2. Fachtagung TestRig - September 2024 97 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Sebastian Preintner M. Sc. Michael Geitner M. Sc. Bernd Morhard M. Sc. Dr.-Ing. Thomas Lohner Dr.-Ing. Thomas Tobie Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl Technische Universität München, School of Engineering and Design, Department of Mechanical Engineering, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG), Boltzmannstraße 15, 85748 Garching bei München, Deutschland Oliver Seuffert Dr.-Ing. Simon Härtl Strama-MPS Maschinenbau GmbH & Co. KG, Straubing, Deutschland Zusammenfassung Getriebe kommen zum Einsatz, um die Drehzahl und das Drehmoment zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebsmaschine zu wandeln. Hierdurch können die jeweiligen Maschinen in einem möglichst optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Infolge der zunehmenden Elektrifizierung von Antriebssystemen sowie dem Bestreben nach höchster Effizienz ist ein Trend hin zu hochdrehenden E-Maschinen zu erkennen. Hieraus ergeben sich neue Herausforderungen an Getriebe in E-Anwendungen, u.-a. hinsichtlich Noise Vibration Harshness (NVH), Wirkungsgrad und Tragfähigkeit. Damit einhergehend steigen auch die Anforderungen an die entsprechende Prüfmethodik und die hierfür genutzten Prüfstände. In einem Kooperationsprojekt zwischen der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) und Strama-MPS wurde ein neuartiger FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand entwickelt, der Untersuchungen bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 70-m/ s (18.000 min -1 ) ermöglicht. 1. Einführung Hochleistungsschmierstoffe, wie sie in der Antriebstechnik zahlreich zum Einsatz kommen, müssen den stetig steigenden Anforderungen moderner Getriebe gerecht werden. Dem Schmierstoff wird dabei ein maßgeblicher Einfluss auf Wirkungsgrad und Zahnradtragfähigkeit zugeschrieben. Da sich das Reibungsverhalten sowie die Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und Zahnradwerkstoff nicht zuverlässig vorhersagen lassen, werden Schmierstoffe im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die gängigen Zahnradschäden Fressen, Graufleckigkeit, Verschleiß und Grübchen in der Regel experimentell geprüft und charakterisiert. Dazu wurden an der FZG verschiedene, meist genormte Prüfmethoden zur Charakterisierung des Schmierstoff-Leistungsvermögens entwickelt. Derzeitige Entwicklungen, insbesondere in E-Mobility- Anwendungen, zeigen einen eindeutigen Trend hin zu hohen E-Maschinendrehzahlen, um die Effizienz bzw. Reichweite zu erhöhen. Dazu werden neue Schmierstoffformulierungen entwickelt, die u.-a. zu einem gesteigerten Wirkungsgrad führen. Um deren Leistungsfähigkeit unter anwendungsnahen und praxisüblichen Bedingungen zu beurteilen, wurde in Kooperation zwischen FZG und Strama-MPS ein neuartiger FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand entwickelt, der Untersuchungen bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 70-m/ s (18.000-min -1 ) ermöglicht. Dieses Paper gibt zunächst eine kurze Übersicht zu gängigen Flankenschäden und zum Getriebewirkungsgrad sowie zu den entsprechenden Prüfverfahren am FZG- Zahnradverspannungsprüfstand, in Anlehnung an [1]. Im Fokus stehen anschließend vor allem Auf bau und Prüfmöglichkeiten sowie der innovative Charakter des neuartigen Hochdrehzahl-Prüfstands. Dabei wird auch auf die Herausforderungen bei der Konzeption und Entwicklung eingegangen, welche infolge der hohen Drehzahlen entstehen. 2. FZG-Zahnradverspannungsprüfstand (Standard) Der standardisierte FZG-Zahnradverspannungsprüfstand mit einem Achsabstand von a = 91,5 mm [2] basiert auf dem Prinzip des Leistungskreises (engl.: back-to-back) und dient der Untersuchung von Stirnrädern im Zusammenspiel mit dem verwendeten Schmierstoff. Der Prüfstand ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. 