Einleitung Freigaberelevante Öluntersuchungsergebnisse von externen Prüflaboren haben dazu geführt, dass eine Messunstimmigkeit am FZG Verspannungsprüfstand, die bei ZF vor zwei Jahrzehnten erkannt und behoben wurde, wieder aktuell geworden ist. Deswegen ist das Ziel dieses Beitrags die Erkenntnisse zu der Drehmomenteinstellung öffentlichkeitswirksam zu vermitteln. Dazu wird zuerst die Bedeutung der Schmierstoffuntersuchungen während der Schmierstoffentwicklung erläutert. Dann werden der FZG Verspannungsprüfstand und die Einflussgrößen auf die Drehmomentmessung vorgestellt. Anschließend wird der Einfluss der Kontaktmechanik auf die Drehmomentmessung und die aus den Erkenntnissen hergeleitete korrekte Drehmomenteinstellung erörtert. Entwicklung von Getriebeschmierstoffen Wenn die Anforderungsliste und das Konzept eines neuen Getriebes erstellt wurden, suchen die Konstrukteure den Kontakt zu den Schmierstoffentwicklern der entsprechenden Fachabteilung der ZF Friedrichshafen AG. In enger Zusammenarbeit werden aus den mechanischen Anforderungen die entsprechenden Anforderungen des Schmierstoffs hergeleitet und in einem Lastenheft festgehalten. So wird zum Beispiel der zu gewährleistende Verzahnungsschutz gegen Fressen, Verschleiß, Graufleckigkeit und Grübchen beziffert. Anhand der erstellten Spezifikation wird der Schmierstoff als ein Maschinenelement in enger Kooperation mit unterschiedlichen Schmierstoffherstellern entwickelt. Die Herstellung eines Schmierstoffes erfolgt während der Entwicklung in unterschiedlichen Einrichtungen / Stufen: Aus Forschung und Praxis 23 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 2/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0010 Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen mittels eines FZG Prüfstandes Andreas Keßler, Peter Elkenkamp, Balázs Magyar, Christoph Mayer* In der Schmierstoffentwicklung spielen genormte Bauteiluntersuchungen eine wesentliche Rolle. Sie ermöglichen eine einfache Bewertung des Leistungsvermögens von Schmierstoffen. Bei solchen Versuchen ist die Reproduzierbarkeit der Untersuchungen essentiell. Jedoch können die unscheinbarsten Elemente der Messkette, nämlich die Passfeder, bei der Durchführung von Versuchen am FZG Verspannungsprüfstand dazu führen, dass die Ergebnisse verfälscht werden. In diesem Beitrag wird aufgezeigt, wie einige der möglichen Fehler vermieden und die Schmierstoffuntersuchungen am Verspannungsprüfstand richtig und reproduzierbar durchgeführt werden können. Schlüsselwörter FZG Verspannungsprüfstand, Öluntersuchung, Fresstest Evaluation of the performance of lubricants using an FZG test rig Standardised component tests play an important role in lubricant development. They allow a simple evaluation of the performance of lubricants. In such tests, the reproducibility of the tests is essential. However, the most inconspicuous elements of the measuring chain, namely the feather key, can cause the results to be falsified when tests are carried out on the FZG back-to-back test bench. This article shows how some of the possible errors can be avoided and how the lubricant tests can be carried out correctly and reproducibly. Keywords FZG back-to-back gear test rig, oil test, scuffing test Kurzfassung Abstract * Dipl.-Ing. Andreas Keßler Dipl.-Ing. Peter Elkenkamp Dr.