Eine tribologisch verschlissene WNV kann dazu führen, dass diese nicht mehr zerstörungsfrei zu trennen ist und den Komplettausfall des Antriebssystems zur Folge hat. Makroskopisch betrachtet ist bei einer WNV keine Relativbewegung zwischen den Kontaktpartnern zu beobachten. Auf mikroskopischer Ebene kann unter anderem durch Form- und Lageabweichung, Vibrationen oder Lastwechsel eine oszillierende Relativbewegung induziert werden, die zu einem vielfältigen Verschleiß der Kontaktpartner führt. Der durch Schwingung induzierte Verschleiß wird in der Literatur als Fretting bezeichnet [1]. Um die Oberflächen der Kontaktpartner einer WNV effektiv vor Fretting zu schützen, wird in der Regel eine Anti-Fretting-Paste eingesetzt. Durch die Bildung einer geeigneten tribologischen Reaktionsschicht können die Kontaktpartner einer WNV während ihrer geplanten Gebrauchsdauer effektiv vor Fretting geschützt werden [2]. Aus Wissenschaft und Forschung 48 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 4/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0023 Grundlagen und Motivation Im Hinblick auf die Herausforderung in der Gestaltung eines nachhaltigen industriellen Antriebssystems wird die Welle-Nabe-Verbindung (WNV) als tribologisches System häufig nicht berücksichtigt. Dabei ist es unabdingbar, eine Trennbarkeit von zerstörungsfrei lösbar ausgelegten WNV zu gewährleisten, um die Wartung eines Antriebssystems auf möglichst lange Zeit sicherzustellen und dadurch effektiv Ressourcen zu schonen. Vergleichbarkeit von Prüfmethoden auf unterschiedlichen Modellebenen zur Qualifikation einer Anti-Fretting-Paste Georg Ochs, Henrik Buse, Alexander Hüttinger, Markus Wöppermann, Jörg Hermes* Dieser Beitrag wurde im Rahmen der 63. Tribologie-Fachtagung 2022 der Gesellschaft für Tribologie (GfT) eingereicht. Anti-Fretting Pasten stellen ein wirksames Mittel dar, um die Kontaktpartner von Welle-Nabe-Verbindungen in einem industriellen Antriebssystem vor dem Verschleißphänomen Fretting zu schützen. Eine Qualifizierung einer Anti-Fretting-Paste im gesamten industriellen Antriebssystem ist auf Grund der vielfältigen Umgebungseinflüsse nicht wirtschaftlich abzubilden. In dem Beitrag wird das tribologische System einer Welle-Nabe-Verbindung entlang einer Prüfkette auf Modellebenen abstrahiert und auf Modellprüfständen untersucht. Die Ergebnisse werden unter Verwendung einer feldnahen Applikation mit realen Welle-Nabe-Verbindungen validiert, um schlussendlich eine passende Modellprüfung für zukünftige Qualifizierungen abzuleiten. Schlüsselwörter Fretting, Anti-Fretting-Paste, Welle-Nabe-Verbindung, Passungsrost, Tribokorrosion, Modellprüfungen, SRV, BigFret Comparability of test methods at different model levels for qualification of an anti-fretting paste Anti-fretting pastes are an effective way of protecting the contact partners of shaft-hub connections in an industrial drive system from the wear phenomenon of fretting. Qualification of an anti-fretting paste in the entire industrial drive system is not economically feasible due to the wide range of environmental influences. Therefore, the tribological system of a shaft-hub connection is abstracted along a test chain on model levels and investigated on model test rigs. The results are validated using a near-field application with real shaft-hub connections to finally derive a suitable model test for future qualification. Keywords Fretting, Anti-fretting-paste, Shaft-hub-connection, Tribocorrosion, SRV, BigFret Kurzfassung Abstract * M.Sc. Georg Ochs 1 M.Sc. Henrik Buse 2 Dipl.-Ing. Alexander Hüttinger 1 Dr.-Ing. Markus Wöppermann 1 Dr.