolierte Laufspuren mit Ermüdungsschäden. Weiterhin kommt es zu flachen Pittingschäden in Muschelform. Ein erhöhter Verschleiß infolge der Anwesenheit von Wasser ist zu beobachten. Verschleißspuren in Form von Riefen sind vornehmlich an den Oberflächen der Wälzkörper zu erkennen. Grundsätzlich macht sich nach [F2] der Einfluss von Wasser im Schmierstoff bei der Schmierung mit einem Mineralöl deutlicher bemerkbar als bei einer Polyglykolschmierung. Der zulässige Wasseranteil ist vom Ölaufbau und der Additivierung abhängig. Der zulässige Bereich kann sich von wenigen Promille bis zu einigen Prozenten erstrecken. Mineralöl enthält zwar meist Zusätze zur Korrosionsverhinderung, jedoch führt Wasser in stabiler Emulsion zu einer verminderten Lebensdauer und darüber hinaus zu einer erhöhten Rückstandsbildung. Franke, Fritsch und Lachmayer [F5] untersuchten Keramikwälzlager in einem tribologischen System mit Wasser. Es traten vor allem bei Versuchen mit einer Temperatur von 140 C des Versuchsmediums verstärkt Pittingschäden auf. Diese, auch bei geringen Lasten festzustellenden Schäden, sind auf Kavitation zurückzuführen. Ein abgesicherter Erklärungsansatz wird jedoch nicht geliefert. Zum Gahr, Litzow und Schneider [G1] untersuchten keramische Werkstoffe auf Kavitationsbeanspruchung in destilliertem Wasser. Nach einer Inkubationsphase, in der sich erste Pittings an den Oberflächen bilden, kommt es zu einem erhöhten erosiven Materialabtrag, der sogenannten Erosionsphase. Geringe Oberflächenrauhigkeiten und kleine Korngrößen verlängern dabei die Inkubationszeit und erhöhen den Widerstand gegen Kavitationserosion. Versuche mit Stahl weisen geringere Verschleißbeträge infolge von Kavitation auf, dabei kommt es jedoch zur plastischen Deformation der Oberflächen. Schmitt-Thomas [S4] fasst in einer Literaturrecherche den wissenschaftlichen Stand zum Thema Spannungsrisskorrosion durch Wasserstoff zusammen und weist auf die drei notwendigen Voraussetzungen zur Spannungsrisskorrosion hin: ein Werkstoff hoher Festigkeit, Spannungen im Werkstück und das Angebot an atomarem Wasserstoff. Koch [K5] zeigt den entscheidenden Einfluss der Festigkeit und Härte des Werkstoffs auf die Wasserstoffversprödung. Die einsatzgehärtete Randzone des Werkstoffes 16MnCr5 stellt sich aufgrund des martensitischen Gefüges und der daraus resultierenden hohen Härte als besonders gefährdet heraus.

2 Stand der Forschung 9 Siebert und Mann [S6] untersuchten die Einsatzmöglichkeiten wasserlöslicher Polyglykole zur Schmierung von Großgetrieben. Im Fokus der Betrachtungen standen mehrstufige Industrie- und Windkraftgetriebe. Siebert und Mann führten Versuche an zwei unterschiedlichen Polyglykolen und einem Mineralöl der Viskositätsklasse ISO VG 320 durch. Da sie von einem vergleichbaren Verhalten von Mineralöl und Polyalphaolefinen ausgingen, wurden letztere nicht untersucht. Die Eigenschaften von Polyglykolen werden maßgeblich durch das Mischungsverhältnis von Ethylenglykol zu Propylenglykol (EO/PO) bestimmt. In Industriegetriebeölen eingesetzte Polyglykole weisen vorwiegend ein EO/PO-Verhältnis von 50:50 bis 60:40 auf. Die so zusammengesetzten Polyglykole werden im Allgemeinen auch als wasserlösliche Polyglykole bezeichnet. Polyglykoltypen mit einem EO/PO-Verhältnis von 1:1 können bis zu 10 % Wasser aufnehmen und sind nahezu unbegrenzt mit Wasser mischbar. Versuche am Standard-FZG-Verspannungsprüfstand ergaben, dass die Schadenskraftstufe im Fresstest bei Polyglykolschmierung unter Zugabe von 5 % Wasser unverändert bleibt. Bei Verwendung des Mineralöls sinkt die Schadenskraftstufe bei Kontamination mit Wasser von Laststufe 11 auf 10. Lagerlebensdaueruntersuchungen ergaben, dass bei Polyglykolschmierung und Zusatz von 2 % Wasser die Lagerlebensdauer unverändert bleibt. Bei Verwendung eines Mineralöls mit 2 %igem Wasserzusatz sinkt die Lagerlebensdauer stark ab. Eine ähnliche Lebensdauerreduktion wurde bei Polyglykolschmierung mit 5 %igem Wasserzusatz beobachtet. Versuche zum Lagerverschleiß auf einer FE8-Prüfmaschine zeigten, dass der Verschleißschutz bei Polyglykolschmierung auch unter Zusatz von Wasser erhalten bleibt. Bayerdörfer [B4] beschäftigte sich mit der Öllebensdauer von Syntheseölen. Es wurde der Einfluss des Alterungszustandes synthetischer Schmierstoffe unterschiedlicher Grundölbasis und Additivierung auf die Grübchenlebensdauer und Graufleckentragfähigkeit von Stirnrädern ermittelt und der Unterschied zu Mineralölen untersucht. Außerdem wurde mit einem mineralölbasischen Industriegetriebeöl der Einfluss der Ölverschmutzung in Form von Partikeln und Wasser auf die Grübchenlebensdauer untersucht. Geringste Partikel- und Wasserkonzentrationen im Schmieröl führen zu einem erheblichen Grübchenlebensdauerverlust im Vergleich zu reinem Öl. In Bezug auf eine Ölverunreinigung durch Wasser kann der in [B2] definierte zulässige Grenzwert von 0,1 Gew. % durch die Versuche bestätigt werden. Tumbrink [T2] untersuchte die Möglichkeiten zur Gebrauchsdauerverlängerung von Mineralölen durch Überwachung und Pflege. Neben festen Partikeln, die die Lebensdauer von Maschinen und Maschinenelementen reduzieren, ist der Einfluss von Wasser auf die Ölgebrauchsdauer thematisiert. [T2] führt an, dass insbesondere freies Wasser die Ölalterung erheblich beschleunigt. [T2] zeigt durch experimentelle Untersuchungen mit einem Hydrauliköl, dass sich die Neutralisationszahl eines nicht mit Wasser kontaminierten Mineralöls während einer Versuchsdauer von 1000 h