-Ing. Balázs Magyar Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-1092-674X Dr. rer. nat. Christoph Mayer ZF Friedrichshafen AG Corporate Research & Development/ Innovation & Technology 88038 Friedrichshafen TuS_2_2020.qxp_T+S_2018 04.06.20 14: 11 Seite 23 ist ein Feldversuch erst dann möglich, wenn die Entwicklungsarbeiten von beiden Produkten schon fortgeschritten sind. Deswegen bekommen die genormten Prüfmethoden auf der unteren tribologischen Prüfebenen (Kategorie IV bis VI) eine besondere Bedeutung. Diese müssen durch die Normgebung klar definiert und unabhängig vom Prüflabor und dem Prüfpersonal reproduzierbar sein. Jedoch zeigt dieser Beitrag in den kommenden Abschnitten, dass immer noch Unstimmigkeiten auch bei seit längerer Zeit existierenden Prüfmethoden existieren. FZG Prüfstand Zur grundlegenden Untersuchung mit Zahnrädern hat sich der an der FZG der TU München entwickelte Zwei-Wellen-Verspannungsprüfstand durchgesetzt (s. Bild 1) welcher in unterschiedlichen Normen mit einem Achsabstand von a = 91,5 mm festgelegt ist. Der Prüfstand besitzt einen geschlossen mechanischen Leistungskreislauf, der zwischen einem Prüfgetriebe (2) (bestehend aus dem Prüfritzel (3) und dem Gegenrad (1)) und einem Übertragungsgetriebe (9) durch eine Torsionswelle (5) und eine Verspannungskupplung (7) mit den zugehörigen Wellensträngen (8) realisiert wird. Die beiden Getriebe haben eine identische Übersetzung. Die Last wird durch das Verdrehen der Torsionswelle und durch die Schließung der Verspannungskupplung aufgebracht. Der Antriebsmotor (6) speist so nur die mechanische Verlustleistung des Gesamtprüfstandes ein. Einflussgrößen auf die Drehmomentmessung am FZG Verspannungsprüfstand Die unterschiedlichen freigaberelevanten Öluntersuchungen am FZG Verspannungsprüfstand liefern unterschiedliche Aussagen: Aus Forschung und Praxis 24 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 2/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0010 - Labormaßstab: potentiell geeignete Formulierungen werden zuerst in kleinen Mengen unter Laborbedingungen hergestellt. - Technikumsmaßstab: Vielversprechende Konzepte werden unter massenproduktionsähnlichen Bedingungen jedoch mit verkleinerten Anlagen in mittleren Mengen hergestellt. - Industrieanlage: der Schmierstoff wird in einer Industrieanlage in handelsüblichen Mengen geblendet. Während dieser Maßstabsvergrößerung des Herstellprozesses (scale-up) nimmt die Anzahl der Schmierstoffkandidaten ab und die Menge einer Sorte zu. Das Abprüfen der geforderten Schmierstoffeigenschaften erfolgt mit Mustern aus allen drei Maßstäben, jedoch mit unterschiedlichen Prüfmethoden. Das GfT Arbeitsblatt 7 [GfT02] definiert sechs tribologische Prüfebenen vom Betriebsversuch (Kategorie I) über den Versuch mit unverändertem Bauteil (Kategorie IV) bis zum Modellversuch mit einfachen Probekörpern (Kategorie VI). Die Kosten und die direkte Übertragbarkeit der erzielten Ergebnisse in die Praxis nehmen von oben nach unten ab, jedoch nimmt die Reproduzierbarkeit der Untersuchungen gleichzeitig signifikant zu. Im Labormaßstab hergestellte Schmierstoffe werden bezüglich ihrer Eignung mittels einfacher Tribometertests sortiert. Nur erfolgversprechende Kandidaten werden im Technikumsmaßstab aufgemischt und dann folgen Modellversuchen auf der Ebene IV. Bei Verzahnungen bedeutet dies genormte Untersuchungen am Zwei-Wellen-Verspannungsprüfstand. Erst wenn