Deutsche Forschungsgemeinschaft - SPP2074

Kurzfassung „Fluidfrei geschmierte Stirnradverzahnung – tribologische Analyse und konstruktive Auslegung“

Eine optimierte Schmierung von Getrieben ist für einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Tragfähigkeit entscheidend. Heute sind viele Getriebe konventionell mit Fett oder Öl geschmiert. Fluidschmierungen können in Anwendungen mit extremen Umgebungs-bedingungen wie beispielsweise im Vakuum, bei hohen gewichtstechnischen oder extremen thermischen Anforderungen, bei hygienischen Anwendungen und in optischen Geräten nicht eingesetzt werden. Hier ist eine fluidfreie Schmierung mit Festschmierstoffen geeignet, die jedoch charakteristische Unterschiede zur konventionellen Schmierung aufweist und nicht für hohe mechanische Belastungen ausgelegt ist. So erhöht sich beim Wegfall des flüssigen Schmierstoffs in konventionellen Systemen die Reibung, was zu einem hohen Wärmeintrag in die Zahnflanken und aufgrund der geringeren Kühlwirkung zu typischen Zahnradschäden wie Verschleiß, Fressen und Heißlaufen führt.

Das übergeordnete Ziel, des Projekts „Fluidfrei geschmierte Stirnradverzahnung – tribologische Analyse und konstruktive Auslegung“, im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2074 ist die Gestaltung einer fluidfrei geschmierten Stirnradverzahnung, die hohen mechanischen Belastungen zuverlässig standhält. Hierzu werden in der beantragten ersten Förderperiode die tribologischen Wirkmechanismen von Festschmierstoffen in hoch-belasteten Wälzkontakten grundlegend untersucht, wobei der Fokus auf disulfidischen Festschmierstoffen MoS2 und WS2 liegt. Weiterhin werden konstruktive Modifizierungen zur kinematischen und geometrischen Auslegung der Zahngeometrie und zur verbesserten Wärmeabfuhr von Verzahnungen analysiert.

Das Arbeitsprogramm umfasst die Abscheidung triboaktiver (Cr,Al)N+X:S-Beschichtungen 

(X = Mo, W) sowie die Herstellung einer Diamond-like Carbon (DLC)-Referenzbeschichtung und MoS2-, WS2- und Me:S-haltiger Gleitlacke. Der Einbau von Mo und W in die (Cr,Al)N+X:S-Beschichtungen ermöglicht die Bildung der Festschmierstoffe MoS2 und WS2 im tribologischen Kontakt. Deren Transferschichtbildung und Bereitstellungsprozesse werden am Zweischeiben-prüfstand analysiert und beurteilt, um Aussagen zum tribologischen Verhalten bei für Stirnradverzahnungen relevanten Betriebsbedingungen zu erhalten. Zur Analyse der Bereitstellungsprozesse werden die Beschichtungen und Prozesse wissensbasiert angepasst. Zusätzlich wird die Schmierung mittels Opferscheiben untersucht. Eine umfangreiche Oberflächenanalytik und Tribosimulationen erweitern das Verständnis zur Transferschicht-bildung und zu tribologischen Wechselwirkungen. Parallel zur tribologischen Analyse werden maßgeschneiderte Verzahnungsvarianten für fluidfreie Schmierung ausgelegt und als Prototypen gefertigt. Das Potenzial dieser Prototypen wird im Zusammenspiel mit den vielversprechendsten Beschichtungen der tribologischen Analyse am Wirkungsgrad-Zahnradprüfstand bewertet. Diese Untersuchungen bilden den Übergang in eine zweite Förderperiode.

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