Steigerung der nutzbaren Restlebensdauer von Zahnrädern durch eine adaptive Betriebsstrategie

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird eine adaptive Verlängerung der Lebensdauer von Maschinenelementen im Betrieb untersucht. Vor allem bei einsatzgehärteten Verzahnungen ist der schwächste Zahn am Umfang des Zahnrades für den Ausfall der Komponente durch Grübchenbildung verantwortlich. Die restlichen Zähne sind zu diesem Ausfallzeitpunkt intakt und verfügen somit über Lebensdauer-Reserven. Innerhalb einer adaptiven Betriebsstrategie sollen diese Lebensdauer-Reserven für die Steigerung der Restlebensdauer genutzt werden. Basis für die adaptive Betriebsstrategie ist die Streuung der Belastbarkeit der individuellen Zähne. Dies bedeutet, dass lediglich der schwächste Zahn zum Ausfall führt. Mit dieser Information wird in der adaptiven Betriebsstrategie der schwächste Zahn am Umfang geschont und der Ausfall somit hinausgezögert. Hierfür wird der schwächste Zahn am Umfang lokalisiert und dem Eingangsmoment eine angepasste periodische Drehmomentvariation überlagert. Das Minimum der Variation liegt bei jeder Umdrehung am schwächsten Zahn an. Die restlichen Zähne werden höher belastet, um die Leistung zu kompensieren. Mit dieser Strategie ist eine Verlängerung der Lebensdauer im Betrieb ohne Reduktion der mittleren Leistung möglich. Das Potenzial der adaptiven Betriebsstrategie wird anschließend in zweierlei Hinsichten untersucht, einerseits über eine erweiterte Grübchenauswertung und andererseits über eine Simulation. In der erweiterten Grübchenauswertung werden im Gegensatz zum Stand der Technik alle Grübchen am Umfang des Zahnrades betrachtet. Es zeigt sich, dass 30% der Zahnflanken Grübchen aufweisen und diese mit hoher Wahrscheinlichkeit an benachbarten Zahnflanken auftreten. Aus diesem Grund wird von einer Abhängigkeit der Grübchen ausgegangen, welche durch die Überdeckung in der Verzahnung begründet wird. Zusätzlich werden die Degradationsverläufe der Grübchen untersucht. Es zeigt sich für alle Grübchen ein exponentieller Verlauf und eine deutlich breitere Ausfallverteilung als im Stand der Technik bei ausschließlicher Betrachtung der schwächsten Zähne. Die Streuung der Belastbarkeit ist damit belegt und dient als Basis für die adaptive Betriebsstrategie. Hierbei wird ein enormes Potenzial der adaptiven Betriebsstrategie deutlich, da 70% der Zahnflanken am Ende der Testzeit keinerlei Anzeichen eines Grübchens aufweisen. An diesen Zahnflanken muss daher erst ein Grübchen initiiert und im Anschluss auf das End-of-Life Kriterium - 4% Grübchenfläche bezogen auf eine Zahnflanke - degradiert werden. Die größere Belastbarkeit der anderen Zähne am Umfang wird damit sehr deutlich. Eine Quantifizierung des Potenzials wird über eine simulative Studie vorgenommen. Hierfür wird ein Simulationsmodell genutzt, welches die Belastbarkeit aller Zähne berücksichtigt und somit die Anwendung der adaptiven Betriebsstrategie erlaubt. Das Zahnrad wird als System definiert, in welchem jede individuelle Zahnflanke als Komponente eine eigene Belastbarkeit aufweist. Plausibilisiert wird das Modell über generelle Zusammenhänge der Eingangsparameter, da Versuche mit der adaptiven Betriebsstrategie zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich sind. Das Ergebnis der Simulation ist die jeweilige Steigerung der Lebensdauer mit angewendeter adaptiver Betriebsstrategie bei unterschiedlichen Eingangsparametern. Damit wird eine Sensitivitätsanalyse vorgenommen, welche als Haupteinflüsse das Eingangssignal der Betriebsstrategie, den Wöhlerexponenten, die Amplitude und die Streuung der Belastbarkeit aufzeigt. Maximal ist innerhalb der Simulation eine Erhöhung der Lebensdauer von ca. 43% möglich.