10 2 Stand der Forschung nicht verändert. Bei der Zugabe von Wasser beschleunigt sich die Ölalterung drastisch. Das Vorhandensein von freiem Wasser im Schmierstoff während der Versuche ließ einen Abbau der Additive beobachten. Auch Korrosionsschutzadditive wurden während der Versuche abgebaut, wodurch es zu Korrosionsschäden an der Versuchseinrichtung kam. Die Auswirkungen von freiem Wasser in biologisch abbaubaren Schmierstoffen sind nach [T2] sehr kritisch zu betrachten. Durch freies Wasser in einer Esterflüssigkeit kann eine Umkehrung der Veresterungsreaktion erfolgen, wobei Säuren und andere unerwünschte Produkte entstehen können. Iwanga [I2] untersuchte 1979 Turbinenöle auf die Ölalterung durch die katalytische Wirkung von Metallen und Wasser. Er führte Versuche durch, in denen das Öl Wasser und Eisen bzw. Kupfer als weiteren Katalysator enthielt. Er gibt für die Versuche die Änderung der Neutralisationszahl an. Die Neutralisationszahl ist ein Maß für die Kohlenwasserstoffe, die bis zum Untersuchungszeitpunkt oxidiert werden. Bei den untersuchten Kombinationen von Wasser und den Katalysatoren im Schmierstoff stellte sich heraus, dass die Kombination von Wasser mit Kupfer einen sehr großen Einfluss auf die Ölalterungsgeschwindigkeit hat. Barnes [B1] verweist in diesem Zusammenhang auf eine beschleunigte Ölalterung, die durch das ebenfalls katalytisch wirkende Metall Zinn hervorgerufen wird. Mosbach [M3] untersuchte den Einfluss verschiedener Parameter auf das Reibschwingverhalten von ölgekühlten Reibschaltelementen. Hierbei betrachtet er auch den Einfluss eines kontaminiertem ATF-Schmierstoffes auf das Reibschwingverhalten. Die Öltemperatur beträgt bei diesen Versuchen 35 40 C, die Gleitgeschwindigkeit wird zwischen 2 10 m/s variiert und der Wassergehalt beträgt 0,1 %. Dabei stellt er fest, dass nach Zugabe des Wassers sofort Reibschwingungen auftreten. Ein Reproduktionsversuch zeigt keine Reibschwingungen. Dies führt [M3] darauf zurück, dass hier die Kontamination dem Schmierstoff ausgetrieben wurde. Ein weiterer Versuch mit erneut kontaminiertem Schmierstoff führte wieder zu sofortigen Reibschwingungen. Nach maximal 300 Schaltvorgängen treten diese nicht mehr auf. Die Reibschwingungen sind nach [M3] wahrscheinlich mit der Bindung von Wasser an polare Additivbestandteile zu begründen. Brenner und Witzig [W3] untersuchten den Einfluss von Wasser in Hochleistungs-Schmierstoffen auf die Lebensdauer von Wälzlagern und die Tragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder. Dafür werden zur Ermittlung der Tragfähigkeit der Stirnräder Grauflecken-, Verschleiß- und Grübchenuntersuchungen durchgeführt. Der Wassergehalt im Schmierstoff beträgt hierbei 2 % bei den wasserlöslichen Schmierstoffen und 0,5 % bei den nicht wasserlöslichen Schmierstoffen. Dabei zeigt sich, dass bei den Wälzlagern bei Kontamination mit einem frühzeitigen Ausfall infolge von Grübchen zu rechnen ist. Bei den Stirnrädern zeigen sich bei den Schadensarten Verschleiß und Grauflecken keine signifikanten Änderungen der Tragfähigkeit. Bei der Grübchentragfähigkeit ist grundölabhän-