98 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 1: Standardisierter FZG-Zahnradverspannungsprüfstand (schematisch), in Anlehnung an [2] Der Prüfstand wird von einem dreiphasigen Asynchronmotor angetrieben. Die maximale Drehzahl des Motors beträgt 3000 min -1 . Prüfritzel und Prüfrad sind auf zwei parallelen Wellen montiert, die mit einem Übertragungsgetriebe mit gleicher Übersetzung verbunden sind. Die Welle des Prüfritzels besteht aus zwei getrennten Teilen, die durch eine Lastkupplung gekoppelt sind. Durch Verdrehen der Lastkupplung (z.-B. mit definierten Gewichten am Lasthebel oder einer Verspanneinrichtung) wird ein definiertes statisches Drehmoment aufgebracht. Das Drehmoment kann indirekt an der Torsionsmesskupplung als Verdrehung der Torsionswelle gemessen werden. Der Motor muss für den stationären Betrieb nach dem Hochlauf nur die Verlustleistung der beiden Getriebe in den geschlossenen Leistungskreislauf einspeisen. Typischerweise (u.-a. für Fress- und Graufleckentests) ist das Rad auf der Torsionswelle montiert und hat die gleiche Drehzahl wie der Motor. Die Verspannung wird so vorgenommen, dass das Ritzel das Rad antreibt. Hinsichtlich Schmierungsart des Prüfstands kann zwischen Tauch- und Einspritzschmierung gewählt werden. Eine Schmierung mit Öl und Fett ist möglich. Die Temperatur des Schmierstoffs lässt sich über ein Heiz- und Kühlsystem regeln. Bei Tauchschmierung werden Heizstäbe und Kühlrohre im Getriebegehäuse zur Temperaturregelung verwendet. Bei der Einspritzschmierung regelt ein Ölaggregat die Einspritzmenge von i.-d.-R. 2 l/ min und die Einspritztemperatur. [1,2] 3. Etablierte Testmethoden 3.1 Fressen Fressen bezeichnet einen Spontanschaden an der Zahnflanke, welcher in der Regel einen Komplettausfall des Getriebes zur Folge hat. Hierbei kommt es infolge der hohen Pressungen und Temperaturen im Zahnkontakt zu einem Schmierfilmabbruch und somit zum Festkörperkontakt zwischen den abwälzenden Zahnflanken. Hieraus resultieren lokale Verschweißungen der korrespondierenden Zahnflanken, welche durch das weitere Abwälzen der Zahnräder instantan aufgebrochen werden. Dementsprechend kommt es zu einem Materialübertrag zwischen den beiden Wälzpartnern. [3, 4] Das charakteristische Schadensbild ist in Abb. 2 dargestellt. Abb. 2: Fressspuren auf einer Zahnflanke einer FZG Typ-A Prüfverzahnung Die Fresstragfähigkeit kann anhand des in DIN ISO 14635-1 [2] beschriebenen Testverfahrens ermittelt werden. Der Test wird an einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung dient eine Verzahnung vom Typ FZG-A. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 16 Zähnen am Ritzel und z 2 = 24 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n = 4,5 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und ohne Flankenkorrekturen ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-=-91,5-mm und die tragende Zahnbreite b = 20 mm. Die Prüfverzahnung wird aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 gefertigt, auf eine Oberflächenhärte von 60 - 62 HRC einsatzgehärtet und auf eine Flankenrauheit von Ra 1/ 2 = 0,35/ 0,3 ± 0,1 μm geschliffen. Der Fresstest umfasst entsprechend DIN ISO 14635-1-[2] 12 Kraftstufen mit jeweils 15 Minuten Laufzeit. Das Drehmoment nimmt mit steigender Kraftstufe zu. Das Drehmoment in Kraftstufe 1 beträgt T 1,KS1 = 3,3 Nm am Ritzel und kann ein Drehmoment von T 1,KS12 -=-534,5-Nm in Kraftstufe 12 erreichen. Die hieraus resultierende Hertz’sche Pressung im Wälzpunkt wird von p C,KS1 = 146,0-N/ mm 2 auf maximal p C,KS12 -=-1841-N/ mm 2 erhöht. Die Prüfraddrehzahl beträgt n 2 = 1450 min -1 , was einer Umfangsgeschwindigkeit von v t = 8,3 m/ s entspricht. Die Verzahnung wird über eine Tauchschmierung mit Schmierstoff versorgt. Das entsprechende Ölvolumen beträgt 1,25 l. Mit Beginn der Kraftstufe 5 wird der Ölsumpf aktiv auf eine Starttemperatur von ϑ Öl = 90 °C vorgeheizt. Während des Prüflaufes darf die Schmierstofftemperatur ungeregelt ansteigen. Mit Beginn der Kraftstufe 4 erfolgt nach jedem Prüflauf eine visuelle Kontrolle der Zahnflanken. Sobald die Summe aller Fresser und Riefen am Ritzel eine Breite von 20 mm erreicht, wird der Fresstest beendet und die entsprechende Kraftstufe als Schadenskraftstufe festgelegt. Die Schadenskraftstufe erlaubt somit eine Bewertung der 2. Fachtagung TestRig - September 2024 99 