ein Schmierstoff den geforderten Verzahnungsschutz und die restlichen Anforderungen erfüllt, wird die Sorte in industriellem Maßstab hergestellt und es können Prüfstandsversuche mit einem originalen Getriebe (Kategorie III) und anschließend Feldversuche mit Fahrzeugen (Kategorie I) durchgeführt werden. Während dieses Entwicklungsprozesses werden das Getriebe und der Schmierstoff gleichzeitig entwickelt. So Bild 1: FZG Zahnrad-Verspannungsprüfstand [DIN06] 1 Gegenrad 2 Prüfgetriebe 3 Prüfritzel 4 Torsionsmesskupplung 5 Torsionswelle 6 Antriebsmotor 7 Belastungskupplung 8 Ritzelwellenstrang 9 Übertragungsgetriebe TuS_2_2020.qxp_T+S_2018 04.06.20 14: 11 Seite 24 - Beim Fresstest wird die Kraftstufe ermittelt bei dem Fressen auftritt [DIN06] - Bei der Bestimmung der Grübchentragfähigkeit wird die Zeit angegeben, bis die ersten Grübchen entstehen - Bei Untersuchung von Graufleckigkeit wird die Kraftstufe beziffert, bei der eine gewisse Verschleißtiefe vorliegt - Beim Wirkungsgradtest wird die Verlustleistung gemessen. Jedoch haben alle Untersuchungen gemeinsam, dass die aufgebrachte Last eine entscheidende Rolle spielt. Entweder wird sie als direkter Kennwert als Untersuchungsergebnis angegeben (z. B. Fresstest) oder aber sie beeinflusst die Messgröße wesentlich (z. B. Grübchentest). Deswegen ist es wichtig, dass das Aufbringen und das Messen der Belastung zuverlässig funktioniert. Untersuchungen von ZF haben Anfang der 2000-er Jahre ein interessantes Ergebnis geliefert. Bei Wirkungsgradmessungen wurde festgestellt, dass signifikante Unterschiede bei den lastabhängigen Verlustmomenten abhängig davon vorliegen, ob das Ritzel das Rad antreibt oder andersrum (vgl. Bild 2). Bild 2 zeigt, dass das lastabhängige Verzahnungsverlustmoment in allen fünf Fällen deutlich unterschiedlich ausfällt, wenn die Treibrichtung geändert wurde. Das kann jedoch anhand der tribologischen Verhältnisse im Zahnkontakt nicht erklärt werden. Weiterhin kann man erkennen, dass die prozentuale Abweichung ungefähr gleich groß ist. Das deutet auf einen systematischen Messfehler hin. Deswegen wurde das Phänomen näher untersucht. In der Qualitätssicherung wird zur systematischen Aufklärung von Ereignissen die Ursache-Wirkungs-Diagramm (Ishikawa-Diagramm, Fischgrät- Diagramm) verwendet [WaJu19]. Bild 3 zeigt die erste Ebene eines solchen Diagrammes für die Zahnraduntersuchungen am FZG Verspannungsprüfstand. Die in Bild 3 dargestellten Einflüsse wurden auch damals untersucht. Da dasselbe Öl, dieselbe Verzahnung, derselbe Prüfstand und auch der gleiche Montageprozess vorlagen, wurde die Messkette näher analysiert (vgl. Bild 4). Es wurde heraus- Aus Forschung und Praxis 25 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 2/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0010 Bild 3: Erste Ebene eines Ishikawa Diagrammes zur Reproduzierbarkeit von Zahnraduntersuchungen angelehnt an VDA 5 [VDA10] Bild 2: Veränderung des lastabhängigen Verzahnungsverlustmomentes bei fünf unterschiedlichen Versuchsbedingungen in Abhängigkeit davon ob das Rad (Ra) oder das Ritzel (Ri) das andere Zahnrad antreibt. Versuche bei immer gleicher Drehrichtung, somit mit Wechsel der Verspannrichtung. [ZFF05] TuS_2_2020.qxp_T+S_2018 04.06.20 14: 11 Seite 25 taktsteifigkeit ausgegangen werden. Jedoch besitzen reale Bauteile unterschiedliche Gestaltabweichungen (Formabweichung, Welligkeit, Rauheit) [DIN82]. Diese Abweichungen von der idealen glatten ebenen Form führen dazu, dass sich das Deformationsverhalten nicht mehr linear verhält. Dieses Phänomen soll anhand Bild 5 erläutert werden. Bild 5 zeigt eine simulierte Last-Verschiebung-Kurve und eine daraus hergeleitete Last-Kontaktsteifigkeit- Kurve im flächigen hart-weich Kontakt zweier Körper. Es ist gut erkennbar, dass das angesprochene lineare Deformationsverhalten herrscht, wenn die Kontaktflächen als glatte ebene Fläche angenommen werden. Wird jedoch die optisch vermessene reale 3D Geometrie in Betracht gezogen, erkennt man eine starke Nichtlinearität zwischen der Last und der Abflachung der Körper. Diese Nichtlinearität der Kurve ist besonders bei kleineren Lasten stark ausgeprägt. Mit steigender Last nähert sich die Steigung der Kurve, die die Gestaltabweichungen mitbetrachtet, der Steigung der zu ebenen Oberflächen zugehörigen Kurve. Das hat damit zu tun, dass die höhere Last die Oberflächen durch die Deformation glät- Aus Forschung und Praxis 26 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 2/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0010 gefunden, dass die Welle-Nabe-Verbindung mit seiner nichtlinearen Kontaktsteifigkeit und Richtungsabhängigkeit dafür verantwortlich ist. Es ist in Bild 4 erkennbar, dass der Kraftfluss zwischen der Torsionswelle (3) und den beiden Anschlussflanschen (1) und (2) durch Passfederverbindungen führt. Passfederverbindungen gehören zu mittelbaren formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen [Kolm84]. Das bedeutet, dass sich zwischen der Welle und der Nabe ein zusätzliches Übertragungsglied, die Passfeder, befindet, welche die aus dem Torsionsmoment resultierende Umfangskraft durch einen flächigen Kontakt zwischen den Flanken der Passfeder und den Nutwänden der Welle und der Nabe überträgt. Kontaktmechanik von ebenen Bauteilen Bei einem flächigen Kontakt zwischen zwei glatten ebenen Körpern mit linearelastischen Materialeigenschaften kann von einem linearen Kraft-Deformationsverhalten und damit aus einer lastunabhängigen konstanten Kon- Bild 4: Prinzipieller Aufbau der Drehmoment-Messkupplung [Stra84] Bild 5: Simulierte Last-Verschiebungs- (links) und Kontaktsteifigkeitsverhalten (rechts) eines flächigen hartweich Kontaktes mit und ohne Berücksichtigung von Gestaltabweichungen der beiden Körper [Gond16] 1 Kleiner Anschlussflansch 2 Großer Anschlussflansch 3 Torsionswelle 4 Rohr 5 Messflansch 6 Messuhr S 1 , S 2 , S 3 Schrauben TuS_2_2020.qxp_T+S_2018 04.06.20 14: 11 Seite 26 tet. Das hier beschriebene Phänomen kann als eine Reihenschaltung (kraftgleiche Schaltung) zwischen Federn mit unterschiedlicher Federkennlinien interpretiert werden. Wobei die Federkennlinie, die das makroskopische Deformationsverhalten der ebenen Körper ohne jegliche Gestaltabweichung beschreibt, linear ist und die Federkennlinie, die das mikroskopische Deformationsverhalten beschreibt, nichtlinear ist. Es ist ebenfalls die für Reihenschaltungen typische Erweichung der Federkennlinie (größerer Federweg bei gleichbleibender Kraft) gut erkennbar. Bild 5 gibt auch eine Auskunft über den Einfluss der Mikrogeometrie dadurch, dass die Berechnungen mit verschlissenen Oberflächen wiederholt wurden. Wie erkennbar führt die verschleißbedingte Veränderung der Mikrogeometrie dazu, dass das