2 Stand der Forschung 11 gig mit einer deutlich negativen Wirkung einer Kontamination zu rechnen. Insgesamt steigt bei Polyglykolen die Gefahr der Frühausfälle infolge einer Kontamination. Beilicke, Bartel, Elfrath und Deters [B5] untersuchten experimentell den Einfluss von Luft und Wasser auf konzentrierte EHD-Kontakte. Sie stellen in Modellversuchen fest, dass freie Luft und freies Wasser nicht durch die Kontaktzone gefördert werden, sondern diese umströmen. Die ebenfalls durchgeführte Schmierfilmdickenmessung zeigt, dass Luft die Schmierfilmdicke nur unwesentlich beeinflusst, Wasser hingegen kann die Schmierfilmdicke erhöhen. In Tabelle 2.1 sind zur Übersicht alle zusammengetragenen Forschungsergebnisse noch einmal übersichtlich zusammengefasst. Der großteil der bisherigen Forschung behandelt den Einfluss einer Kontamination auf die Lebensdauer von Wälzlagern. Ein weiteres größeres Forschungsgebiet in diesem Themenkontext ist der Einfluss einer Kontamination auf die Öleigenschaften. Die Auswirkungen von Wasser-in-Öl sind bei Zahnradgetrieben bisher kaum, bei Schneckengetrieben gar nicht erforscht.

Wälzlager 12 2 Stand der Forschung Tabelle 2.1: Übersicht Stand der Forschung Autor Bereich Ergebnisse - reines Wasser hat hohes Schädigungspotenzial - ab 200 ppm deutliche Minderung der Lebensdauer [K3] - hohe Streubreite der erträglichen Wassermenge entsprechend der Additivierung und Grundölart - durch Korrosion starke Riffelbildung [S1] - Elektrolyt verstärkt die Korrosion - Korrosionsschutzadditive verringern die Riffelbildung - 50 % Lebensdauerminderung [S2,S3] - eventl. auf Korrosion zurückzuführen - empirische Erhebung zeigt: Feuchtigkeit gelangt vorrangig durch Kondenswasser in das Schmierfett [T1] - Wassergehalte über 0,03 % führen zu Lebensdauereinbußen - lokale Schmierfilmeinbrüche [F1] - beginnende Rückstandsbildung - ab 0,1 % Anstieg Verschleiß und Ermüdung - über 0,5 % verstärkte Korrosion [I1] - 0,01 % Wasser führt zur Halbierung der Lebensdauer [C1] - oberflächennahe Mikrorisse vermindern die Lagerlebensdauer - die oberflächennahe Mikrorissbildung ist stark von dem eingesetzten [F4] Öltyp abhängig - ständige Anwesenheit von Wasser im System kritisch [W2] - einmaliger Eintritt bei hohen Betriebs- und Kontakttemperaturen weniger schädigend (verdampfen des Wassers aus dem Schmierstoff) - matte und druckpolierte Laufbahnen infolge einer Kontamination - matte Flächen bei hohen Wassergehalten [F3] - hohe Lasten eher druckpolierte Oberflächen - erhöhter Verschleiß - Riefen an Wälzkörpern - stabile Emulsion vermindert die Lebensdauer (kritisch) [F2] - erhöhte Rückstandsbildung [F5] - bei hohen Temperaturen treten infolge von Kavitation Pittingschäden auf - Pittingschäden infolge von Kaviation - Stahllager sind standfester [G1] - Verschleiß kann in zwei Phasen eingeteilt werden. Die Pittingentstehung und die Verschleißphase [W3] - Frühausfall von Lagern durch Grübchen [W3] [S6] [K5] [M3] Zahnräder Werkstoffe Reibschaltelemente - keine signifikante Änderung der Tragfähigkeit bei den Schadensarten Grauflecken und Verschleiß - bei Polyglykolen Frühausfälle durch Grübchen möglich - bei Mineralöl deutlich reduzierte Grübchentragfähigkeit - Polyglykol führt zu keiner Änderung der erreichten Schadenskraftstufe beim Fresstest - Verschleißschutz bleibt auch bei 5 % aktiv - 16MnCr5 ist aufgrund des harten martensitischen Gefüges besonders durch Wasserstoffversprödung gefährdet - bei Wasserzugabe treten Reibschwingungen auf - Ausdampfen des Wassers führt zum Abklingen der Schwingungen

