te sind jedoch auch Prüfungen bei niedrigeren Viskositätsklassen, üblicherweise ISO VG 150, durchaus geläufig. Bei der Prüfung dieser vergleichsweise niedrigen Viskositätsklassen, ohne Änderung des Grundöltyps oder der Additivierung, wurde beobachtet, dass häufig Prüflinge nicht durch Grauflecken, sondern vorzeitig durch Pitting ausfallen. Damit stellt sich insbesondere Aus der Praxis für die Praxis 58 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0025 Ausgangssituation Mit der Auswahl geeigneter Schmierstoffe kann die Tragfähigkeit von Verzahnungen hinsichtlich Fressen, Langsamlauf-Verschleiß und Zahnflankenermüdung positiv beeinflusst werden. Die zugehörigen Schmierstoff- Prüfverfahren zur Analyse des Schmierstoffeinflusses sind in der Literatur beschrieben [FVA 2/ 3, FVA 54/ 7, DGMK 377] bzw. genormt [ISO 14635]. Für die Zahnflankenermüdung durch Grauflecken wird bisher auf die in [FVA 54/ 7] beschriebene Methode zurückgegriffen. Historisch wurden überwiegend Industriegetriebeöle der häufigsten Viskositätsklasse ISO VG 320 im Graufleckentest am FZG-Prüfstand untersucht. Heu- Viskositätseinfluss auf Pitting- Frühausfälle im Graufleckentest Torben Fruth, Christian Seyfert, Tobias Schürmann, Matthias Marquart* Flankenformveränderungen durch Grauflecken sind ein wichtiger Schadensmechanismus in Zahnradgetrieben, so dass die Graufleckentragfähigkeit in die Getriebeauslegung einließt. Zur Charakterisierung des Schmierstoffeinflusses wird der FZG-Graufleckentest herangezogen. Bei Unterschreitung einer gewissen Nennviskosität im Dauertest dieser Prüfung ist mit einem vorzeitigen Ausfall durch Grübchen zu rechnen. Im Hinblick auf den aktuellen Normungsentwurf der DIN 3990-16 stellt sich die Frage, ob ein Graufleckentest bei Viskositätsklassen kleiner ISO VG 220 repräsentativ ist. Zugrundeliegende Effekte und Zusammenhänge werden im Beitrag aufgezeigt und veranschaulicht. Schlüsselwörter FZG, Grauflecken, DIN 3990-16, Pitting, Grübchenbildung, Viskosität, Tragfähigkeit Tooth profile deviation by micro-pitting is an important failure mechanism in gear boxes. Thus, the loadcarrying capacity of lubricants is part of gear box design. The impact of the applied lubricant is determined by the FZG micro-pitting test. If a certain nominal viscosity is not reached, premature failure due to pitting can be expected in the endurance part of this test. Looking at the current standardization attempt within draft DIN 3990-16, it is questionable whether this test is representative for fluids of viscosity class less than ISO VG 220. Underlying and correlating effects are shown and exemplified in the article. Keywords FZG, micro-pitting, DIN 3990-16, pitting, viscosity, load-carrying capacity Kurzfassung Abstract * Dr.-Ing. Torben Fruth orcid-iD: https: / / orcid.org/ Dr. rer. nat. Christian Seyfert orcid-iD: https: / / orcid.org/ Tobias Schürmann orcid-iD: https: / / orcid.org/ FUCHS Schmierstoffe GmbH, 68169 Mannheim Dr.-Ing. Matthias Marquart orcid-iD: https: / / orcid.org/ Inoviga GmbH, 68163 Mannheim Bild 1: Mittlere Profilformabweichung im Stufentest für vergleichbare Schmierstoffe unterschiedlicher Viskositätsklasse, * markiert den Wiederholungsversuch auf der Rückflanke TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 58 im Hinblick auf den aktuellen Normungsentwurf der [DIN 3990-16] die Frage, ob ein Graufleckentest bei diesen Viskositätsklassen repräsentativ ist. Der zugrundeliegende Effekt und relevante Zusammenhänge sollen in diesem Beitrag untersucht werden. Experimentelle Beobachtungen Die Klassifizierung eines Schmierstoffes