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Fresstragfähigkeit eines Schmierstoffs. Wird das Fresskriterium nicht erfüllt, endet der Test nach Kraftstufe 12. Der Ablauf des Fresstests nach DIN ISO 14635-1 [2] ist in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3: Ablauf des Fresstests nach DIN ISO 14635-1 [1] Der Fresstest nach DIN ISO 14635-1 [2] wird mit A/ 8,3/ 90 gekennzeichnet und wird für Industrieöle verwendet. Hierbei kennzeichnet „A“ die Prüfverzahnung als Typ FZG-A, „8,3“ die Umfangsgeschwindigkeit von v t = 8,3 m/ s und „90“ die Öltemperatur von ϑ Öl = 90 °C. Basierend auf der Testprozedur A/ 8,3/ 90 wurden weitere Testmethoden entwickelt, um die Untersuchung hochtragfähiger Öle zu ermöglichen. Hierbei werden die Öltemperatur, Umfangsgeschwindigkeit, Zahnbreite sowie Drehrichtung angepasst. In Abb. 4 sind weitere Testmethoden aufgeführt, welche auf dem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt werden. Abb. 4: Weitere Testmethoden zur Bestimmung der Fresstragfähigkeit am FZG-Zahnradverspannungsprüfstand [1] 3.2 Graufleckigkeit Graufleckigkeit bezeichnet einen Ermüdungsschaden an der Zahnflanke, welcher die Lebensdauer eines Getriebes reduzieren kann. Hierbei handelt es sich um eine Vielzahl feinster Risse und Ausbrüche, welche sich auf der Flanke durch ein matt graues Erscheinungsbild äußern (vgl. Abb. 5). Graufleckigkeit entsteht bevorzugt in Flankenbereichen, welche durch negatives spezifisches Gleiten belastet werden, beschränkt sich jedoch nicht auf diese. Als besonders gefährdet gelten oberflächengehärtete Zahnflanken, die bei einer Umfangsgeschwindigkeit <-10 m/ s betrieben werden [5, 6]. Weitere Einflussgrößen stellen die Zahnflankenrauheit, Betriebstemperatur, Schmierstoffadditivierung und -viskosität sowie der Werkstoff dar [5]. Abb. 5: Graufleckigkeit auf einer Zahnflanke einer FZG Typ-C-GF Prüfverzahnung Die Graufleckentragfähigkeit kann anhand des in DIN-3990-16 [7] beschriebenen Graufleckentests ermittelt werden. Der Test wird an einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung dient eine Verzahnung vom Typ FZG-C-GF. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 16 Zähnen am Ritzel und z 2 -=-24 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n -=-4,5 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und ohne Flankenkorrekturen ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-=-91,5-mm und die tragende Zahnbreite b = 14 mm. Die Prüfverzahnung wird aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 gefertigt, auf eine Oberflächenhärte von 750-HV einsatzgehärtet und auf eine Oberflächenrauheit von Ra 1/ 2 = 0,5 ± 0,1 μm geschliffen. Der Graufleckentest setzt sich aus einem Stufentest mit 6 Kraftstufen sowie einem anschließendem Dauertest mit 6 Prüfintervallen zusammen. Die Laufzeit je Kraftstufe entspricht 16 h, die Laufzeit je Prüfintervall 80 h. Vor dem Beginn des Graufleckentests wird ein Einlauf bei Kraftstufe 3 mit einem Drehmoment am Ritzel von T 1,KS3 = 29 Nm durchgeführt, um eine Glättung der Flankenoberfläche zu erreichen. Der Prüflauf beginnt bei Kraftstufe 5 mit einem Drehmoment von T 1,KS5 = 70 Nm am Ritzel und erreicht in Kraftstufe 10 ein Drehmoment von T 1,KS10 - =- 265 Nm. Die hieraus resultierende Hertz’sche Pressung im Wälzpunkt wird von p C,KS5 -=-510 N/ mm 2 auf p C,KS10 = 1547 N/ mm 2 erhöht. Die Ritzeldrehzahl beträgt n 1 = 2250 min -1 , was einer Umfangsgeschwindigkeit von v t = 8,3 m/ s entspricht. Die Prüfverzahnung wird über eine Einspritzschmierung mit Schmierstoff versorgt. Die entsprechende Einspritzmenge beträgt 2,0-l/ min bei einer Einspritztemperatur von ϑ Öl = 90 °C. In bestimmten Fällen kann die Einspritztemperatur dem jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden. Die Prüfprozedur ist in Abb. 6 dargestellt. 