Schmierstoff 2 Stand der Forschung 13 [B6] [B4] [T2] [I2] [B5] - keine signifikante Änderung der Schmierfilmdicke - keine Änderung der Reibungszahl - Verdrängung des Wassers aus Kontaktbereich, daher ausschließlich Schmierstoff kraftübertragendes Medium - 0,1 % kritisch - erheblich verminderte Grübchenlebensdauer - beschleunigte Oxidation des Öl s - Ölalterung durch Reaktion von Metallen und Addtitiven Veränderung der Öleigenschaften - Entstehung von Seifen - vor allem Kupfer mit Wasser führt zu einem sehr großem Einfluss auf die Ölalterungsgeschwindigkeit (katalytische Wirkung) - ebenfalls katalytisch ist nach [B1] Zinn - Maß für die Ölalterung ist Neutralisationszahl (NZ) - die Schmierfilmdicke kann durch Wasser erhöht werden - im Schmierstoff gelöstes Wasser wird nicht durch den Kontakt transportiert, sondern umströmt diesen

14 2 Stand der Forschung 2.2 Bisherige Arbeiten an der Forschungsstelle Predki [P1] definierte unter Einbringung der elastohydrodynamischen Schmiertheorie dimensionslose Kennwerte, die eine einfache Berechnung der Schmierspalthöhen und der Hertz schen Pressungen ermöglichen. Mit Hilfe dieser Kennwerte lassen sich Schneckengetriebe hinsichtlich der Hertz schen Pressungen und der Schmierspaltdicken vergleichen und optimal auslegen. Für das von [P1] erstellte Modell wird vereinfachend angenommen, dass die Stribeck sche Wälzpressung entlang der Berührlinie einer Eingriffsstellung zwischen Schnecke und Schneckenrad konstant ist. Vill [V1] beschäftigte sich mit der Leistungsübertragung bei Schneckengetrieben mit der Laufpaarung Stahl und Grauguss. [V1] stellt fest, dass bei der theoretischen Betrachtung globoidischer Schnecken, gepaart mit einem globoidischen Schneckenrad, günstigere Bedingungen herrschen, als bei herkömmlichen Schneckengetrieben mit zylindrischer Schnecke und globoidischen Schneckenrad aus Bronze. Die von [V1] durchgeführten Prüfstandsversuche bestätigen das. Das von [V1] erstellte Programm auf der Basis von [P1] ermöglicht die praxisgerechte Anwendung. Dierich [D1] bestimmte mit der Methode räumlicher, finiter Elemente den realen Verlauf der Hertz schen Pressungen entlang der Berührlinien, der bisher nach [P1] in einer Eingriffsstellung als konstant angenommen wurde. Er ermittelte bei reiner, flüssiger Reibung die Reibungszahlen im Eingriffsgebiet auf Basis der elastothermohydrodynamischen Schmiertheorie. Böhmer [B9] entwickelte ein Standardtestverfahren für Schneckengetriebe zur Untersuchung von Schmier- und Werkstoffen. Die von ihm durchgeführten Verschleißversuche an Schneckengetrieben mit unterschiedlichen Last- und Drehzahlkollektiven führen zu einem Standardtestverfahren mit stufenweiser Laststeigerung. Bouché [B8] entwickelte ein auf physikalischen Modellen basierendes Rechenverfahren zur Berechnung von Verzahnungswirkungsgraden von Schneckengetrieben im Mischreibungsgebiet. [B8] ermittelte iterativ auf Basis eines Verschleißansatzes bei Reibbelägen die Pressungsverteilung. Dabei wird angenommen, dass sich die Flankenform infolge des Gleitverschleißes nicht verändert. Haag [H1] ermittelte Anlaufreibungszahlen von Schneckengetriebeverzahnungen in Abhängigkeit unterschiedlicher Schmierstoffe und Betriebsbedingungen. Auf dieser Basis erstellt [H1] ein Berechnungsprogramm. Nass [N1] führte auf Basis der von [B9] eingeführten Standardtestverfahren Untersuchungen zu unterschiedlichen Werkstoffen an Schneckenrädern durch. Ausgehend von der häufig eingesetzten Standardbronze GZ-CuSn12Ni variierte [N1] den Nickel- und Phosporgehalt sowie die Korn-