-Ing. Jörg Hermes 1 1 SEW-EURODRIVE GmbH & Co KG Ernst-Blickle-Straße 46, 76646 Bruchsal 2 Hochschule Mannheim - Kompetenzzentrum Tribologie Paul-Wittsack-Straße 10, 68163 Mannheim Eine systematische Qualifizierung einer Anti-Fretting- Paste im gesamten industriellen Antriebssystem ist weder zeitlich noch wirtschaftlich abzubilden. Der Zweck dieser Veröffentlichung ist es daher, das tribologische System der WNV auf Modellebenen zu abstrahieren und schlussendlich geeignete Modellprüfungen zu erarbeiten, die das reale Antriebssystem abbilden. Entlang der Prüfkette wird dabei betrachtet, wie die Ergebnisse der einzelnen Modellebenen miteinander korrelieren und wie zukünftig ein zielgerichteter Screening-Test zur Qualifikation von Anti-Fretting-Pasten abgeleitet werden kann. Zur Validierung der Modellprüfungen wird im Anschluss ein Abgleich mit einer realen WNV in einer feldnahen Applikation durchgeführt. Prüfbedingungen Ziel dieser Arbeit ist es, das tribologische System der WNV im ersten Schritt einer Prüfkette auf einer möglichst einfachen Modellebene zu abstrahieren. Dafür bieten sich die Prüfbedingungen der bestehenden Norm ASTM D7594-19 [3] an. Das tribologische System wird in einem Punktkontakt abgebildet, umgesetzt durch eine Kugel und Platte, jeweils aus 100Cr6 gefertigt. Als Prüfgerät wird ein Optimol SRV-IV-Tester verwendet. Die detaillierten Prüfparameter sind Tabelle 1 zu entnehmen. Für eine weitere Differenzierbarkeit der Anti-Fretting-Pasten werden in einem zweiten Schritt die verschärften Prüfbedingungen nach Busch und Weber (B&W) [2] herangezogen, siehe dazu Tabelle 1. Diese zeichnen sich durch einen kürzeren Hub und einer höheren Last gegenüber der ASTM D7594-19 [3] aus. Im darauffolgenden Schritt der Prüfkette wird die Komplexität des Prüfmodells erhöht, indem ein flächiger Kontakt zur Abstraktion des Frettingkontakts verwendet wird. Die Experimente werden auf dem „BigFret“ Fretting-Tester (BF) der Hochschule Mannheim - Kompetenzzentrum Tribologie durchgeführt, welcher in der Veröffentlichung [4] näher beschrieben wird. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Um die Bedingungen des realen tribologischen Systems möglichst real abzubilden, werden die Probenkörper aus Komponenten der realen WNV herausgearbeitet. Die Materialpaarung und die maßgeblich relevanten Oberflächentopographien bleiben dabei erhalten. Die Tests werden mit einer Stahl-Stahl-Paarung und einer Stahl-Bronze-Paarung durchgeführt. Den Prüfungen auf den Modellprüfständen ist ein Reibwert > 0,6 als Abbruchkriterium hinterlegt. Zur Validierung der Annahmen und Modellprüfungen werden im Anschluss in einer feldnahen Applikation die Anti-Fretting-Pasten mit einer realen WNV getestet. Als WNV wird das TorqLOC ® -System [5] verwendet, aus dem in den vorherigen BF-Modellprüfungen die Probenkörper für die Stahl-Bronze-Materialpaarung extrahiert wurden. Die Lastwechsel und Vibrationen der Applikation führen bei einer nicht zweckmäßigen Anti- Fretting-Paste reproduzierbar zu Fretting. Die Laufzeit der Prüfungen beträgt 2016 h und wird nicht frühzeitig beendet. Als Ergebnis wird die durch Fretting korrodierte Fläche qualitativ abgeschätzt. Ergebnisse Initial ist das Vorhaben mit 13 potentiellen Anti-Fretting-Pasten gestartet. Entlang der zuvor beschriebenen Prüfkette wurde nach jedem Schritt nur eine Auswahl der aussichtsreichsten Anti-Fretting-Pasten für die nachfolgende Modellebene berücksichtigt. Nachfolgend wird die komplette Prüfkette exemplarisch anhand von zwei Mustern (nachfolgend als M1 und M2 bezeichnet) vorgestellt. In den folgenden Abbildungen sind optische Aufnahmen von M1 und M2 nach Erreichen des Prüfziels oder bei vorzeitigem Überschreiten des Abbruchkriteriums dargestellt. Die Verschleißspuren der SRV-Prüfung mit den Bedingungen nach ASTM D7594-19 sind in Bild 1.1 und Bild 1.2 abgebildet. Bei beiden Mustern sind nach wie vor die initialen Bearbeitungsstrukturen deutlich zu erkennen. Die Umkehrpunkte der Kugel sind bei M1 erkennbar und zeigen schwach ausgeprägte abrasiv wirkende Verschleißspuren in Bewegungsrichtung. In beiden Fällen ist das Prüfziel