Tribologische Untersuchungen an Achsgetrieben zur Verbesserung des Wirkungsgrads

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Im Rahmen dieser Arbeit wurden tribologische Untersuchungen zur Wirkungsgradverbesserung an Achsgetrieben durchgeführt, um hierdurch einen weiteren Beitrag zur Kraftstoff- und CO2-Einsparung im Antriebstrang von Pkw-Automobilen zu leisten und diesen in die Serienproduktion umzusetzen. Hierzu wurde einführend der Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad des Achsgetriebes und dem Kraftstoffverbrauch hergeleitet und die wichtigsten Grundlagen sowie der Stand des Wissens zur Ermittlung des Wirkungsgrads an Stirn- und Hypoidzahnrädern erläutert. Als Grundvoraussetzung für eine reproduzierbare und zuverlässige Wirkungsgradmessung wurden die zur Verfügung stehenden Messprinzipien hinsichtlich der Messgenauigkeit und Praxistauglichkeit untersucht. Für die Durchführung der Wirkungsgradversuche, im Rahmen dieser Arbeit, wurde ein Prüfstand nach dem Messprinzip der Leistungsdifferenzmessung für höchstgenaue Wirkungsgradmessungen installiert. Die Schwerpunkte der Arbeit lagen in der Untersuchung der Oberfläche und einer möglichen Beschichtung der Hypoidverzahnung sowie dem Schmierstoff- und Ölmanagement. Analog hierzu wurden am Zweischeibenprüfstand Versuche zu Oberflächenstrukturen, -rauheiten und -beschichtungen an der FZG durchgeführt, um die Zusammenhänge der Reibungszahl und des Schmierfilmaufbaus herauszuarbeiten. Nach den Wirkungsgradmessungen wurden, mit dem Zahnverlustfaktor HV nach Wech, die Reibungszahlen für die verschiedenen untersuchten Modifikationen bestimmt. Es zeigte sich, dass die bisherigen Ansätze der Reibungszahlermittlung bei Hypoidgetrieben die tribologischen Zusammenhänge von Schmierölviskosität und Oberflächenbeschaffenheit nicht gesamtheitlich widerspiegeln. Es wurde ein rechnerischer Ansatz zur Reibungszahlbestimmung, aufbauend auf den Gleichungen von Michaelis und Wech, für heute gängige Oberflächenbearbeitungen und PAO-Schmierstoffe entwickelt. Aus dem Vergleich der Versuchsergebnisse mit den bisherigen Reibungszahlansätzen resultiert, dass bei der Reibungszahl von Hypoidradsätzen zum einen der Viskositätseffekt stärker ausgeprägt ist und dieser zudem von der Oberflächenstrukur abhängt. Zur Optimierung der rechnerischen Ansätze von Wech und Michaelis wurde der tribologische Einflussfaktors Qtrib entwickelt, der diese Ausprägungen besser abbildet. Zur rechnerischen Ermittlung des Einflussfaktors Qtrib wurde ein Oberflächenstrukturfaktor XOS eingeführt, der die Tendenz der Oberflächenrauheit auf die Reibungszahl erfasst. Dieser ersetzt den bisherigen Rauheitsfaktor Ra0, 25, der zwar bei geschliffenen Verzahnungen die Oberflächenrauheit angemessen berücksichtigt, bei geläppten Radsätzen jedoch zu größeren Abweichungen gegenüber den Messwerten führt. Mit Hilfe der Versuche zur Wirkungsgradoptimierung wurden die bisherigen Berechnungsansätze zur Reibungszahl dahingehend verbessert, dass nun die tribologischen Einflussgrössen Viskosität, Oberflächenstruktur und -rauheit im Rahmen der Wertermittlungen berücksichtigt werden.