Coefficient of friction behavior of gear oils and significance for the meshing process of spur gears : lubrication for improved properties

Abstract

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. Bei Getrieben mit Evolventenverzahnung tritt Rollreibung in dem Zahnradpaar auf, das entlang der Eingriffslinie kämmt, aufgrund der Änderung der äquivalenten Krümmungsradien während des gesamten Eingriffsvorgangs. Es handelt sich dabei um Rollreibung, der ein Gleitreibungsanteil, der sogenannte Schlupf, überlagert ist. Reine Rollreibung tritt nur im Wälzpunkt auf. Vom Wälzpunkt bis zum Anfang und Ende des Zahneingriffs überlagert sich eine Gleitreibungskomponente, die mit zunehmendem Abstand vom Wälzpunkt zunimmt. Je nach Zahngeometrie treten Schlupfwerte im Bereich von 5-50 % auf. Diese Reibungsverhältnisse bei der Zahnflankenschmierung können anhand der Stribeck-Kurve beurteilt werden. Die Stribeck-Kurve stellt den Reibungskoeffizienten als Funktion der Geschwindigkeit dar. Zur Bestimmung des Reibwertverhaltens von Getriebeölen wurde eine Mini-Traktionsmaschine von PCS Instruments mit einem Kugel-Platten-Messaufbau verwendet. Damit kann der Reibwert eines Öls bei niedrigen Drehzahlen im Bereich von Grenz- und Mischreibung bis hin zu elastohydrodynamischer Flüssigkeitsreibung bei hohen Drehzahlen beurteilt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass das Reibwertverhalten eines Getriebeöls von der Ölviskosität und vor allem von der chemischen Zusammensetzung abhängt. Je niedriger der Reibungskoeffizient, desto weniger Energie wird benötigt, um den Schmierfilm abzuscheren, und desto geringer ist die Kraftübertragung durch das Fluid. Der Reibwert ist im Bereich der Mischreibung und Flüssigkeitsreibung eine von der Art des Grundöls und der Art des VI-Verbesserers dominierte Eigenschaft, insbesondere bei zusätzlichem Gleitanteil im Kontakt. In dem Beitrag wird gezeigt, dass durch den Einsatz eines im Hinblick auf den Reibwertverlauf optimierten Getriebeöls die Eintrittsstöße eingreifender Zahnradpaare bei Schwingungsanregung reduziert werden können und das Zahnradgetriebe somit geringere Geräuschemissionen erzeugt.