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Coefficient of friction behavior of gear oils and significance for the meshing process of spur gears : lubrication for improved properties
(2022) Baumann, Axel; Bertsche, Bernd
The mechanical properties of oils are determined using test methods. There are standardized test methods for determining viscosity and density. The characterization of transmission oil based on its dynamic viscosity alone is not sufficient for the physical explanation of different levels of noise emissions in vehicle transmissions. For this reason, the test procedure for determining the coefficient of friction is used in the following to enable a further differentiation between the oils according to mechanical properties. In gear transmissions with involute gear teeth, rolling friction occurs in the gear pair meshing along the line of action due to the variation in the equivalent curvature radii throughout the meshing cycle. This is rolling friction on which a sliding friction component, so-called slip, is superimposed. Pure rolling friction only occurs in the pitch point. From the pitch point to the start and end of the meshing, there is a superimposed sliding friction component that increases with increasing distance from the pitch point. Slip values occur in the range of 5-50% depending on tooth geometry. These friction conditions during tooth flank lubrication can be assessed using the Stribeck curve. The Stribeck curve represents the coefficient of friction as a function of the speed. A mini traction machine from PCS Instruments with a ball/plate measurement setup was used to determine the coefficient of friction behavior of gear oils. This allows the coefficient of friction of an oil to be assessed at low speeds in the range from boundary and mixed friction to elastohydrodynamic fluid friction at high speeds. The investigations show that the coefficient of friction behavior of a gear oil depends on the oil viscosity and above all on the chemical composition. The lower the coefficient of friction, the less energy is required to shear the lubricating film and the lower the power transmission through the fluid. The coefficient of friction is a property that is dominated by the type of base oil and the type of VI improver in the area of mixed and fluid friction, especially with additional sliding in contact. It will be shown in the paper that the use of a gear oil that has been optimized with regard to the coefficient of friction curve can reduce the entry impacts of meshing gear pairs under vibration excitation and the gear transmission thus generates lower noise emissions.
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Rasselgeräuschminimierung von Fahrzeuggetrieben durch Getriebeöle
(2013) Baumann, Axel; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
In Fahrzeuggetrieben mit Stirnradverzahnungen (z.B. Handschaltgetriebe, automatisierte Schaltgetriebe, Doppelkupplungsgetriebe) treten wegen der Drehschwingungsanregung durch den Verbrennungsmotor störende Klapper- und Rasselgeräusche auf, die durch Schwingungen von unbelasteten Losteilen, wie Losräder, Synchronringe und Schaltmuffen, innerhalb ihrer Spiele verursacht werden. Zur Minimierung dieser Geräusche wurden individuelle Getriebeöle entwickelt, die gleichzeitig ein geringes Verlustmoment erzeugen. Die Möglichkeiten, ein Getriebeöl für den Einsatz im Handschaltgetriebe aus vorhandenen Grundflüssigkeiten und Additiven zu formulieren, werden vorgestellt. Das Rasselgeräuschverhalten eines Handschaltgetriebes für Front-Quer-Antrieb im Zugbetrieb wurde mit den entwickelten Getriebeölen auf einem Rasselgeräuschprüfstand untersucht. Ein wasserlösliches Polyalkylenglykol zeigte in den Messungen eine Reduktion des Schalldruckpegels um 4 dB(A) gegenüber