2 Stand der Forschung 15 größe und das Gießverfahren. Die Versuche liefern Verschleißkennwerte, Reibungszahlen sowie lastabhängige Ölsumpftemperaturen. In Anlehnung an DIN 3996 [D7] entwickelte [N1] Berechnungsvorschriften zur Verschleiß- und Temperaturtragfähigkeit für die jeweilige Werkstoff / Schmierstoffkombination. Dinter [D13] untersuchte Riefen- und Rissbildung an Schneckenflanken. Die Versuche zeigen, dass die Riefenschädigung mit der Drehmomenterhöhung zu- und mit der Drehzahlerhöhung abnimmt. Zur Erzeugung von Rissen sind Drehmomente weit über dem Katalogdrehmoment notwendig. Als Schadensursache ermittelte [D13] zu hohe thermische Belastungen in Bereichen ungünstiger Schmierbedingungen mit daraus resultierenden Eigenspannungsänderungen. Dies tritt vornehmlich in Verbindung mit starken Grübchenschädigungen am Schneckenrad auf. Jürging [J2] untersuchte das Selbstbremsungsverhalten von Schneckengetrieben. [J2] führte Versuche mit verschiedenen Ölen und unterschiedlichen Geometrien durch, um den Einfluss von Schmierstoff, Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit auf den Reibwert zu klären. Die Versuchsergebnisse führen zu Näherungsgleichungen zur Berechnung der Leerlaufverluste und der Verzahnungsreibungszahl. Die Gleichungen fließen in ein Programm zur Simulation des Bremsvorgangs ein. Jacek [J1] führt die Untersuchungen von [N1] mit weiteren Schneckenwerkstoffen fort. Die sich in [N1] auf die Verschleißtragfähigkeit als besonders günstig herausgestellten Parameter Hoher Nickelgehalt und Kleine Korngröße werden dabei von [J1] kombiniert. Zusätzlich wird der Zinngehalt variiert und die Verschleißtragfähigkeit von PAN-Bronzen untersucht. Kalmus [K2] untersuchte die Leistungsfähigkeit synthetischer lebensmittelverträglicher Schmierstoffe in Schneckengetrieben. Die Schmierstoffe weisen entsprechend ihres Grundöltyps unterschiedliche Verschleißverhalten auf. Bei niedrigen Antriebsdrehzahlen (n 1 = 60 min -1 ) haben Polyalphaolefine ein gleichwertiges bis besseres Verschleißverhalten gegenüber Polyglykolen. Bei hohen Antriebsdrehzahlen (n 1 = 1500 min -1 ) sind die Polyglykole den Polyalphaolefinen Aufgrund ihrer höheren Temperaturbelastbarkeit überlegen (höhere Viskositätsindex). Insgesamt sind lebensmittelverträgliche Schmierstoffe im Vergleich zum nicht lebensmittelverträglichen Referenzschmierstoff als gleichwertig bzw. geringfügig schwächer einzuordnen. Hermes [H3] untersuchte Schneckengetriebe bei Last-, Drehzahlkollektiven und Anfahrvorgängen. Mit den von [H3] getroffenen Erweiterungen der DIN 3996 [D7] ist eine Tragfähigkeitsberechnung von Schneckengetrieben bei Last-, Drehzahlkollektiven und Anfahrvorgängen möglich. Für Lastund Drehzahlkollektive findet der Betriebsverschleiß Berücksichtigung. Bei Anfahrvorgängen kön-

16 2 Stand der Forschung nen auf Basis der entwickelten Näherungsgleichungen Grundreibungszahlen ermittelt werden. Für die betrachteten Belastungsfälle können mit Hilfe von Gleichungen Ölsumpftemperaturen ermittelt werden. Sievers [S7] führte die Untersuchungen von [J1] unter dem Gesichtspunkt der großen Streuungen der Tragfähigkeit von Schneckenrädern gleicher Legierungszusammensetzung und dem vermuteten Einfluss der Gefügeausbildung auf diese fort. Er stellt anhand von experimentellen Gießversuchen an Schleudergussanlagen einen Einfluss der Herstellungsmethode und einen Einfluss einzelner Herstellparameter auf die Gefügeausbildung im Verzahnungsbereich von Schneckenradrohlingen aus der Legierung CuSn12Ni4-C-GZ. Dabei zeigt sich ein rotationssymmetrisches Erstarrungsmuster über der Verzahnungshöhe, das als Ringseigerungen bekannt ist. Dabei weisen die unterschiedlichen Schichten unterschiedliche δ-phasenanteile auf. Die δ-phase ist eine harte Phase im Gefüge der Bronze. Anwendungsnahe Prüfstandsversuche stellen einen Zusammenhang zwischen dem mittleren δ-phasenanteil und der Tragfähigkeit eines Schneckenrades her. Innerhalb der betrachteten Grenzen steigt die Tragfähigkeit des Gefüges mit zunehmendem δ- Phasenanteil. Mittels des mittleren δ-phasenanteils besteht folglich die Möglichkeit, die Tragfähigkeit von Schneckenrädern anhand einer Gefügekenngröße zu beurteilen. Die Prüfstandsversuche zeigen ferner den günstigen Einfluss einer hohen Tragfähigkeit des Schneckenrades auf den Verzahnungswirkungsgrad.

3 Experimentelle Untersuchungen 17 3 Experimentelle Untersuchungen Die Experimentellen Untersuchungen befassen sich mit der Verschleiß- und Grübchentragfähigkeit von Schneckengetrieben bei gezielt variierten Betriebsbedingungen. Hierzu werden Verschleißund Grübchenversuche durchgeführt. Die dazu genutzten Prüfstände, Getriebe, Verzahnungen, Werkstoffe und Schmierstoffe werden in dem folgenden Kapitel erläutert. 3.1 Prüfstände Für die experimentellen Untersuchungen werden insgesamt drei Schneckengetriebe-Prüfstände eingesetzt. Die betriebenen Schneckengetriebe haben einen Achsabstand von a = 100 mm. Sowohl für die Verschleißversuche, als auch für die Grübchenversuche wird dieselbe Konfiguration der Prüfstände gewählt. Diese besteht aus dem Prüfstand und einer externen Ölkonditionierungsanlage für die eingesetzte Einspritzschmierung. 3.1.1 Prüfstand I Der Prüfstand I wird ausschließlich für die Verschleißversuche eingesetzt. Bild 3.1 zeigt die Realisierung des Prüfstandes. Bild 3.1: Prüfstand I zur Untersuchung des Verschleißverhaltens bei kontaminiertem Schmierstoff