im FZG-Graufleckentest, die sogenannte Grauflecken-Klasse (GF-Klasse), erfolgt im Rahmen eines Stufentests, dessen Wiederholung sowie eines Dauertests unter definierten Prüf- und Belastungsbedingungen. Ausschlaggebend für die Bewertung ist hierbei die durch Graufleckigkeit bedingte mittlere Profilformabweichung der Prüfverzahnung. Weiterhin umfassen die Prüfberichte Aussagen bzgl. der mittleren Graufleckenfläche sowie des Massenverlustes im Verlauf der Prüfung. Bild 1 zeigt die im Versuch ermittelte mittlere Profilformabweichung für die Kraftstufen 9 und 10 im Stufentest für PAO-basierte Schmieröle mit jeweils vergleichbarer Additivierung jedoch unterschiedlicher Viskositätsklassen. Die Auswertung des Stufentests ergibt für alle gezeigten Schmierstoffe eine Schadenskraftstufe (SKS) von 10 oder höher 10 ohne systematischen Einfluss der Nennviskosität. Die Analyse der mittleren Graufleckenfläche im Stufentest zeigt tendenziell erhöhte Werte im Bereich der niedrigeren Viskositätsklasse, erlaubt jedoch keine pauschalisierte Schlussfolgerung (Bild 2). Es wurde ein erhöhter Massenverlust im Stufentest bei niedrigerer Viskosität festgestellt (Bild 3), jedoch beeinflusst dies nicht die Klassifizierung in eine GF-Klasse. Bei der Durchführung der Dauertests ist auffällig, dass jeder der hier vorgestellten Prüfkandidaten der ISO VG 150 durch Pitting und damit einen für das Prüfverfahren sekundären Schadensmechanismus ausgefallen ist. Bild 4 zeigt die mittlere Profilformabweichung im Dauertest für die zugehörige Laststufe bzw. die zugehörige Prüfzeit (kummuliert für LS 10). Die Pitting-Ausfälle sind gesondert gekennzeichnet. Ein tendenzieller Zu- Aus der Praxis für die Praxis 59 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0025 Bild 2: Mittlere Graufleckenfläche im Stufentest für vergleichbare Schmierstoffe unterschiedlicher Viskositätsklasse Bild 3: Massenverlust im Stufentest für vergleichbare Schmierstoffe unterschiedlicher Viskositätsklasse Bild 4: Mittlere Profilformabweichung und Pitting im Grauflecken- Dauertest für vergleichbare Schmierstoffe unterschiedlicher Viskositätsklasse TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 59 Ritzels. Erkennbar ist, dass mit zunehmender Laststufe die Hertzsche Pressung erwartungsgemäß zunimmt (Bild 6). Im Bereich des Wälzpunktes (73,20 mm) ist diese am höchsten. Die Kontakttemperatur dagegen findet im Bereich des Wälzpunktes ihren geringsten Wert (Bild 7). Ursache hierfür ist, dass in diesem Bereich ein reines Abrollen stattfindet. Außerhalb gleiten die Kontaktpartner aufeinander ab. Dabei befinden sich die Tribopartner im Bereich der Mischreibung, erkennbar an der relativen Schmierfilmdicke (Bild 8), was aufgrund des Graufleckentests durchaus gewollt ist. In diesen Bereichen finden sich Festkörperkontakte, die sich in einer sog. Blitztemperatur äußern. Diese Blitztemperatur beeinflusst die Massentemperatur (MT) und addiert sich im Kontakt zu selbiger. Nachfolgend wurde der Einfluss der Viskosität auf die zuvor betrachteten Kontakt-Ergebnisgrößen untersucht. Die Viskositätsklasse hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Pressungsverhältnisse in den Verzahnungskontakten, beeinflusst jedoch durchaus die resultierenden Kontakttemperaturen und relativen Schmierfilmhöhen (exemplarisch dargestellt für Laststufe 8 (171,6 Nm Verspannmoment am Ritzel) in Bild 9 und Bild 10. Aus der Praxis für die Praxis 60 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0025 sammenhang zwischen der mittleren Profilformabweichung und einem auftretenden Pitting-Schaden ist bei der alleinigen