der Serienbefüllung bei fast identischer Ölviskosität. Derartige Grundflüssigkeiten sind aber für den Einsatz in Fahrzeuggetrieben ungeeignet, da sie eine wasseranziehende Wirkung haben und dadurch Korrosion auftreten kann. Verlustmomentmessungen des Handschaltgetriebes zeigten zudem eine Verbesserung des Getriebewirkungsgrads bei Verwendung des wasserlöslichen Polyalkylenglykols. Ein verbesserter Wirkungsgrad konnte vor allem im belasteten Zustand nachgewiesen werden, da hier die lastabhängigen Zahnreibungsverluste dominieren und diese maßgeblich durch den Reibwert des Getriebeöls bestimmt werden. Der Einsatz eines Getriebeöls mit niedrigem Reibwert bringt hier eine wesentliche Optimierung sowohl des Wirkungsgrads als auch der Rasselgeräuschemission mit sich. Praxisrelevante Getriebeölformulierungen wurden mit einem Hydrocrackgrundöl und hohen Konzentrationen von bestimmten Polyalkylmethacrylaten als Viskositätsindex-Verbesserer gefunden. Gewisse Polyalkylmethacrylate können dicke Grenzschmierfilme durch Adsorption von polaren Gruppen bilden. Damit wurde eine Rasselgeräuschreduktion des Getriebes von 2 dB(A) erreicht. Reibwertveränderer, z.B. auf Basis von Molybdän-Dialkyldithiocarbamat, die im Bereich der Grenz- und Mischreibung wirken, tragen ebenfalls dazu bei ein niedriges Geräuschniveau zu erreichen. Um das Rasselgeräuschverhalten der Serienbefüllung und des wasserlöslichen Polyalkylenglykols weiter zu untersuchen, wurde ein einstufiges Prüfgetriebe entwickelt und am Rasselgeräuschprüfstand in Betrieb genommen. Es wurden die Phänomene Verzahnungs- und Synchronringrasseln getrennt voneinander untersucht, um die wesentlichen Einflussparameter für die Geräuschentstehung zu ermitteln. Beim Verzahnungsrasseln im geschalteten Zustand konnte eine Rasselgeräuschdämpfung mit dem wasserlöslichen Polyalkylenglykol nur bei Verwendung einer Schrägverzahnung festgestellt werden. Daher ist der hydrodynamische Schmierfilmaufbau im Zahneingriff für die Rasselgeräuschentstehung ausschlaggebend. Ein höheres Verlustmoment bei Einsatz des wasserlöslichen Polyalkylenglykols ist folglich nicht für geringere Rasselgeräuschpegel verantwortlich. Die Untersuchung der Drehwegabweichung beim Verzahnungsrasseln ergab, dass die auftretenden Rasselstöße zu einer elastischen Verformung der eingreifenden Zahnpaare führen. Es herrschen bei einem Verzahnungsstoß hohe Zahnkräfte, die Hertzsche Abplattung der Zahnflanken und eine Viskositätssteigerung des Öls mit dem Druck (elastohydrodynamische Schmierung) hervorrufen. Elastische Verformungen der Zahnflanken führen zu Abweichungen vom Verzahnungsgesetz. Dadurch entstehen zusätzliche Eintrittsstöße, die die Intensität des Körperschallpegels und damit des emittierten Rasselgeräuschs maßgeblich beeinflussen. Beim Einsatz des wasserlöslichen Polyalkylenglykols treten diese Eintrittsstöße nicht auf, was das günstige Rasselgeräuschverhalten dieser Ölsorte erklärt.
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Rasselgeräuschprüfstand zur Untersuchung von Fahrzeuggetrieben
(2011) Fietkau, Peter; Baumann, Axel; Bertsche, Bernd
In diesem Aufsatz wird der Klapper- und Rasselgeräuschprüfstand am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart vorgestellt. Der Prüfstand wurde speziell entwickelt, um die bei Fahrzeuggetrieben auftretenden Losteilgeräusche (Klapper- und Rasselgeräusche) untersuchen zu können. Neben der Beschreibung des allgemeinen Prüfstandsaufbaus wird genauer auf das Regelungskonzept sowie die verwendete Messtechnik eingegangen. Diese zeichnet sich unter anderem durch eine hochgenaue Erfassung der Drehschwingungen aus. Dadurch ist es möglich, Relativbewegungen im Betrieb von im Eingriff stehenden Zahnrädern hochauflösend aufzuzeichnen. Abschließend werden einige exemplarische Messungen dargestellt.