Kraft-Deformationsverhalten der Körper sich auch verändert. Dementsprechend besitzen schon kleine Abweichungen einen hohen Effekt auf das Kraft-Deformationsverhalten. Diese Erkenntnis bedeutet für die Praxis, dass die Kalibrierung der Messkette, anders als heute praktiziert wird, unbedingt in dem Prüfstand durchgeführt werden muss, in dem die Torsionswelle verwendet wird. Da die Kontaktgeometrie in der Realität wegen der Gestaltabweichungen nicht symmetrisch ist, ist eine separate Kalibrierung pro Treibrichtung notwendig, wenn beide Verspannrichtungen verwendet werden. Weiterhin darf die Kalibrierkurve nicht durch eine Gerade ersetzt werden. In [Mili72] und [Olde01] wurde die Lastverteilung in der Passfederverbindung simulativ und experimentell ausgiebig untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lastverteilung in der Verbindung sehr ungleichmäßig ist. Die höchste Pressung liegt an den beiden Enden der Passfeder vor. Weiterhin erfährt der Bereich am Nutgrund eine höhere Belastung als am Nutrand. Das bedeutet für die Praxis, dass schon kleine umbaubedingte Verschiebungen der Kontaktkörper (Torsionswelle / Passfeder / Torsionswegmesskupplung) dazu führen können, dass die frühere Kalibrierkurve ihre Gültigkeit verliert. Deswegen muss nach jedem Umbau der Torsionswelle eine Neukalibrierung vor der ersten Verwendung des Prüfstandes erfolgen. Die korrekte Drehmomenteinstellung am Verzahnungsprüfstand Anschließend an die vorgestellten Untersuchungen aus den 2000-er Jahren wurde die Drehmomentmessung an Verzahnungsprüfständen bei ZF ausschließlich mit Dehnmessstreifen beklebten Torsionswellen, die im Prüfstand kalibriert worden waren, durchgeführt. Nach der Umstellung ist diese Fehlerquelle bei den Verzahnungsuntersuchungen in Vergessenheit geraten. Das kam wieder in 2018 zu Tage, als im Rahmen von unterschiedlichen Ölentwicklungsprojekten die Ergebnisse von externen Laboren und des ZF Verzahnungslabors um zwei Schadenskraftstufen voneinander abwichen. Es wurde beschlossen die alten Erkenntnisse an die Öffentlichkeit zu vermitteln und eine Prüfanweisung zur Drehmomenteinstellung zu erstellen [ZFF19]. Laut dieser darf die Drehmomenteinstellung nur nach den folgenden drei Messmethoden erfolgen (vgl. auch Bild 6): - Methode A: Direkte Einstellung des Drehmomentes T nach dem Prinzip „Drehmoment T = Kraft x Hebelarm“ - Methode B: Drehmomentmessung mittels Dehnmessstreifenbeklebung (DMS) der Torsionswelle und Brückenmessgerät (nur bei stehender Welle möglich) oder mit DMS und Drehübertrager (Drehmomemtanzeige Aus Forschung und Praxis 27 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 2/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0010 Bild 6: FZG Zahnrad-Verspannungsprüfstand mit unterschiedlichen Möglichkeiten zur Erfassung des Verspannungsmomentes TuS_2_2020.qxp_T+S_2018 04.06.20 14: 11 Seite 27 Die ZF Friedrichshafen AG akzeptiert ab sofort die Ergebnisse extern durchgeführter Zahnraduntersuchungen nur dann, wenn die Drehmomenteinstellung anhand der geltenden Prüfvorschrift [ZFF19] erfolgte. Weiterhin wird seitens ZF angestrebt, diese Einstellmethoden in das geltende Normenwerk zeitnahe aufnehmen zu lassen, um die Reproduzierbarkeit von Verzahnungsuntersuchungen gewährleisten zu können. Literatur [DIN82] DIN 4760 Gestaltabweichungen: Begriffe, Ordnungssysteme. Beuth Verlag: Berlin, 1982. [DIN06] DIN ISO 14635-1 Zahnräder- FZG-Prüfverfahren- Teil 1: FZG-Prüfverfahren A/ 8,3/ 90 zur Bestimmung der relativen Fresstragfähigkeit von Schmierölen. Beuth Verlag: Berlin, Mai 2006. [GfT02] Gesellschaft für Tribologie: Arbeitsblatt 7: Tribologie. 