100 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 6: Ablauf des Graufleckentests nach DIN-3990-16 [7] 3.3 Verschleiß Verschleiß bezeichnet einen Flankenschaden, welcher durch einen kontinuierlichen Materialabtrag an der Zahnflankenoberfläche charakterisiert ist. Diese Schadensart kann bei Betriebsbedingungen beobachtet werden, deren Schmierungszustand dem des Grenz- und Mischschmierungsregimes entspricht. Verschleiß bedingt eine Profilformabweichung, woraus weitere Folgeschäden, wie beispielsweise Zahnfußbruch, resultieren können. Das Schadensbild ist in Abb. 7 dargestellt. Abb. 7: Verschleiß auf einer Zahnflanke einer FZG Typ-PT Prüfverzahnung Die Verschleißtragfähigkeit kann entsprechend der in DGMK 377 [8] beschriebenen Prüfprozedur ermittelt werden. Der Test wird an einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung dient eine Verzahnung vom Typ FZG-C-PT. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 16 Zähnen am Ritzel und z 2 -=-24 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n = 4,5 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und ohne Flankenkorrekturen ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-=-91,5-mm und die tragende Zahnbreite b = 14 mm. Die Prüfverzahnung wird aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 gefertigt, auf eine Oberflächenhärte von 750-HV einsatzgehärtet und auf eine Oberflächenrauheit von Ra 1/ 2 = 0,3 ± 0,1 μm geschliffen. Der Verschleißtest setzt sich aus drei Prüfabschnitten zusammen. Die Prüfverzahnung wird hierbei mittels Tauchschmierung mit Schmierstoff versorgt. Der erste Abschnitt umfasst 2x 12.500 Lastwechsel bei einer Drehzahl von 13 min -1 (v t -=-0,05-m/ s), einer Hertz’schen Pressung von p C -=-1853 N/ mm 2 im Wälzpunkt und einer Öltemperatur von ϑ Öl = 90 °C. Im zweiten Abschnitt wird die Öltemperatur auf ϑ Öl -=-120-°C erhöht. Im dritten Abschnitt wird die Öltemperatur wieder auf ϑ Öl = 90 °C reduziert und die Ritzeldrehzahl erhöht, sodass sich eine Umfangsgeschwindigkeit von v t -=-0,57-m/ s ergibt. Alternativ können auch hiervon abweichende Temperaturen und Drehzahlen gewählt werden. Die Auswertung des Verschleißtests sieht eine Dokumentation des Masseverlusts sowie eine anschließende Einordung in die entsprechende Verschleißkategorie vor. Mithilfe der Verschleißkoeffizienten kann der zu erwartende Verschleiß im entsprechenden Anwendungsfall bestimmt werden [9]. Abb. 8: Auswertung mehrerer Verschleißtests 3.4 Grübchen (Pitting) Grübchen (engl. Pitting) ist ein Ermüdungsschaden, welcher durch muschelförmige Materialausbrüche auf der Zahnflanke charakterisiert ist (vgl. Abb. 9). Hierbei kommt es im Zusammenspiel aus Hertz’scher Pressung, Temperatur, Gleitverhältnissen, Vorschädigungen sowie Werkstoff- und Schmierstoffeigenschaften zu oberflächennahen Anrissen. Infolge des Risswachstums kommt es zu Materialausbrüchen, welche zu einer verstärkten Geräusch- und Vibrationsentwicklung sowie im Falle einer progressiven Grübchenbildung zum Zahnfußbruch führen können. [6] 2. Fachtagung TestRig - September 2024 101 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 9: Grübchen auf einer Zahnflanke einer FZG Typ- C-PT Prüfverzahnung Die Grübchentragfähigkeit kann anhand des in FVA 2/ IV [10] beschriebenen Pittingtests als Kurzprüfverfahren für die Prüfung von Schmierölen oder auf Basis von umfassenderen Wöhlerversuchen entsprechend den Empfehlungen der FVA-Richtlinie FVA 563/ I [11] ermittelt werden. Beide Testprozeduren werden an einem FZG-Verspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung für den Pittingtest nach FVA 2/ IV wird eine Verzahnung vom Typ FZG-C-PT verwendet (vgl. Abschnitt 3.4). Für Wöhlerversuche zur Grübchentragfähigkeit nach FVA 563/ I kommt häufig eine Verzahnung vom Typ 17/ 18 als Prüfverzahnung zum Einsatz. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 17 Zähnen am Ritzel und z 2 = 18 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n = 5,0 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und üblicherweise mit Kopfkorrektur ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-= 91,5 mm und die tragende Zahnbreite b = 10 oder 14-mm. 3.5 Wirkungsgrad Zur Quantifizierung der Effizienz eines Getriebes bei Leistungsübertragung eignet sich die Kenngröße Wirkungsgrad, die bei bekannter Antriebsleistung P An und Verlustleistung P V bestimmt werden kann. Die Verlustleistung P V eines Getriebes setzt sich aus lastunabhängiger (0) und lastabhängiger (P) Verzahnungsverlustleistung (Z) und Lagerverlustleistung (L) sowie aus Dichtungsverlustleistung (D) und sonstiger Verlustleistung (X) zusammen: (1) Bei einem hohen zu erwartenden Wirkungsgrad bietet die direkte Verlustleistungsmessung hinsichtlich Messgenauigkeit und Aufwand des Messauf baus Vorteile. Entsprechend kann zur Bestimmung der Getriebeverlustleistung mit Fokus auf der Verzahnungsverlustleistung P VZ der FZG-Wirkungsgradprüfstand eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um einen modifizierten und mit Messtechnik erweiterten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand (s.- Kapitel 2). Neben dem Verspannmoment wird auch das vom Motor eingespeiste Verlustmoment an der motorseitigen Antriebswelle gemessen. Zur Glättung des Messsignals des Verlustmoments ist zwischen Verspannkreis und Antriebseinheit eine Schwungmasse montiert. Im Prüf- und Übertragungsgetriebe sind gleiche Prüfverzahnungen verbaut. Aufgrund der vorliegenden Verlustsymmetrie kann die Verlustleistung des Leistungskreises auf das Prüf- und Übertragungsgetriebe aufgeteilt werden. Die entscheidende Messgröße ist das vom Motor aufgebrachte Verlustmoment, welches mit einer Drehmomentmesswelle erfasst wird. Das Signal des Verspannmoments wird mittels DMS auf der Torsionswelle gemessen und mittels Telemetrie ausgespeist. Im Prüf- und Übertragungsgetriebe wird die Ölsumpftemperatur mithilfe von Pt100-Widerstandsthermometern erfasst. Zudem können die Zahnmassentemperaturen mittels Pt100-Widerstandsthermometern und Telemetrie gemessen werden. Als Prüfverzahnung können gängige FZG-Prüfverzahnungen oder verlustleistungsähnliche Praxisverzahnungen mit einem Achsabstand von 91,5- mm verwendet werden. Der Prüfstand kann mit Tauch- oder Einspritzschmierung betrieben werden. Der FZG-Wirkungsgradtest E-C/ 0.5: 20/ 5: 9/ 40: 120 nach der Methode FVA 345 [13] beschreibt die Bestimmung der Getriebeverlustleistung und der Verzahnungsreibung von Getriebeschmierstoffen für eine große Spreizung an Betriebsbedingungen mit Öltemperaturen ϑ Öl von 40 bis 120-°C, Umfangsgeschwindigkeiten v t,C von 0,5 bis 20 m/ s und Zahnflankenpressungen p C von 0 bis 1723-N/ mm², entsprechend den Kraftstufen (KS) 0 bis 9. Abwandlungen der Testmethode erlauben auch die Bewertung des Einflusses von Verzahnungsgeometrie, Oberflächenrauheit und -struktur, Materialien und Beschichtungen [14]. Bei der Methode FVA-345 [13] kommen Prüfverzahnungen vom Typ C-PT bei Tauchschmierung zum Einsatz. Der Ablauf ist in Abb. 10 gezeigt. Abb. 10: Ablauf des FZG-Wirkungsgradtests E-C/ 0.5: 20/ 5: 9/ 40: 120 nach der Methode FVA 345 [13] 102 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Die am Prüfstand gemessene Gesamtverlustleistung setzt sich aus der lastabhängigen 𝑃 𝑉𝑃 und lastunabhängigen Verlustleistung 𝑃 𝑉 0 zusammen. Die lastunabhängige Verlustleistung 𝑃 𝑉 0 wird abhängig von Drehzahl und Öltemperatur mit vernachlässigbar kleiner Verspannung (KS0) als Schleppverlustleistung von Verzahnungen, Lagern und Dichtungen gemessen. Die lastabhängige Verlustleistung 𝑃 𝑉𝑃 wird abhängig von Drehzahl und Öltemperatur bei KS5, KS7 und KS9 gemessen. Um die lastabhängige Verzahnungsverlustleistung 𝑃 𝑉𝑍𝑃 zu bestimmen, muss die lastabhängige Lagerverlustleistung 𝑃 𝑉𝐿𝑃 bekannt sein. Diese kann über vereinfachte Katalogverfahren bspw. nach SKF [15] berechnet oder am Wälzlagerverlustleistungsprüfstand bestimmt werden. Die mittlere Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z kann dann mittels der Antriebsleistung 𝑃 𝐴𝑛 und dem geometrischen Zahnverlustfaktor 𝐻 𝑉 berechnet werden: (2) Auf Basis des in Abb. 10 dargestellten Vorgehens werden die Verlustleistungsfaktoren X L0 , X LL und X LG , die Regressionskoeffizienten zur tribosystem-spezifischen Vorausberechnung der mittleren Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z sowie die Beharrungsübertemperatur bestimmt. Abb. 11 zeigt exemplarische Ergebnisse der mittleren Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z für verschiedene Schmierstoffe und Kraftstufen (KS). Es zeigt sich der deutliche Einfluss des Grundöls