3.4 Werkstoffe
3.4.5 Modelluntersuchungen zur Charakterisierung der Werkstoffpaarungen . 32
Die bei Polygon-WNV ablaufenden Verschleiß- und Schädigungsprozesse infolge einer Reibdauerbeanspruchung sind sehr komplex, wie die experimentellen Untersuchungen an P3G-WNV zeigten. Eine exakte Quantifizierung der einzelnen Beanspruchungsgrößen der Bauteile stellt sich schwierig dar, da es zu zeitlichen und örtlichen Änderungen der tribologischen Bedingungen kommt. Wichtige Größen zur Beschreibung des tribologischen Verhaltens von Werkstoffpaarungen stellen die Reibungskoeffizienten µ sowie die Verschleißvolumina in Abhängigkeit der Lastzyklenzahl bei gegebenen Belastungsbedingungen dar. Auch im Hinblick auf eine numerische Simulation der Beanspruchung der P4C-WNV sind diese beiden Werte von großem Interesse.
Bild 3.12: Funktionsschema des Tribometers für reversierende Gleitbewegung [KlHa-96]
Bild 3.13: Seitenansicht des Tribometers mit reversierender Gleitbewegung [KlHa-96]
Aus diesem Grunde wurden Modelluntersuchungen mit den Werkstoffpaarungen, die auch bei den Bauteilversuchen verwendet wurden, an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführt. Entscheidend für die Güte der ermittelten Werte war, daß möglichst ähnliche tribologische Verhältnisse wie bei den P4C-WNV vorlagen.
Charakteristisch für Polygon-WNV sind kleinste Schlupfwege und hohe lokale Flächenpressungen in der Kontaktzone. Daher wurde als Prüfapparatur ein Tribometer für reversierende Gleitbewegung gewählt, wie es in den Bildern 3.12 und 3.13 dargestellt ist.
Vorversuche zeigten eine gute Übereinstimmung der Verschleißerscheinungsformen mit denen der Bauteilversuche.
Die Proben wurden den realen Bauteilen angepaßt. Aus den P4C-Wellen wurde jeweils eine Scheibe mit einer Dicke von 6 mm herausgetrennt, so daß bezüglich der Oberflächengüte, des Materials und des Profils dieselben Verhältnisse wie bei der Originalwelle vorlagen. Als Gegenkörper wurde jeweils eine plane Scheibe aus den für die Nabenherstellung verwendeten Werkstoffchargen eingesetzt. Dabei wurde die Oberfläche derart gefertigt, daß sie der heterogenen Oberflächenstruktur der geräumten Innenprofile entsprach. Die Beanspruchungsbedingungen waren wie folgt festgelegt:
• Schwingweite: dx = 48 - 57 µm,
• Normalkraft: FN= 10 N,
• Frequenz: f = 10 Hz,
• Lastzyklenzahl: n = 500.000,
• Schmierung: keine, entfettet.
FN
dx, v
P4C - Profil
Scheibe
κ < 1°
Bild 3.14: Schematische Darstellung des Tribosystems
In Bild 3.14 ist das Tribosystem schematisch dargestellt. Das Polygonsegment wurde mit einer Normalkraft FN belastet. Durch die reversierende Bewegung der Scheibe entstand in der Kontaktzone der beiden Probekörper eine Gleitbewegung. Zur besseren Verschleißgrößendarstellung wurde das Polygonsegment leicht schräg (Winkel κ < 1°) gestellt, weshalb sich parabelförmige Verschleißspuren auf der Scheibe ergaben, aus denen das jeweilige gesamte Verschleißvolumen der einzelnen Paarungen bestimmt wurde. In der Tabelle 3.8 sind die über die gesamte Zyklenzahl gemittelten Reibungszahlen µ und die Gesamtverschleißvolumina der einzelnen Werkstoffpaarungen aufgeführt.
Die Bestimmung der Verschleißvolumina unterlag aufgrund der rauhen und gerichteten Oberfläche der Scheiben gewissen Unsicherheiten, so daß das Verschleißverhalten der Werkstoffpaarungen vergleichend und nicht absolut betrachtet wurde. Den geringsten Verschleiß wies die Paarung mit der WC/C-beschichteten Welle auf. Zum einen beeinflußte der in der WC/C-Beschichtung eingelagerte Graphit das Reibungsverhalten der Verbindung positiv. Der ermittelte Reibungskoeffizient lag mit 0,44 deutlich unter denen der anderen Paarungen. Zum anderen konnte durch das Wolfram-Carbid ein hoher Verschleißwiderstand auf dem Wellensegment aufgebracht werden. Jedoch zeigte sich bei diesem Versuch, daß nach 500.000 Lastspielen diese Beschichtung durchbrochen war.