18 3 Experimentelle Untersuchungen Das eingesetzte Prüfgetriebe besitzt einen Achsabstand von a = 100 mm. Es handelt sich hier um ein Standard-CAVEX-Kataloggetriebe der Bauform CUHW 100. Der Prüfradsatz entspricht der von [B9] vorgestellten Standard-Prüfverzahnung. Die Verzahnungsdaten können Tabelle 3.2 entnommen werden. Bild 3.2: Schematischer Aufbau des Prüfstandes I zur Durchführung von Verschleißversuchen Bild 3.2 zeigt den schematischen Aufbau des Prüfstandes I. Es handelt sich hier um einen mechanischen Verspannungsprüfstand - der Antriebsmotor (8) mit einer maximalen Leistung von 15 kw speist lediglich die Verlustleistung ein. Dieser Antriebsmotor ist über einen Zahnriemen (9) mit dem Übersetzungsgetriebe der Firma Flender (Typ: CUW 140) (5) verbunden. Position (4) stellt die Verspannkupplung dar, mit der das Prüfmoment aufgebracht wird. Das An- und Abtriebsdrehmoment wird mit Hilfe der Drehmomentmesswellen (2) und (3) an An- und Abtrieb des Prüfgetriebes (1) gemessen. Antriebsseitig können maximal 200 Nm übertragen werden. Für die Rückführung der Abtriebsleistung sind die Abtriebswelle von Prüfgetriebe und Rückübersetzungsgetriebe mit

3 Experimentelle Untersuchungen 19 einem Riementrieb (7) verbunden. Eine Kardanwelle (6) ermöglicht einen kleinen Achsversatz der Riemenscheiben zum Getriebe (5). Damit wird ein Spannen des Riemens ermöglicht. Bild 3.3: Schematischer Aufbau der Umlaufschmierung Zusätzlich wird zur Ölkonditionierung eine Ölanlage mit einem Ölvolumen von etwa 27 l eingesetzt. Diese erlaubt die Regulierung der Einspritztemperatur. Kurz vor der Einspritzung ins Getriebe wird der Wassergehalt mittels eines Sensors überwacht und eingestellt. Bei dem eingesetzten Wassergehaltsensor handelt es sich um einen kapazitiven Sensor EASZ-1 der Firma Eesiflo. Dieser ist direkt in die Umlaufschmierung integriert und wird vom gesamten eingespritzten Schmierstoff durchflossen. Eine, für jeden Schmierstoff erstellte Kalibriergerade ermöglicht die Zuordnung der gemessenen Kapazität zu einem Wassergehalt. Bild 3.3 zeigt den schematischen Aufbau der Ölanlage. Das Wasser wird mit einer Schlauchpumpe tröpfchenweise direkt in den Ölansaugschlauch geleitet. Die Ölpumpe (Zahnradpumpe, Rickmeier, Typ: R25/2,5) sorgt für eine gute Durchmischung des Öles mit dem zugeführten Wasser. Der Ölfilter ist nach der Zahnradpumpe im Ölkreislauf angebracht. Die in den Versuchen genutzten Ölfilter (H 0030 DN 2 010) weisen eine Filterfeinheit von 10 µm auf. Die Ölproben werden jeweils unmittelbar nach Versuchsende an der Einspritzdüse entnommen. Damit ist sichergestellt, dass in der Ölprobe keine Partikel enthalten sind, die sich später im Tankabsetzen oder vom Ölfilter gefiltert werden. Gemessen werden an diesem Prüfstand alle relevanten Messgrößen, wie An- und Abtriebsdrehmoment, Antriebsdrehzahl, Radmassen-, Raum- und Sumpftemperatur. Dabei werden für die Radmassentemperaturen NiCr-Ni-Thermoelemente mit einem Durchmesser von 1 mm eingesetzt. Die Sumpftemperatur wird über ein PT-100 Temperatursensor mit einem Durchmesser von 3 mm gemessen. Für die übrigen Temperaturen werden NiCr-Ni-Thermoelemente mit einem Durchmesser von 3 mm eingesetzt. Die Raumtemperatur wird jeweils etwa 1 m vom Prüfgetriebe entfernt gemessen. Der Temperatursensor zur Ermittlung der Sumpftemperatur führt durch eine Bohrung ins Getriebegehäuse. Dabei wird der Sensor so tief eingeführt, dass er während des Betriebs unterhalb der Schneckenwelle

