Fluidfrei geschmierte Stirnradverzahnung – Konturangepasste Schichtgestaltung und tribologische Bewertung der Leistungsgrenzen
Forschungsthema
| Kurztitel | Fluidfreie Zahnräder II |
| Projektbeginn | Q2/2022 |
| Förderung | DFG-Nr. 357505886, SPP 2074 II, STA 1198/17-2 Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG |
| Kontakt | Dr.-Ing. T. Lohner |
Projektbeschreibung
Konventionelle Stirnradverzahnungen, die hohen mechanischen Belastungen ohne Schmierung mit flüssigem Schmierstoff („fluidfrei“) ausgesetzt sind, zeigen nach kurzer Betriebsdauer Schäden wie Verschleiß, Fressen und Heißlaufen (siehe Abb. 1). Für den sicheren Betrieb fluidfrei geschmierter Verzahnungen darf die systemabhängige Wärmegrenzleistung, die von den Verlustleistungen und der Wärmeabfuhr abhängt, nicht überschritten werden. Unterhalb dieser Grenze ist Verschleiß der fluidfrei geschmierten Zahnflanken infolge des kontinuierlichen Materialabtrags lebensdauerbegrenzend.
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2074 ist die Gestaltung einer fluidfrei geschmierten Stirnradverzahnung mit haltbarer Beschichtung, die hohen mechanischen Belastungen zuverlässig standhält. Hierzu werden neben einer schichtgerechten Auslegung der Stirnradgeometrie, triboaktive Physical Vapour Deposition (PVD)-Beschichtungen eingesetzt, die Reibung und Verschleiß im tribologischen Kontakt reduzieren. Die Festschmierstoffe mit Schichtgitterstruktur werden über Depots, bestehend aus Metall und Schwefel, durch die triboaktiven Beschichtungen bereitgestellt und im Kontakt in situ synthetisiert. Durch eine wärmeabfuhrunterstützende Gestaltung der Zahnradstützstruktur wird die thermische Beanspruchung beschichteter Verzahnungen im fluidfreien Kontakt verringert.
Ziel der zweiten Förderperiode ist die prozessseitige Abstimmung der Schichteigenschaften und der Verzahnungsgeometrien sowie die Übertragung der Erkenntnisse der Transferschichtmechanismen vom Modellkontakt aus der ersten Förderperiode auf Stirnradverzahnungen. Eine quantitative Bewertung der Wärmegrenzleistung und des Verschleißverhaltens dieser beschichteten Stirnradverzahnungen schafft die Grundlagen für die Auslegung fluidfreier Stirnradverzahnungen.
Das Arbeitsprogramm gliedert sich in drei Phasen. In Phase I liegt der Fokus auf der Steigerung der Verbundhaftung triboaktiver Beschichtungen auf der Verzahnung sowie einer gleichmäßigeren Schichtdickenverteilung über der Zahnhöhe durch prozessseitige Anpassungen für den Einsatz auf Verzahnungen. Parallel hierzu wird die Integration wärmeabführender Stützstrukturen untersucht. In Phase II erfolgen experimentelle Analysen zur Wärmegrenzleistung von Verzahnungen im FZG-Zahnradverspannungsprüfstand sowie numerische Berechnungen zur Verlustleistung und Temperaturverteilung. Darüber hinaus werden die Bereitstellungs- und Transfermechanismen der Elemente aus den triboaktiven Beschichtungen in Abhängigkeit unterschiedlicher thermischer und mechanischer Beanspruchungen analysiert. Darauf aufbauend wird in Phase III die Verschleißlebensdauer unterhalb der Wärmegrenzleistung anhand experimenteller Untersuchungen und numerischer Berechnungen zur Identifikation von Versagenskriterien beschichteter Stirnradverzahnungen untersucht. Abschließend werden Empfehlungen zur Gestaltung von haltbaren beschichteten Stirnradverzahnungen unter fluidfreier Schmierung bei hohen Belastungen abgeleitet.
Schlagwörter: PVD, triboaktive Beschichtung, fluidfreie Schmierung, Reibungs und Verschleiß, Verzahnung, Zahnrad, Kontaktsimulation, DLC, (Cr,Al)N+X:S (X = Mo,W), Wirkmechanismen, Bereitstellung, Raman, XPS, ESMA , Wärmegrenzleistung