auf die mittlere Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z . Abb. 11: Exemplarische Ergebnisse der mittleren Verzahnungsreibungszahl für MIN32, PAO10 und PE10 in Abhängigkeit der Kraftstufen (KS) und der Umfangsgeschwindigkeit (Werte aus [14]) 3.6 Fazit Es bestehen seit langer Zeit etablierte Testverfahren zur Prüfung der Leistungsfähigkeit von Getriebeölen hinsichtlich verschiedener Tragfähigkeitseigenschaften und des Wirkungsgrads von Verzahnungen. Diese Prüfverfahren erlauben eine Differenzierung der Schmierstoffe. Die Testergebnisse können darüber hinaus aber auch als Art „Festigkeitskennwert“ des Schmierstoffs in die bestehenden Berechnungsverfahren zum Tragfähigkeitsnachweis von Verzahnungen eingebracht werden. Die Prüfverfahren sind weitestgehend standardisiert bzw. genormt und haben eine breite Akzeptanz und Anwendung, nicht nur im nationalen, sondern auch internationalem Umfeld erreicht. Basis dieser Prüfverfahren ist der genormte FZG-Zahnradverspannungsprüfstand mit a = 91.5 mm. Entsprechend den bisherigen üblichen industriellen Anwendungen erfolgen die Tests überwiegend im Bereich niedriger bis mittlerer Umfangsgeschwindigkeiten und haben in der Vergangenheit bewiesen, dass für diese Betriebsbedingungen eine zuverlässige Beurteilung der Schmierstoffeigenschaften möglich ist. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen, insbesondere im Bereich der E-Mobility, mit dem starken Trend hin zu hohen Drehzahlen, stellt sich jedoch die Frage, inwieweit die Ergebnisse aus den etablierten Prüfverfahren bei geringen bis mittleren Umfangsgeschwindigkeiten auf Anwendungsbereiche mit deutlich höheren Drehzahlen übertragbar sind. Da der genormte Standard-FZG-Verspannungsprüfstand hinsichtlich höherer Drehzahlbereiche nicht beliebig erweiterbar ist, ergibt sich die Notwendigkeit eines entsprechenden FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands. Dieser soll zum einen die Prüfung moderner Hochleistungsschmierstoffe unter möglichst anwendungsnahen Betriebsbedingungen, insbesondere auch bei erhöhten Drehzahlen, erlauben, zum anderen aber auch eine möglichst gute Anbindung an die bisher bestehenden Prüfverfahren ermöglichen. Mit Hilfe eines geeigneten FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand können die entsprechenden Ölprüfverfahren weiterentwickelt werden, so dass auch in Zukunft moderne Hochleistungsschmierstoffe für Anwendungen im E-Mobility-Bereich zuverlässig hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit beurteilt werden können. Darüber hinaus erlaubt ein solcher Prüfstand aber auch weitergehende Forschungsarbeiten zum Einfluss hoher Umfangsgeschwindigkeiten auf die Tragfähigkeitseigenschaften und den Wirkungsgrad von Verzahnungen. 4. Neuartiger FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand 4.1 Aufbau und Prüfmöglichkeiten Der FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand orientiert sich bei seinem Auf bau am standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand. Abb. 12: FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand 2. Fachtagung TestRig - September 2024 103 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Am ersichtlichsten zeigt sich die gemeinsame Basis zwischen dem FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstandes und dem standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand beim Leistungskreislauf. Das Übertragergetriebe und das Prüfgetriebe sind auch hier durch einen Verspannstrang und eine Torsionswelle miteinander verbunden, vgl. Abb. 12. Am Verspannstrang befindet sich eine Verspannkupplung, welche die Einleitung einer Last bzw. eines statischen Drehmomentes ermöglicht. Der Antrieb des Prüfstandes erfolgt über einen drehzahlgeregelten Asynchronmotor. Die jeweiligen Ölkreisläufe zur Einspritzschmierung verfügen über getrennte Kühl- und Heizsysteme, welche das Prüf- und Übertragergetriebeöl auf der jeweils gewünschten Temperatur halten. Der Achsabstand von a = 91,5 mm und das Übersetzungsverhältnis von 1,5 wurden beibehalten, wodurch die aus dem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand bekannten Prüfräder (vgl. Kap. 3) auch weiterhin verwendet werden können. Bei der Entwicklung zukünftiger Prüfverfahren bei erhöhten Drehzahlen kann somit auf standardisierte und etablierte Prüfmittel zurückgegriffen werden. Ebenso können weiterhin etablierte Testmethoden (vgl. Kapitel-3) auf dem neuen Prüfstand durchgeführt werden. Hierdurch besteht frühzeitig die Möglichkeit den neuartigen Prüfstand durch Abgleichversuche zu validieren. Die zukünftigen Prüfverfahren werden bei der FZG entwickelt. 