von 1 h erreicht worden. Im Gegensatz dazu wurde mit der Prüfbedingung nach [2] das Prüfziel von 1 h nur von M2 erreicht. Auch in diesem Fall hebt sich die Verschleißspur nur leicht von den initialen Bearbeitungsspuren der Oberfläche ab, siehe Bild 1.4. Die Verschleißspur, zu sehen in Bild 1.3 von M1, zeigt dahingegen ein deutliches Überschwingen des vorgegebenen Hubs und eine metallisch glänzende Verschleißkalotte in der Größe der Kontaktfläche der Kugel. Aus Wissenschaft und Forschung 49 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 4/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0023 Prüfung Normalkraft Hub Frequenz Temperatur Prüfziel SRV- ASTM D7594-19 100 N 300 µm 50 Hz 50 °C 1 h SRV-B&W 200 N 100 µm 50 Hz 50 °C 1 h BF, Stahl-Stahl 2000 N 250 µm 50 Hz 30 °C 48 h BF, Stahl-Bronze 2000 N 250 µm 50 Hz 30 °C 48 h Tabelle 1: Prüfparameter der Modellprüfungen arbeitungsstrukturen nur noch zu erahnen. Die verschlissene Oberfläche zeigt eine deutliche Farbveränderung gegenüber der ursprünglichen Oberfläche. Die Ergebnisse der Prüfungen der feldnahen Applikation sind in Bild 3.1 und Bild 3.2 abgebildet. Zu sehen sind die Klemmhülsen aus Bronze der WNV TorqLOC ® . Die Oberfläche der mit M1 benetzten Klemmhülse ist nach Laufzeitende in Bild 3.1 zu sehen. Über den Umfang verteilt ist eine Fläche von ~ 45 % mit Fretting überzogen. Demgegenüber zeigt die Oberfläche der Klemmhülse in Paarung mit M2, siehe Bild 3.2, keinerlei Veränderung durch Fretting. Diskussion Wie in der Veröffentlichung nach [2] beschrieben, zeigen die angepassten Prüfbedingungen der ASTM D7594-19 auch in dieser Arbeit eine Verschärfung des tribologischen Systems. Der verkürzte Hub kann den Schmierstoff daran hindern, in ausreichender Menge in den Kontakt nachzufließen, um die Kontaktpartner effektiv zu schützen. Die verbreiterte Laufspur in Bewegungsrich- Aus Wissenschaft und Forschung 50 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 4/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0023 Die verschlissenen Oberflächen der Stahl-Stahl-Paarung der BF-Prüfungen sind in Bild 2.1 - Bild 2.4 zu sehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nur der technisch relevantere Kontaktpartner in den folgenden Abbildungen gezeigt. Die Paarung mit M1 hat das Abbruchkriterium bereits nach einer Laufzeit von 5 min erreicht. Die Oberfläche des Probenkörpers, siehe Bild 2.1, zeigt einen metallisch glänzenden Bereich, in dem sich die Oberfläche gegenüber der originalen Oberfläche unterscheidet. Demgegenüber sind auf der Oberfläche mit M2, siehe Bild 2.2, nach wie vor die initialen Bearbeitungsstrukturen erkennbar. Lediglich die Rauheitsspitzen zeigen eine Einglättung. Das Prüfziel von 48 h wurde erreicht und der Versuch wurde ohne weitere Auffälligkeiten beendet. Die Laufzeit der Bronze-Stahl-Paarung mit M1 ist mit 12 h 43 min erheblich länger als in der vorangegangenen Stahl-Stahl-Materialpaarung. Allerdings wurde auch in diesem Fall das Abbruchkriterium vorzeitig erreicht. Die Oberfläche zeigt neben einem mechanischen Verschleiß eine deutliche farbliche Veränderung zur originalen Oberfläche, siehe Bild 2.3. Die Bronze-Stahl-Paarung mit M2 hat das Prüfziel von 48 h erreicht. Auf der Oberfläche, siehe Bild 2.4, sind die Be- Bild 1.1: Oberfläche nach Prüfung auf dem SRV, mit Prüfbedingung ASTM D7594-19 mit Muster 1 (oben links) Bild 1.2: Oberfläche nach Prüfung auf dem SRV, mit Prüfbedingung ASTM D7594-19 mit Muster 2 (oben rechts) Bild 1.3: Oberfläche nach Prüfung auf dem SRV, mit Prüfbedingung B&W mit Muster 1 (unten links) Bild 1.4: Oberfläche nach Prüfung auf dem SRV, mit Prüfbedingung B&W mit Muster 2 (unten rechts) Muster 1 SRV-B&W SRV-ASTM D7594-19 Muster 2 1.1 1.2 1.3 1.4 tung, zu sehen in Bild 1.3, deutet auf ein Haften und Losbrechen der Kugel hin, bevor das System mit M1 durch Mangelschmierung adhäsiv versagt. Ein