Auswertung der mittleren Profilformabweichung im Dauertest der Grauflecken-Prüfung nicht erkennbar. Berechnungen zum Systemverständnis Mittels der FVA-Workbench (FVA-Ritzelkorrekturprogramm RIKOR Version J 1.0.2) wurde ein Modell des Prüfgetriebes aus einem FZG-Verspannungsprüfstand aufgebaut um zunächst das generelle Systemverständnis zu festigen. In Bild 5 ist dieses Getriebe, bestehend aus Ritzel und Rad sowie vier Stützlagern, zu sehen. Das Gehäuse wird als ideal steif angenommen. Die berechneten Betriebspunkte setzen sich aus den Rahmenbedingungen der [DIN 3990-16] zusammen. Zunächst wurde bei gleichbleibender Viskositätsklasse ISO VG 320 die Laststufe (LS) nach [DIN 3990-16] variiert. Die Kurvenverläufe sind jeweils für die Zahnmitte ausgewertet und zeigen den Verlauf von Zahnfuß (ab ca. 67,66 mm) zu Zahnkopf (bis ca. 82,64 mm) des Bild 5: Nachbildung des FZG-Prüfgetriebes Bild 6: Einfluss der Laststufe auf die kontaktpressung Bild 8: Einfluss der Laststufe auf die relative Schmierfilmhöhe Bild 7: Einfluss der Laststufe auf die kontakttemperatur TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 60 Berechnung der Grauflecken- und Grübchentragfähigkeit Grundsätzlich gibt es für eine Berechnung der Graufleckentragfähigkeit Ansätze der Vorhersage, jedoch basieren diese Ansätze auf einer experimentell ermittelten Graufleckentragfähigkeit mittels FZG-Prüfstand. Im Einzelnen wird bei der Abschätzung auf Graufleckengefährdung eine örtliche relative Schmierfilmdicke λ GF = h min / R a mit R a = (R a1 + R a2 )/ 2 berechnet. Aus vorangestellten Tests ist dann λ GFP bekannt. Somit ist eine lokale Graufleckengefährdung für den Fall λ GF ≤ λ GFP gegeben. Dies bedeutet, dass für die Berechnung einer Graufleckengefährdung entsprechende FZG-Graufleckentests notwendig sind. Damit kann für ein neues Produkt keine Graufleckengefährdung vorab bewertet werden. Für die Grübchentragfähigkeit gibt es hingegen umfangreiche Berechnungsansätze, u. a. nach [DIN 3990- 2]. Hier wird die auftretende Flankenpressung unter Berücksichtigung einer nominellen Flankenpressung, ergänzt um Faktoren für die Lastverteilung (z. B. Breitenlast k Hβ ) sowie weiteren Faktoren wie dynamischen Zusatzkräften oder mehrerer Zähne im Eingriff, bestimmt. Weitere Faktoren erfassen den Schmierstoffeinfluss, werden dabei aber auf die limitierende Spannung multipliziert. Die nachfolgend aufgeführten Berechnungsergebnisse basieren auf der Berechnungsvorschrift nach [DIN 3990-2] Methode C. In dieser Methode wird vereinfachend angenommen, dass jedes Zahnradpaar ein elementares Massen- und Federsystem bildet. Der Einfluss anderer Stufen eines Getriebes wird in dieser Methode nicht berücksichtigt. Weiterhin wird ebenfalls vereinfachend angenommen, dass beide Räder aus einem Eisenwerkstoff bestehen und der Eingriffswinkel bei 20° liegt. Dies ist für einen FZG-Verspannungsprüfstand gegeben. Eine Tragfähigkeitsberechnung für Zahnräder orientiert sich im Allgemeinen an 50 Mio. Lastwechseln. Entsprechend sind auch die Werkstoffkennwerte bestimmt. Grundsätzlich berücksichtigt die Norm umfangreich verschiedenste Einflussgrößen. In der gesamten Auslegung wird der Schmierstoff in Form eines Sicherheitsfaktors ZL berücksichtigt, welcher abhängig vom Dauerfestigkeitswert für die Flankenpressung für unterschiedliche Nennviskositäten für Mineralöle (mit und ohne EP-Additive) empirisch ermittelt wurde und einen großen Streubereich aufweist. Bild 11 zeigt exemplarisch die für die nachfolgenden Berechnungen gewählte Abhängigkeit des Schmierstofffaktors Z L von der Nennviskosität (angelehnt