4.2 Innovativer Charakter des FZG-Highspeed- Zahnradverspannungsprüfstand Derzeit rückt der Bereich standardisierter Prüfungen bei erhöhten Drehzahlen weiter in den Fokus der Automobilbranche. Aus diesem Grund sind hier weitere Entwicklungen nötig. Einen wichtigen ersten Schritt haben hierzu die Strama-MPS und die FZG mit der Entwicklung des neuen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand getan. Die größten Unterschiede zum standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand stellen dabei die erhöhten Drehzahlen mit einem zukünftigen Zielwert von 22.500-min -1 , eine maximal übertragbare Leistung von 942-kW und einem maximalen Verspannmoment von 600-Nm dar. Die erhöhten Drehzahlen und die damit verbundenen erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten machen es notwendig, alle Lager und Abdichtungen in den Getriebekästen mit Öl zu kühlen und zu schmieren. Die Ölkreisläufe für Übertrager- und Prüfgetriebe arbeiten auch hier unabhängig voneinander. Sowohl die Einspritztemperatur als auch die Durchflussmenge können jeweils über eine Regelung separat eingestellt werden. Der Antriebsmotor ist wassergekühlt. Die Steuerung des Prüfstandes erfolgt standardmäßig über eine Siemenssteuerung, in welcher bereits eine Schnittstelle zur Messdatenweitergabe integriert ist. Im Gegensatz zum standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand ist der neue Prüfstand standardmäßig mit einer Drehmomentmesseinrichtung auf der Torsionswelle ausgestattet. Des Weiteren sind alle Lagerstellen temperaturüberwacht. Die Einspritzmengen können durch einen aufsteckbaren Durchflussmesser, ohne weiteren mechanischen Eingriff, bestimmt und mittels Drosseln eingestellt werden. Um die Maschinensicherheit zu gewährleisten sind Schwingungssensoren auf den Getriebekästen angebracht, welche den Antrieb bei zu hohen Vibrationen herunterfahren. Weitere Details zum FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand sind auf der Homepage von Strama-MPS zu finden. Abb. 13: QR-Code zu https: / / www.strama-mps.de/ loesungen/ pruefstaende/ fzg-highspeed-zahnradverspannungspruefstand 4.3 Herausforderungen bei Konzeption und Entwicklung Ein Großteil der Herausforderungen hinsichtlich der Konzeptionierung des neuen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand ergibt sich aufgrund der erhöhten Drehzahlen. Neben dem bereits genannten Punkt der Schmierung, können beispielsweise die Auswahl der Wälzlager und die Drehmomentapplikation als weitere Herausforderungen genannt werden. Weiterhin müssen Unwuchten bei allen rotierenden Teilen auf ein Minimum reduziert werden. Hierdurch musste auf sonst erprobte Passfederverbindungen weitgehend verzichtet werden. Auch auf Eigenfrequenzen von Bauteilen musste durch angepasstes Design reagiert werden. Hierbei ist der Lagerbock an der Torsionswelle zu nennen. Während der Inbetriebnahme eines Prototyps zeigte sich zudem, dass trotz durchgeführter Simulationsrechnungen und bereits unternommener Maßnahmen, zusätzliche Anpassungen nötig waren, um aussagekräftige Ergebnisse sicherstellen zu können. Ein erster FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand wurde an der FZG als Prototyp erfolgreich in Betrieb genommen (vgl. Abb. 14). Hierbei wurden umfassende Abgleichversuche durchgeführt, welche eine hohe Wiederholbarkeit zeigen. Zudem konnte eine gute Vergleichbarkeit zu Ergebnissen am standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand nachgewiesen werden. Basierend auf den Voruntersuchungen werden kontinuierlich Verbesserungen am Prüfstand durchgeführt. Im Rahmen eines durch DGMK und FVA gemeinsam