ähnliches Schadensbild ist in dem Versuch mit M1 auf dem BF er- Aus Wissenschaft und Forschung 51 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 4/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0023 Bild 2.1: Oberfläche nach Prüfung auf dem BF mit Muster 1, Stahl-Stahl-Paarung (oben links) Bild 2.2: Oberfläche nach Prüfung auf dem BF mit Muster 2, Stahl-Stahl-Paarung (oben rechts) Bild 2.3: Oberfläche nach Prüfung auf dem BF mit Muster 1, Stahl-Bronze-Paarung (unten links) Bild 2.4: Oberfläche nach Prüfung auf dem BF mit Muster 2, Stahl-Stahl-Paarung (unten rechts) Muster 1 Muster 2 2.1 2.2 2.3 2.4 Bild 3.1: Bronzeklemmhülse nach 2016 h mit Muster 1 (rechts) Bild 3.2: Bronzeklemmhülse nach 2016 h mit Muster 2 (links) 3.1 3.2 werden kann. Insbesondere im Falle einer Stahl-Bronze-Paarung stellt der BF eine ideale Möglichkeit dar, die reale WNV zeitgerafft abzuprüfen. Entlang der dargestellten Prüfkette konnte aufgezeigt werden, dass in Abhängigkeit der vorliegenden Materialpaarung aussagekräftige, zeitlich geraffte Prüfungen auf Modellprüfständen zu belastbaren Aussagen führen können. Aufgezeigt ist eine Möglichkeit zur systematischen Qualifizierung von Anti-Fretting-Pasten, welche am Beispiel eines realen WNV-Systems in einer feldnahen Applikation verifiziert wurde. Literatur [1] Czichos, Horst, and Karl-Heinz Habig. „Tribologie-Handbuch: Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik“. Springer-Verlag, 2015. [2] Busch, C., Weber, S. and Schneider, R. (2017). “Fundamental studies on tribolayers created by lubricating pastes with new additive packages”, Industrial Lubrication and Tribology, Vol. 69 No. 1, pp. 1-7. [3] ASTM D7594-19. “Standard Test Method for Determining Fretting Wear Resistance of Lubricating Greases Under High Hertzian Contact Pressures Using a High-Frequency, Linear-Oscillation (SRV) Test Machine” [4] Buse, H.; Schueler, F.; Hodúlová, E. “Planar Contact Fretting Test Method Applied to Solid Lubricants”. Lubricants 2021, 9, 58. [5] TorqLOC ® -Klemmverbindung, 16.08.2022 https: / / www.sew-eurodrive.de/ produkte/ getriebe/ standardgetriebe/ zubehoer_und_optionen/ torqloc_-_klemmverbindung/ torqloc_-_klemmverbindung.html Aus Wissenschaft und Forschung 52 Tribologie + Schmierungstechnik · 69. Jahrgang · 4/ 2022 DOI 10.24053/ TuS-2022-0023 kennbar, siehe Bild 2.1. Die Schadensursache ist ebenfalls auf ein Versagen durch Adhäsion zurückzuführen. Die Stahl-Stahl-Materialpaarung ist mit M2 effektiv vor Fretting geschützt. Der Schadensmechanismus der Stahl-Bronze-Materialpaarung unterscheidet sich zu der Stahl-Stahl-Paarung bei den Prüfungen auf dem BF. In diesem Fall scheint es zuerst eine oberflächliche tribochemische Reaktion zu geben, durch die sich die Oberfläche farblich zum ursprünglichen Zustand verändert, siehe Bild 2.3 und Bild 2.4. Die tribologische Reaktionsschicht scheint die Oberflächen zunächst vor Adhäsion zu schützen, bis es dennoch zu einem adhäsiven Verschleiß bei M1 führt, siehe Bild 2.3. Trotz einer Laufzeit von 2016 h im realen WNV-System zeigt die bronzene Klemmhülse in Kombination mit M1, siehe Bild 3.1, nur eine stellenweise farbliche Veränderung der Oberfläche und keinen Verschleiß durch Adhäsion. Das führt zu der Hypothese, dass die Bedingungen des BFs eine zeitliche Raffung des tribologischen Systems mit einem gleichen Schadensmechanismus zur Folge haben. Erkenntnis und Zusammenfassung Die Prüfparameter nach [2] stellen unter der Verwendung eines SRV-Prüfstands effektive Rahmenbedingungen zum schnellen und aussagekräftigen Screening von Anti- Fretting-Pasten in Kombination mit einer 100Cr6- 100Cr6-Paarung dar. In der vorliegenden Untersuchung konnte auf dem BF die auf einem SRV-Prüfstand gewonnenen Ergebnisse mit einer 42CrNiMo4-X17CrNi16- Materialpaarung bestätigt werden, wobei dies nicht allgemeingültig auf andere Stahlpaarungen übertragen