2002 [Gond16] Gonda, A.: Elaboration of a Measurement Set-Up for the Determination of Contact Parameters. Unveröffentlichte Masterarbeit, TU Budapest-TU Kaiserslautern, 2016. [Kolm84] Kolmann, F.G.: Welle-Nabe-Verbindungen. Springer Verlag: Berlin, Heidelberg, 1984. [Mili72] Militzer, O.: Exakte Berechnung von Wellen-Naben-Passfederverbindungen. FVA Forschungsvorhaben 13. Forschungsvereinigung Antriebstechnik: Frankfurt, 1975. [Olde01] Oldendorf, U.: Lebensdauerberechnung von Passfederverbindungen. FVA Forschungsvorhaben 217/ II. Forschungsvereinigung Antriebstechnik: Frankfurt, 2001. [Stra84] Strama: Betriebsanleitung zum FZG Zahnrad-Verspannungs-Prüfstand, 1984. [VDA10] Verband der Automobilindustrie: VDA 5 - Prüfprozesseignung, 2. Auflage, Berlin, 2010. [WaJu19] Wappis, J.; Jung, B.: Null-Fehler-Management. Hanser Verlag: München, Wien, 2019 [ZFF05] 206 9999 514 de Prüfvorschrift: Bestimmung der schmierstoffbedingten Zahnreibungszahl. ZF Friedrichshafen AG, 2005. [ZFF19] 0000.703.474 Prüfvorschrift: Drehmomenteinstellung, Zulässige Methoden zur Drehmomenteinstellung an (FZG) Zahnradverspannungsprüfständen. ZF Friedrichshafen AG, 2019. Aus Forschung und Praxis 28 Tribologie + Schmierungstechnik · 67. Jahrgang · 2/ 2020 DOI 10.30419/ TuS-2020-0010 auch während des Versuchslaufs möglich). Beim Einsatz von Drehübertragern ist diese Methode auch für die Verwendung von während des Versuchslaufs verstellbaren (hydraulischen) Verspannkupplungen geeignet. - Methode C: Messung und Einstellung des Drehmomentes mit den der jeweiligen Laststufe direkt zugeordneten Skalenteilen mittels Messuhr. Die Ermittlung der den Laststufen zugeordneten Skalenteile muss zwingend in dem Prüfstand erfolgen, mit dem der Test gefahren wird. Diese Kalibrierung ist zwingend nach jedem Umbau an der Torsionswelle / Passfeder / Torsionswegmesskupplung erforderlich, auch wenn der Prüfstand in diesem Bereich nur zerlegt und mit den gleichen Teilen wieder zusammengebaut wurde. Die Kalibrierung der Torsionswelle muss immer in der gleichen Verspannungsrichtung erfolgen in der auch verspannt werden soll. Grundsätzlich unzulässig ist Methode „C“ dann, wenn die Einstellwerte in einem anderen Prüfstand ermittelt wurden. Nicht zulässig ist die Drehmomenteinstellung mittels Messuhr unter Verwendung eines linearen Kalibrierwertes, welcher den Zusammenhang von Drehmoment zu Skalenteilen beschreibt (vgl. auch Bild 5). Zusammenfassung Für die Schmierstoffentwicklung ist es notwendig Komponententests an Zahnrädern in FZG Verspannungsprüfständen für die Ermittlung der Tragfähigkeit des tribologischen Systems durchzuführen. Dabei hat sich schon früher gezeigt, dass Fehler gemacht werden und Unsicherheiten auftreten können. Dazu gehört auch die Methode, wie das Drehmoment am Prüfradsatz eingestellt wird. Jüngere Vergleichsversuche haben das Thema wieder aktuell in den Vordergrund gebracht aufgrund von starken Abweichungen zwischen den Testergebnissen verschiedener Labors und dem ZF-Verzahnungslabor. Aufgrund dessen wurde eine ZF-Norm erstellt, um eben diesen Einfluss auszuschließen. TuS_2_2020.qxp_T+S_2018 04.06.20 14: 11 Seite 28