aus Industriemitteln geförderten Forschungsprojekts [16] wird der FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand bereits zu Untersuchungen hinsichtlich der Fresstragfähigkeit bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten eingesetzt. Hierbei konnten erste Versuchsergebnisse gewonnen werden. Zukünftig wird an der FZG die Entwicklung weiterer Testverfahren vorangetrieben, während bei Strama-MPS der Prüfstand weiterentwickelt wird. 104 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 14: FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand 5. Ausblick Neben der anstehenden Normung relevanter Testverfahren, arbeiten die FZG und Strama-MPS im Projekt Opt4E zusammen, in dessen Verlauf eine Wirkungsgradvariante für erhöhte Drehzahlen entwickelt wird, die auf dem neuen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand basiert. Derzeit wird bei Strama-MPS an einer optimierten Variante des Verspannkreises gearbeitet. Damit wird die Grundlage für eine einheitliche, zuverlässige und anwendungsnahe Charakterisierung von Getriebeölen für moderne Getriebeanwendungen geschaffen. Literatur [1] Winkler, K.- J.; Tobie, T. und Stahl, K.: FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants, 1. Fachtagung TestRig, Technische Akademie Esslingen (TAE), Ostfildern (2022) [2] DIN ISO 14635-1: FZG-Prüfverfahren - Teil 1: FZG-Prüfverfahren A/ 8,3/ 90 zur Bestimmung der relativen Fresstragfähigkeit von Schmierölen, Beuth Verlag GmbH, Berlin (2006) [3] Collenberg, H. F., Untersuchung zur Fesstragfähigkeit schnelllaufender Stirnradgetriebe,“ Dissertation, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, Technische Universität München (1990). [4] Michaelis, K., Die Integraltemperatur zur Beurteilung der Fresstragfähigkeit von Stirnradgetrieben,“ Dissertation, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, Technische Universität München (1987). [5] Schönnebeck, G.: Testverfahren zur Untersuchung des Schmierstoffeinflusses auf die Entstehung von Grauflecken. Antriebstechnik 24 1985. Heft: 1, S. 31-36 (1985). [6] Niemann, G.; Winter, H.: Maschinenelemente. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg (2003). [7] Deutsches Institut für Normung e.V., Tragfähigkeit von Stirnrädern - Teil 16: Bestimmung der Graufleckentragfähigkeit von Schmierstoffen im FZG- Prüfverfahren GT-C/ 8,3/ 90, German Standard DIN 3990-16: 2020. Beuth Verlag GmbH, Berlin (2020). [8] Voßiek, J. und Höhn, B.-R., Entwicklung eines Verfahrens zur Beurteilung desVerschleißverhaltens von Schmierstoffen für Zahnradgetriebe. DGMK- Forschungsbericht 377, Hamburg (1992). [9] Plewe, H.-J., Untersuchungen über den Abriebverschleiß von geschmierten, langsam laufenden Zahnrädern,“ Dissertation, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, Technische Universität München (1980). [10] Schedl, U., Oster, P., Tobie, T., und Höhn, B.- R., Einfluss des Schmierstoffes auf die Grübchenlebensdauer einsatzgehärteter Zahnräder im Einstufen- und im Lastkollektivversuch. FVA- Informationsblatt 2/ IV. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt/ Main (1997). [11] Matt, P., Tobie, T., Empfehlungen zur Vereinheitlichung von Tragfähigkeitsversuchen an vergüteten und gehärteten Zylinderrädern. FVA-Richtline 563/ I. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt/ Main (2012). [12] Lohner, T.: Berechnung von TEHD Kontakten und Einlaufverhalten von Verzahnungen. Dissertation. Technische Universität München, München (2016). [13] Doleschel, A.: Method to Determine the Frictional Behaviour of Lubricants Using a FZG Gear Test Rig: FVA Information Sheet 345 (2002). [14] Hinterstoißer, M.; Sedlmair, M.; Lohner, T.; Stahl, K.: Minimizing load-dependent gear losses. Tribologie und Schmierungstechnik Vol. 66 No. 3: S. 15-25. (2019) [15] SKF-Gruppe: SKF Hauptkatalog 1994. Media- Print Informationstechnologie, Paderborn (1994). [16] Forschungsvereinigung für Antriebstechnik: Prüfmethodik zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen für Verzahnungen in E-Mobility - Zuverlässige Beurteilung der (Fress-)Tragfähigkeit von E-Mobility-Schmierstoffen (2024)