Tabelle 3.9: Zusammenstellung der Reibungs- und Verschleißkennwerte Versuch Werkstoffpaarung
Gleitreibungs-koeffizient µ
Verschleiß WVGes
Polygon-Welle Scheibe in 10-6 mm³
5095 2C45N, geschliffen 2C45N 0,70 4337
5092 42CrMoS4V, geschliffen
42CrMoS4V 0,66 10489
5093 2C45N, geschliffen mit WC/C-Beschichtung
2C45N 0,44 584
5094 1C45, stranggezogen 2C45N 0,78 3576
Das Verschleißverhalten der Paarungen mit dem stranggezogenen Wellensegment aus dem Stahl 1C45 sowie der Paarung mit dem geschliffenen Profil aus dem Stahl 2C45N war sehr ähnlich. Während der Reibungskoeffizient bei der erstgenannten Paarung etwas höher lag, wurde bei der zweiten Paarung ein etwas höherer Verschleißbetrag ermittelt.
Der mit Abstand höchste Verschleißbetrag wurde bei der Paarung aus dem Stahl 42CrMoS4V festgestellt. Dieser betrug mehr als das Doppelte der vergleichbaren Paarung aus dem Stahl 2C45N, obwohl der gemittelte Reibungskoeffizient mit einem Wert von 0,66 gegenüber 0,70 sogar etwas niedriger war. Der ermittelte Reibungskoeffizient stimmte sehr gut mit dem von REINHOLZ ermittelten Wert (µ = 0,6 für Gleitreibung bei einer Paarung aus 42CrMoS4V) für dieselbe Werkstoffpaarung überein (vergl. [Rei-94], Kap. 3.4.4). Unter Ölschmierung wurde in seiner Arbeit für dieselbe Werkstoffkombination ein Gleitreibungskoeffizient von µ = 0,13 ermittelt.
3.5 Umgebungsbedingungen
Unter dem Begriff Umgebungsbedingungen werden in dieser Arbeit alle Versuchsparameter verstanden, die sich aus den atmosphärischen Versuchsbedingungen sowie dem Schmierungszustand der P4C-WNV ergeben. Zu den Erstgenannten gehören Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck et cetera. Sie waren bei den experimentellen Untersuchungen keine Versuchsparameter und wurden als konstant angenommen.
Der Schmierungszustand, speziell einer formschlüssigen WNV, ist für den Verschleiß und die Tragfähigkeit ein entscheidender Einflußfaktor. Bei den P4C-WNV wird der größte Teil der Leistung über den Formschluß, also durch Normalkraftanteile übertragen, und die
Reibkraftanteile übernehmen nur einen geringen Teil [Zai-97]. Mit einer Reduzierung des Reibungskoeffizienten sinkt der Reibkraft- und steigt der Normalkraftanteil bei gleicher Drehmomentübertragung. Gleichzeitig nimmt der Schlupf zwischen Welle und Nabe zu.
Während die Reduzierung der Reibschubspannungen das RUIZ-CHEN-Kriterium positiv beeinflußt, wirkt sich eine Zunahme des Schlupfes negativ aus.
Des weiteren sind die Wahl des Schmiermittels sowie die Form der Schmierung für die Verschleißbildung von Bedeutung. Bei Untersuchungen an Zahnwellenverbindungen wurde festgestellt, daß eine Fettschmierung keine positive Wirkung auf den Verschleiß hat, wenn sie als Lebensdauerschmierung angelegt ist, da sie die Verschleißpartikel in der Kontaktzone festhält. Dagegen konnte bei einer Ölschmierung eine beträchtliche Verbesserung festgestellt werden, da neben der Reduzierung der Reibung auch das Herausspülen der Verschleißpartikel eine wesentliche Rolle spielte [DiScWe-93]. Die gleiche positive Wirkung der Ölschmierung stellte auch REINHOLZ bei den P3G-WNV fest [Rei-94].
Für den Vergleich entfettet-geschmiert wurden die P4C-WNV daher im ölgeschmierten Zustand untersucht. Bei der Wahl des Schmiermittels wurde ein Industriegetriebeöl verwendet, wie es auch schon bei den Untersuchungen an den P3G-WNV verwendet wurde [Rei-94]. Es handelte sich um das Getriebeöl Degol BG 32 der Marke ARAL, das nach DIN 51517, Teil 3 einem Schmieröltyp CLP 32 mit einer Viskosität von 32 mm²/s entspricht und damit auch der Anforderung an Praxisbedingungen gerecht wird.