Riefenbildung an einsatzgehärteten Schnecken in Abhängigkeit von

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Die Tragfähigkeit von Zylinder-Schneckengetrieben wird in der Regel durch das
Schneckenrad aus Bronze begrenzt, da die Bronze im Vergleich zum Schneckenwerkstoff
Stahl eine geringere Festigkeit besitzt. In der Praxis treten jedoch auch Schäden am harten
Gegenkörper auf. Man findet starke Riefen in Umfangsrichtung auf den Zahnflanken
einsatzgehärteter Schnecken. Diese Schäden bewirken wiederum einen erhöhten Verschleiß
am relativ weichen Schneckenrad, der zum vorzeitigen Ausfall des Getriebes führen kann.
Ziel des Forschungsprojektes ist es, den Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die
Riefenbildung bei einsatzgehärteten Schnecken speziell im Bereich niedriger Drehzahlen zu
untersuchen.
Variantenversuche zu Baugröße, Tragbildlage, Ölviskosität, Schneckenradbronze erweitern
die Möglichkeit einer Vorhersage der Riefenbildung.
Basierend auf den Ergebnissen eines Vorgängervorhabens [D6], können in Basisversuchen
Betriebsparameter festgelegt werden, bei denen eine starke Riefenbildung zu erwarten ist. Die
durchgeführten Basisversuche bestätigen die Aussagen des Vorgängervorhabens hinsichtlich
der
Riefenbildung.
Der
Drehzahlbereich
unterhalb
n1 = 400 min-1
wurde
im
Vorgängervorhaben nicht untersucht. Für eine niedrigere Drehzahl mit n1 = 60 min-1 liegt eine
verringerte oder keine Riefenbildung vor. Gemäß den Ergebnissen von [D6] kann dieses so
nicht erwartet werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wird anhand der Untersuchungen der gelaufenen
Schneckenflanken gezeigt, dass die Riefen aufgrund eines abrasiven Schädigungsprozesses
hervorgerufen werden. Bei den notwendigen harten Abrasivteilchen handelt es sich weder um
Bronzeteilchen noch um Verunreinigungen des Schmierstoffes. Vielmehr kommt es aufgrund
der spezifischen Belastung im Zahneingriff zu lokalen Beschädigungen der Schneckenflanken,
die einen Initialschaden darstellen. Die herausgelösten Oberflächenfragmente verfügen über
eine ausreichende Härte, um die Schneckenoberfläche zu beschädigen. Bei weiterem Betrieb
des Getriebes betten sich diese harten Stahlpartikel in der weichen Schneckenradbronze ein
und führen zu der beobachteten abrasiven Beschädigung der Schneckenoberfläche. Bei
Tauchschmierung führen einsetzende Riefenschädigung und ein begrenztes Ölvolumen zu
einem schnellen Anstieg der Konzentration von Stahlpartikeln im Schmierstoff, was den
Prozess der Riefenschädigung beschleunigt.
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Riefenbildung lässt sich durch den Einsatz eines Schmierstoffes mit dem Additiv GH6
vermeiden. Des Weiteren kann durch eine hohe Ölreinheit die Riefenschädigung der
Schneckenflanken reduziert werden. Dieses wird durch den Einsatz einer kombinierten
Sumpf-/Umlaufschmierung sowie der Verwendung starker Magneten ermöglicht. Der Einsatz
höherer Ölviskositäten kann die Riefenbildung vermindern. Nicht nachweisbaren Einfluss auf
die
Riefenbildung
zeigen
die
Lage
des
Tragbildes
sowie
die
untersuchten
Schneckenradbronzewerkstoffe. In Versuchen zum Baugrößeneinfluss, bei denen die
Parameter mittlere Gleitgeschwindigkeit und mittlere Hertzsche Flächenpressung konstant
gehalten wurden, zeigt sich lediglich ein marginaler Einfluss auf die Riefenbildung.
Theoretische Betrachtungen der lokalen Verhältnisse im Schmierspalt sowie Stichversuche an
allen
untersuchten
Schmierspalthöhe
Baugrößen
sowie
der
zeigen
in
den
einen
Kontakt
Zusammenhang
zwischen
minimaler
eingebrachten
Leistung.
Um eine
Riefenschädigung auszulösen, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Zum einen muss die
Schmierspalthöhe unterhalb eines kritischen Wertes liegen, zum anderen ist ein gewisser
Energieeintrag in den Schmierspalt notwendig, damit eine Riefenschädigung einsetzen kann.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine Vielzahl von Einflussparametern auf die
Riefenbildung sowie Möglichkeiten ihrer Vermeidung. Theoretische Betrachtungen geben
Hinweise auf die Gültigkeit der vorgestellten Schadenshypothese. Ansätze für ein
Berechnungsverfahren sind vorgestellt. Um ein gültiges Berechnungsverfahren zu erhalten,
sind jedoch zusätzliche Versuche mit verschiedenen Radsatzgeometrien und Baugrößen
notwendig. Auch die Belastungsparameter sind in größerem Rahmen zu variieren, als es in
dieser Arbeit möglich war. Zudem ist es in weitergehenden Versuchen unerlässlich, die
Zahnkontakt- sowie Radmassentemperaturen zu messen.
Der grundlegende Schadensmechanismus, die initiale Schädigung der Schneckenoberfläche
durch Ausbrüche, ist nicht geklärt. Hierzu ist es unerlässlich, bei weiteren Untersuchungen
die Versuche möglichst kurz nach dem ersten Einsetzen des Initialschadens abzubrechen und
metallurgisch zu untersuchen. Es ist speziell auf das Ausgangsgefüge der Schneckenwellen zu
achten. Ein hoher Restaustenitanteil könnte die Entstehung der Ausbrüche begünstigen, da
zumindest theoretisch ein Verschweißen zwischen Austenit und Bronze aufgrund der gleichen
Gitterstruktur möglich ist. Eine Veränderung der Randschicht der Schneckenwellen durch ins
Gefüge diffundierenden, elementaren Wasserstoff ist auszuschließen. Die Untersuchungen
zum Schmierstoffeinfluss zeigen einen Zusammenhang zwischen dem verwendeten
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Schmierstoff und der Riefenbildung. Diese Beobachtungen liefern mögliche Ansatzpunkte für
weitere Betrachtungen der Schadensursache.

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