Experimentelle Modellierung des FZG-Verzahnungstest nach ISO 14635

Aufgrund knapper werdender Resourcen wächst der Bedarf an nachhaltigen und effizienten technischen Systemen - insbesondere bei hochbelasteten Komponenten wie Zahnradgetrieben. Diese zeichnen sich besonders durch ihre hohe Leistungsdichte aus, unterliegen jedoch komplexe tribologische Beanspruchungen. Die rechnerische Auslegung dieser Zahnräder erfolgt anhand der Berechnung der Tragfähigkeit gemäß DIN 3990. Für die Bewertung der Fresstragfähigkeit des Systems fließt in die Auslegung nach DIN 3990-4 die Schadenskraftstufe des Schmierstoffes nach ISO 14635 ein. Diese wird mithilfe des Zahnradverspannungsprüfstandes ermittelt. Zur Reduzierung des Aufwandes sowie der Kosten wird untersucht, ob diese Fressversuche auch auf Zwei-Scheiben-Tribometern durchführbar sind. Hierfür wurden die auftretenden Hertz'schen Pressungen sowie die mittleren und relativen Geschwindigkeiten mittels analytischer Berechnung auf einen Linienkontakt zwischen zwei Scheiben übertragen. Unter Anwendung einer Prüfstrategie, angelehnt an die Norm ISO 14635, wurden insgesamt 28 Versuche auf einem Zwei-Scheiben-Tribometer durchgeführt. Dabei kamen Prüfscheiben aus einsatzgehärteten Stahl 16MnCr5 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Breite von 3 mm zum Einsatz. Aufgrund mechanischer und thermischer Grenzen der Prüfmaschine wurden beide Geschwindigkeitsparameter verringert, was letztlich in zu niedrigen Schmierstofftemperaturen resultierte. In allen Versuchen mit reduzierter Geschwindigkeit führte Kaltfressen anstelle von Heißfressen zur Schädigung. Daher wurde ein zweites Zwei-Scheiben-Tribometer mit höheren mechanischen und thermischen Belastungsgrenzen konstruiert und in Betrieb genommen. Auf diesem Prüfstand wurden Probenscheiben mit 50 mm und 4 mm Kontaktbreite aus ungehärteten Einsatzstahl 42CrMo4 verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Erhöhung der mittleren Geschwindigkeit auf 3,54 m/s und der relativen Geschwindigkeit auf 3,77 m/s in der vierten Laststufe zu einem Temperaturanstieg von etwa 10 °C führte. Zudem zeigten die Messdaten in der letzten Minute des Versuchs den charakteristischen Reibungsanstieg bis zum sprunghaften Versagen, was typisch für Heißfressen ist. Insgesamt lässt sich aus den Ergebnissen ableiten, dass die Fresstragfähigkeit von Schmierstoffen mit Zwei-Scheiben-Tribometern realitätsnahe bestimmbar ist - sofern die Prüfparameter die realen Bedingungen adäquat darstellen.