an [DIN 3990-2]). Die Berechnung der Sicherheit gegen Grübchenbildung hängt unmittelbar vom Schmierstofffaktor Z L ab. In den nachfolgenden Abbildungen wurde der Einfluss der gewählten Viskositätsklasse auf die Berechnung der Sicherheit gegen Grübchenbildung in Abhängigkeit der gewählten Laststufe (Verspannmoment am Ritzel) der FZG-Prüfung untersucht. Aus der Praxis für die Praxis 61 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0025 Bild 10: Einfluss der Viskosität auf die relative Schmierfilmhöhe Bild 11: abhängigkeit des Schmierstofffaktors ZL von der Nennviskosität (nach [DiN 3990-2]) Bild 9: Einfluss der Viskosität auf die kontakttemperatur TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 61 am Wälzkreis für die Laststufe 10 sowie die kinematischen Viskositäten des FVA 3 - Öls bei diesen Temperaturen. Die Grauflecken-Prüfung nach [DIN 3990-16] Aus der Praxis für die Praxis 62 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0025 Im FZG-Graufleckentest findet die Dauerprüfung zunächst 80 h bei Laststufe 8 und anschließend maximal 400 h in Laststufe 10 statt. Bild 12 verdeutlicht, dass insbesondere bei vergleichsweise geringen Viskositäten die Sicherheit gegen Grüchenbildung unter den Wert 1 abfällt. Durch die erhöhten Belastungen am Ritzel ist die ermittelte Sicherheit für das Ritzel im Gegensatz zum Rad reduziert (Bild 13). Dies deckt sich mit der Erfahrung, dass erste Schadensbilder im betrachteten Prüfverfahren am Ritzel auftreten. Abschätzung des Versagensmechanismus bei Graufleckentests mit vergleichsweise geringer Viskosität Für die vorliegende Fragestellung ist zunächst Bild 14 interessant. Das Diagramm zeigt wie die Massentemperatur in Abhängigkeit der angelegten Verspannung steigt. Dieses Verhalten ist für alle drei gezeigten Viskositätsklassen quasi identisch. Wichtig für die weitere Betrachtung ist die Entwicklung der Viskositäten bei der dann aktualisierten Massentemperatur. Es wird davon ausgegangen, dass das Öl und damit die Viskosität für dieses Temperaturfenster im Detail zu betrachten ist. So findet sich in der Folge die Aufarbeitung in Bild 15. Hier ist der Einfluss der Öleinspritztemperatur auf die Grübchenbildung für das FVA 3 - Referenzöl dargestellt (Daten aus [FVA 92]). Die Abbildung ist ergänzt um die berechnete Pressung Bild 12: Einfluss der Viskosität auf die Sicherheit gegen Grübchenbildung Bild 13: Sicherheit gegen Grübchenbildung von Rad und Ritzel Bild 14: Massentemperatur und dyn. Viskosität der FVa-Workbench Modellschmierstoffe in abhängigkeit der Laststufe am FZG-Prüfstand (simuliert) TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 62 sieht im Dauertest eine Einspritztemperatur von 90 °C vor. Die Laufzeit je Kontrollintervall beträgt 10,5·10 6 Ritzelumdrehungen. Nach 10,5·10 6 Ritzelumdrehungen in Laststufe 8 wird anschließend für maximal fünf Prüfintervalle (von ebenfalls jeweils 10,5·10 6 Ritzelumdrehungen) in Laststufe 10 geprüft. Damit ergeben sich in Laststufe 10 über 50 Mio. Lastwechsel im Dauertest. Den in Bild 15 gezeigten Ergebnissen für FVA 3 - Öl bei variierenden Einspritztemperaturen wurde nun eine Viskositätsklasse zugeordnet, welche einer vergleichbaren kinematischen Viskosität bei 90 °C Prüftemperatur entspricht. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass bei den Grauflecken-Prüfbedingungen der [DIN 3990-16] im Dauertest mit Schmierstoffen der ISO VG 32 und ISO VG 100 ein vorzeitiger Ausfall durch Grübchenbildung zu erwarten ist. Ein Öl der (theoretischen) ISO VG 370 hätte bei 90 °C Prüftemperatur im Graufleckentest etwa die Viskosität des FVA 3 - Öls bei 60 °C. Die gezeigten Ergebnisse lassen für diese Viskositätsklasse erwarten, dass die Dauerprüfung ohne vorzeitigen Pitting-Ausfall durchführbar ist. Nicht betrachtet wird in dieser Bewertung, dass ein Lauf dieser Art mit Verschleiß im Kontakt einhergeht. Dieser Verschleiß verändert die Pressungsverteilung zugunsten niedriger Pressungen. Daher kann über eine Graufleckenbildung die Grübchenlebensdauer auch verlängert werden. Weiterhin sind zwar Abweichungen bspw. infolge der unterschiedlichen Rad-Rauigkeiten im Vergleich von [FVA 92] und [DIN 3990-16] oder den vergleichsweise hohen Streuungen in den Berechnungsfaktoren der [DIN 3990-2] zu erwarten, dennoch bestätigen die Untersuchungen die in den durchgeführten Grauflecken-Prüfungen festgestellten Erkenntnisse. Ergebnis und Zusammenfassung Die Untersuchungen zeigen, dass bei Unterschreitung einer gewissen Mindest-Nennviskosität im Dauertest der FZG-Grauflecken-Prüfung mit einem vorzeitigen Ausfall durch Grübchen (Pitting) und damit einem für das gewählte Prüfverfahren sekundären Schadensmechanismus zu rechnen ist. Im Bereich niedriger Viskositäts-Klassen ist die Grauflecken-Prüfmethodik damit nur eingeschränkt anwendbar und eine potentielle Einführung einer Mindest- Viskositätsklasse für dieses Testverfahren zu diskutieren. Diese Mindest-Viskositätsklasse bezieht sich eindeutig auf den spezifischen Graufleckentest. Da dieser in seinen Kontaktbedingungen (Lasten, Temperatur, Drehzahl, …) fest definiert ist, wäre eine effektive dynamische Viskosität bei diesen Randbedingungen wissenschaftlich sinnvoll. Die in diesem Beitrag vorgestellten praktischen Erfahrungen mit dem exemplarischen PAO zeigen eine deutliche Abgrenzung der Viskositätsklassen ISO VG 150 zu ISO VG 220 und höher hinsichtlich Pitting-Schäden im Dauertest der Grauflecken-Prüfung. Sicherlich sind die Grenzen für andere Grundöle und Formulierungen jedoch fließender und künftig gezielt zu untersuchen. Literatur [DGMK 377] DGMK Forschungsbericht 377: Entwicklung eines Verfahrens zur Beurteilung des Verschleißverhaltens von Schmierstoffen für Zahnradgetriebe (1992 ) DGMK Forschungsbericht 377-01: Untersuchungen zum Einfluss von Schmierstoff und Betriebsbedingungen auf das Verschleißverhalten von Zahnrädern (1996) [DIN 3990-2] Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern, Teil 2 zur Berechnung der Grübchentragfähigkeit, DIN 3990-2 (1987) [DIN 3990-16] Zahnräder - FZG-Prüfverfahren, Teil 16 zur Bestimmung der Graufleckentragfähigkeit von Schmierstoffen - FZG-Prüfverfahren GT- C/ 8,3/ 90, DIN 3990-16, Entwurf Juni (2019) [FVA 2/ 3] Einfluss des Schmierstoffes auf die Grübchenlebensdauer einsatzgehärteter Zahnräder im Einstufen- und im Lastkollektivversuch, FVA- Informationsblatt Nr. 2/ 3 (1997) [FVA 54/ 7] Testverfahren zur Untersuchung des Schmierstoffeinflusses auf die Entstehung von Grauflecken bei Zahnrädern, FVA-Informationsblatt Nr. 54/ 7 (1993) [FVA 92] Einfluß von Betriebsölviskosität und Öltemperatur auf die Wälzfestigkeit einsatzgehärteter Zahnräder, Abschlussbericht zum FVA- Vorhaben Nr. 92, Heft 276, Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (1988) [ISO 14635] Zahnräder - FZG-Prüfverfahren, Teil 1 und 2 zur Bestimmung der relativen Fresstragfähigkeit, DIN ISO 14635-1 (2006) und DIN ISO 14635-2 (2010) Aus der Praxis für die Praxis 63 Tribologie + Schmierungstechnik · 66. Jahrgang · 4/ 5/ 2019 DOI 10.30419/ TuS-2019-0025 Bild 15: Einfluss der Öleinspritztemperatur auf die Grübchenbildung für FVa 3 - Referenzöl (Daten aus [FVa 92]) TuS_4_5_2019.qxp_T+S_2018 23.08.19 13: 15 Seite 63