20 3 Experimentelle Untersuchungen sitzt. Ebenfalls wird mit Hilfe von Inkrementaldrehgebern (Heidenhain, Typ: ROD280 und ROD220) die relative Lage von Schneckenwelle und -rad zueinander ermittelt. Aus dieser Information kann im weiteren Verlauf die Betriebsverschleißrate abgeleitet werden, wie in Kapitel 3.9.1 vorgestellt. 3.1.2 Prüfstand II Der Prüfstand II wird überwiegend für Verschleißversuche genutzt. Bei diesem Prüfstand handelt es sich um einen elektrischen Verspannungsprüfstand mit Motor und Generator (Bremsmotor). In Bild 3.4 ist der so realisierte Prüfstand abgebildet. Bild 3.4: Prüfstand II zur Untersuchung des Verschleißverhaltens bei kontaminiertem Schmierstoff Das eingesetzte Prüfgetriebe besitzt einen Achsabstand von a = 100 mm. Es handelt sich hier um ein Standard-CAVEX-Kataloggetriebe der Bauform CUHW 100. Die Verzahnungsdaten des eingesetzten Prüfradsatzes können Tabelle 3.2 entnommen werden.

3 Experimentelle Untersuchungen 21 Bild 3.5: Prüfstand II zur Untersuchung des Verschleißverhaltens bei kontaminiertem Schmierstoff Bild 3.5 zeigt den schematischen Aufbau des Prüfstandes. Der Antriebsmotor (5) mit einer maximalen Leistung von 28,4 kw ist über einen Riementrieb (4) mit der Übersetzung eins mit der Antriebswelle verbunden. Vor und nach dem Prüfgetriebe sind die Drehmomentmesswellen (2 / 3) montiert. Dabei beträgt das maximale Antriebsdrehmoment 500 Nm. Das Rückübersetzungsgetriebe an der Abtriebswelle (6) ist über einen Riementrieb ohne Übersetzungsverhältnis mit dem Generator (Bremsmotor) (7) mit einer maximalen Bremsleistung von 28,4 kw verbunden. Extern neben dem Prüfstand ist die Ölkonditionierungsanlage angeordnet. Diese weist ein Ölvolumen von ca. 27 l auf. Der Aufbau und die eingesetzten Komponenten entsprechen denen in Kapitel 3.1.1 beschriebenen und in Bild 3.3 gezeigten Komponenten. Am Prüfstand werden alle relevanten Größen, wie An- und Abtriebsdrehmoment, Antriebsdrehzahl, Radmassen-, Raum- und Sumpftemperatur gemessen. Mit Hilfe von Inkrementaldrehgebern lässt sich der Verschleiß des Schneckenrades während des Betriebs ermitteln. Das hierzu angewendete Verfahren ist in Kapitel 3.9.1 beschrieben. An der externen Ölanlage werden Einspritztemperatur und Wassergehalt gemessen. Die eingesetzte Messtechnik entspricht dabei den in Kapitel 3.1.1 erwähnten Komponenten. 3.1.3 Prüfstand III Der Prüfstand III wird überwiegend für die Einlaufvorgänge und Grübchenversuche genutzt. Bild 3.6 zeigt die Ausführung des Prüfstandes. Das eingesetzte Prüfgetriebe besitzt einen Achsabstand

22 3 Experimentelle Untersuchungen von a = 100 mm. Es handelt sich hier um ein Standard-CAVEX-Kataloggetriebe der Bauform CUHW 100. Der Prüfradsatz weist die in Tabelle 3.2 vorgestellten Verzahnungsdaten auf. Bild 3.6: Prüfstand III zur Durchführung von Grübchenversuchen und Einlaufvorgängen Bild 3.7 zeigt den schematischen Aufbau des Prüfstandes III. Es handelt sich hier um einen offenen Verspannkreislauf. Der Antriebsmotor (4) mit einer maximalen Antriebsleistung von 15 kw ist direkt mit der Schneckenwelle des Prüfgetriebes (1) verbunden. Das An- und Abtriebsdrehmoment wird mit Hilfe von Drehmomentmesswellen (2 / 3) gemessen. Dabei beträgt das maximale Antriebsdrehmoment 100 Nm. Das Übersetzungsgetriebe (5) erhöht die Drehzahl und senkt somit das nötige Bremsmoment der Wirbelstrombremse (6). Zusätzlich verfügt der Prüfstand über eine Ölanlage zur Ölkonditionierung. Diese erlaubt die Einspritztemperatur genau zu regulieren. Die Öleinspritztemperatur wird kurz vor Eintritt ins Getriebegehäuse gemessen. Weiter werden an diesem Prüfstand die Messgrößen An- und Abtriebsmoment, Antriebsdrehzahl, Wassergehalt, Raumund Sumpftemperatur ermittelt. Das Wasser zur Kontamination des Öles wird direkt in den Ölansaugschlauch geleitet. Dies geschieht mit Hilfe einer Schlauchpumpe, die das Wasser tröpfchenweise zuführen kann. Die Zahnradpumpe der Ölanlage sorgt für eine gute Durchmischung des Öles mit dem zugeführten Wasser. Die eingesetzte Messtechnik entspricht dabei den in Kapitel 3.1.1 erwähnten Komponenten.

