Einfluss der Richtung der Oberflächengeschwindigkeiten auf Schmierfilmbildung und Reibung im hochbelasteten Punktkontakt
Final Report Abstract
Im Forschungsvorhaben wurde in Modellversuchen am Zweischeibenprüfstand die integrale Schmierfilmdicke im punktförmigen Scheibenkontakt unter elastohydrodynamischen Schmierbedingungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen untersucht. Untersuchungen wurden dabei sowohl im Geradlauf (Achskreuzungswinkel δ=0°) als auch im Schräglauf (Achskreuzungswinkel δ≠0°) durchgeführt. Die Oberflächengeschwindigkeiten der beiden Scheiben waren im Schräglauf in unterschiedliche Richtungen orientiert. Die Versuchsbedingungen waren den Kontaktbedingungen realer Verzahnungen, z.B. Hypoidverzahnungen nachempfunden. Die Betriebsparameter Geschwindigkeit, Last und Temperatur wurden für alle Achskreuzungswinkel δ variiert. Die Ergebnisse zeigen für den kreisförmigen Kontakt im Geradlauf (Achskreuzungswinkel δ=0°) für alle Betriebszustände eine sehr gute Übereinstimmung mit der berechneten Schmierfilmdicke. Mit wachsender Summengeschwindigkeit ist ein Anstieg der gemessenen Schmierfilmdicke zu verzeichnen. Gegensätzlich dazu führt sowohl eine wachsende Hertzsche Pressung als auch eine steigende Massentemperatur zu einem Abfall der gemessenen Schmierfilmdicke. Es wurden Messungen bei verschiedenen Schlupfwerten durchgeführt deren Ergebnisse bestätigen, dass eine Berücksichtigung von überlagertem Schlupf auf die Erhöhung der Massentemperatur durch den Gleitgeschwindigkeitsanteil reduziert werden kann. Es wurde der Einfluss des Achskreuzungswinkels δ auf die integrale Schmierfilmdicke untersucht. Bei gekreuzten Achsen (δ≠0°), insbesondere bei höherer Massentemperatur, wurde dabei eine höhere integrale Schmierfilmdicke hgem als bei Messungen ohne Achsverschränkung (δ=0°) verzeichnet. Im Zuge der experimentellen Versuchsdurchführung wurde eine Streuung der Messergebnisse beobachtet. Demzufolge konnte die Belastbarkeit der Messergebnisse erst mit einer gewissen Anzahl von Wiederholungsversuchen hergestellt werden. Ferner wurde die für den Schmierfilmaufbau im Schräglauf (Achskreuzungswinkel δ≠0°) relevante Geschwindigkeitskomponente untersucht. Durch diese Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass im Schräglauf der Betrag des Summengeschwindigkeitsvektors als die für den Schmierfilmaufbau maßgebende Geschwindigkeitskomponente betrachtet werden kann. Untersuchungen zum Einfluss der Lage des Summengeschwindigkeitsvektors zur Scheibenachse (Geschwindigkeitswinkel εΣ) wurden an kreisförmigen und elliptischen Punktkontakten durchgeführt. Die Messergebnisse zeigen im kreisförmigen Kontakt erwartungsgemäß nahezu keinen Einfluss des Winkels εΣ auf die integrale Schmierfilmdicke hgem. Die Messergebnisse im elliptischen Kontakt lieferten unplausible Werte weshalb der Einfluss des Geschwindigkeitswinkels εΣ auf die Schmierfilmdicke im elliptischen Kontakt durch eine Parameterstudie mit Hilfe eines Simulationsmodells ermittelt wurde. Bei Versuchen mit technisch rauen Oberflächen wurde bereits nach kurzer Prüflaufdauer eine Schädigung der Prüfkörper beobachtet. Dies zeigt, dass bei den vorherrschenden Betriebsbedingungen mit technisch rauen Oberflächen keine ausreichende Trennung der Wälzpartner durch den Schmierfilm vorhanden war. Dies führte zu Festkörperkontakt und schließlich zum Fressschaden an beiden Oberflächen. Zur Unterstützung der experimentellen Versuchsdurchführung wurde ein Simulationsprogramm zur kontaktauflösenden Bestimmung der Schmierfilmdicke in elastohydrodynamischen Punktkontakten aufgebaut. Zur Validierung des Simulationsprogramms wurden Messergebnisse aus der integralen Schmierfilmdickenmessung im Geradlauf (δ=0°), sowie optische Schmierfilmdickenmessungen des tschechischen Forschungspartners bei unterschiedlichen Oberflächengeschwindigkeitsrichtungen herangezogen. Mit Hilfe des Programms war es sowohl möglich die Schmierfilmdicke im EHD Kontakt bei unterschiedlichen Oberflächengeschwindigkeitsrichtungen zu berechnen, als auch die Belastbarkeit der experimentellen Messergebnisse zu überprüfen und sicherzustellen. Nach der Validierung des Simulationsmodells wurde eine Parameterstudie durchgeführt. Durch die Parameterstudie wurde gezeigt, dass die größten minimalen Schmierfilmdicken hmin bei einer Orientierung des Summengeschwindigkeitsvektors senkrecht zur großen Halbachse der Kontaktellipse (εΣ=90°), die ungünstigsten und schadenskritischen Schmierbedingungen bei einer Orientierung des Summengeschwindigkeitsvektors parallel zur großen Halbachse der Kontaktellipse (εΣ=0°) auftreten.
Publications
- Influence of surface velocity directions on lubricant film formation in EHL point contacts. 37th Leeds-Lyon Symposium on Tribology, Leeds, 7. – 10. September 2010
B.-R. Hoehn, K. Michaelis, J. Mayer, A. Weigl
- Influence of surface velocity directions on lubricant film formation in EHL point contacts. Tribology International, Vol. 47, pp. 9–15, März 2012
B.-R. Hoehn, K. Michaelis, J. Mayer, A. Weigl
- Theoretical and experimental investigations of EHL point contacts with different entrainment velocity directions. Tribology Transactions, Vol. 56, Issue 5, pp. 728–738, Juni 2013
K. Stahl et al.
(See online at https://doi.org/10.1080/10402004.2013.785624)