3 Experimentelle Untersuchungen 23 Bild 3.7: Schematischer Aufbau des Prüfstandes III zur Durchführung von Grübchenversuchen und Einlaufvorgängen 3.1.4 Fehlerabschätzung Alle Messtechnisch erfassten Größen unterliegen einer Abweichung vom Istwert. Diese können auf Basis der Herstellerangaben bestimmt werden. Bei der Bestimmung der Verdrehwinkeländerung schwankt die Impulszahl um ein Digit. Mit Hilfe der in Kapitel 3.9.1 vorgestellten Berechnung ergibt sich hier ein Fehler des Massenabtrages von ± 11 mg. Die aus dem Massenabtrag berechnete Betriebsverschleißrate beinhaltet den ausgewählten Auswertzeitraum. Damit nimmt der Einfluss des Fehlers der Impulszahl mit steigendem Auswertzeitraum ab. Bei einer Auswertzeit von 24 h beträgt die Genauigkeit der Betriebsverschleißrate damit ± 0,5 mg/h. Die Fehler der Messgrößen Drehmoment, Temperatur, Drehzahl und Wassergehalt ergeben sich aus der Messkette von Messwertaufnehmer, Messverstärker und Analog-Digital-Wandler. Die Be-

24 3 Experimentelle Untersuchungen stimmung des Grübchenanteils erfolgt manuell mit Hilfe eines PC-Messtools. Dabei kann der mögliche Fehler nur abgeschätzt werden. Dieser beträgt etwa ± 2 %. Alle Abweichungen können in Tabelle 3.1 entnommen werden. Tabelle 3.1: Messgenauigkeit Messgröße Prüfstand I II III Antriebsdrehzahl ± 2 min -1 ± 1 min -1 ± 2 min -1 Antriebsdrehmoment Abtriebsdrehmoment 1) 1) ± 0,70 Nm ± 0,71 Nm ± 0,2 Nm ± 2,83 Nm ± 7,07 Nm ± 2,83 Nm Temperaturen,, ± 2,5 K Wassergehalt ± 0,03 % Massenabtrag ± 11 mg - 1) bezogen auf das Nenndrehmoment der Messwelle nach dem Gauß schen Fehlerfortpflanzungsgesetz 3.2 Prüfgetriebe In den experimentellen Untersuchungen wird ausschließlich ein Standard-CAVEX-Kataloggetriebe der Bauform CUHW 100 der Firma Flender (Bild 3.8) eingesetzt. In dieser Bauform wird das Gehäuse nicht mehr vertrieben. Das Getriebe weist einen Achsabstand a = 100 mm auf. Das Getriebegehäuse ist ein Standgehäuse, das auf Höhe der Schneckenradachse horizontal in Ober- und Unterkasten geteilt ist. Die Schneckenwelle liegt unten. Insgesamt ist das Gehäuse sehr stark verrippt und führt mit dem auf der Schneckenwelle montierten Lüfterrad die Wärme ab. Der Lüfter dreht mit der Schneckendrehzahl. Insgesamt handelt es sich um ein Gussgehäuse aus EN-GJL- 200.Die horizontale Teilungsebene bietet im Prüfstandbetrieb große Vorteile. So lässt sich die Schneckenradwelle zur Vermessung oder anderen Wartungsarbeiten einfach ohne große weitere Demontagearbeiten entnehmen. Als Lagerung kommt bei der Schneckenwelle eine angestellte Lagerung zur Anwendung. Eingesetzt werden zwei gegeneinander angestellte Schrägkugellager vom Typ 7308. Am Schneckenrad wird ebenfalls eine angestellte Lagerung mit Rillenkugellagern vom Typ 6210-2RS1 realisiert. Das Lagerspiel wird mit Hilfe von Passscheiben bei Raumtemperatur eingestellt. Weiter wird hiermit das lastfreie Anfangstragbild zwischen Schnecke und Schneckenrad eingestellt. Bei Ölsumpfschmierung sind ca. 3 l Schmieröl im Getriebe. Damit ist die Schnecke bis zum Kopfkreisdurchmesser im Öl.

3 Experimentelle Untersuchungen 25 Bild 3.8: Prüfgetriebe Achsabstand a = 100 mm [J1] Die Getriebegehäuse sind für die durchgeführten Versuche mit sehr hohen Wassergehalten mit einem Speziallack versehen. Der Anstrich besteht aus einer Epoxidharz-Grundierung plus Lack. Dieser Lacktyp schützt das Gehäuse gegen Korrosion, ermöglicht eine gründliche Reinigung und ist verträglich mit den Versuchsölen auf Polyglykol- sowie auf Polyalphaolefinbasis. Bild 3.9 zeigt den Innenanstrich in gelb und den Außenanstrich in orange. Innenanstrich (gelb) Außenanstrich (orange) Bild 3.9: Anstrich des Prüfgetriebes Für die Versuche kommen neu gefertigte Schneckenradwellen mit Flansch zur Aufnahme des Schneckenradkörpers zum Einsatz. Diese sind aus einem Stück gefertig, um die Toleranzen be-