Einsatz von Druckkämmen zur Effizienzsteigerung von schrägverzahnten Getrieben

Heß, Marcel

Druckkammlager ermöglichen die direkte Übertragung axialer Lasten zwischen parallelen, rotierenden Wellen. Im Bereich der Turboverdichtergetriebe haben sie sich seit Jahren als probates Mittel zum Aufbau effizienter Lagerungssysteme erwiesen, da sie es gestatten, den vom Verdichterrad in die hochtourig drehende Ritzelwelle eingeleiteten Verdichterschub auf die Radwelle und erst von dort in das Gehäuse zu übertragen. Hierdurch kann die Ritzelwelle fliegend, also ohne axiale Gehäuselagerung, gelagert werden, wodurch die Lagerungsverluste des Gesamtsystems erheblich sinken. In anderen Gebieten des Getriebebaus finden Druckkammlager bisher kaum Verwendung. Ursächlich hierfür erscheinen neben ihrem geringen Bekanntheitsgrad vor allem die eingeschränkte Verfügbarkeit von geeigneten Berechnungsverfahren zu deren Auslegung, Unsicherheiten hinsichtlich der Anwendbarkeit in niedertourigen Anwendungen und Unklarheiten über das Energiesparpotential beim kombinierten Einsatz von Druckkamm- und Wälzlagern. Die direkte Übertragung axialer Lasten zwischen rotierenden Wellen eröffnet die Möglichkeit, Verzahnungsaxialkräfte, wie sie bei der Drehmomentübertragung durch einfach schrägverzahnte Stirnradstufen hervorgerufen werden, dicht an ihrem Entstehungsort auszugleichen und die betroffenen Getriebestufen so nach außen axialkraftfrei wirken zu lassen. Die sich durch den potentiellen Druckkammeinsatz ergebende Entlastung von Gehäuselagerungen bietet ein bisher zu wenig genutztes Energiesparpotential in einem deutlich weiteren Anwendungsfeld. Die vorliegende Arbeit soll einen Beitrag zur Prüfung und Bewertung des Druckkammeinsatzes als Energiesparoption in konkreten Getriebesystemen leisten, indem ein Berechnungsvorgehen beschrieben wird, mit dem sich die Betriebssituation innerhalb des Druckkammlagers sowie dessen Auswirkung auf die Verlustleistung eines gesamten Getriebelagerungssystems in Abhängigkeit von verschiedenen Gestaltungs- und Betriebsparametern bestimmen lässt. Im einführenden Kapitel werden Erläuterungen zu grundlegenden Funktionsweisen der Druckkammlagerung und bereits bekannter Literatur zu deren Auslegung sowie den Zielen der vorliegenden Arbeit gegeben. Die Erweiterung des Einsatzgebietes von Druckkammlagern in niedertourige Anwendungen erfordert eine zuverlässige hydrodynamische Vollschmierung auch bei geringen Drehzahlen. Zunächst wird ein Berechnungsverfahren beschrieben, welches der Lösung der REYNOLDS’schen Differentialgleichungen für Druckkammlager dient. Aus diesen lassen sich der hydrodynamische Tragdruck und die elastisch deformierte Spaltgeometrie, unter Berücksichtigung druckabhängiger Schmierstoffeigenschaften, in unterschiedlichen Betriebssituationen bestimmen. Durch Variationsrechnungen können Einflüsse unterschiedlicher Gestaltungsparameter auf die minimale Spaltweite und damit auf das Übergangsverhalten in die Vollschmierung prognostiziert werden. Auf einem Spezialprüfstand aufgenommene Kennlinien für unterschiedlich gestaltete Druckkammlager, die die für den Übergang in die Vollschmierung erforderliche Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der aufgebrachten Axiallast wiedergeben, werden für die experimentelle Verifikation herangezogen. Es zeigt sich übereinstimmend mit den Simulationsrechnungen, dass sich die Übergangsgeschwindigkeit bereits durch geringe Modifikationen signifikant beeinflussen lässt. Anschließend wird eine Erweiterung des Berechnungsvorgehens durch die Abbildung von Mischreibungskontakten zwischen rauen Oberflächen beschrieben. Hierfür wird anhand von Rauheitsschrieben realer Laufflächen eine aus Kugel-Kappen zusammengesetzte Ersatzfläche modelliert, für die sich mittels statistischer Methoden Festkörpertrag- und Reibungskräfte bestimmen lassen. Durch die Kopplung mit der hydrodynamischen Schmierfilmsimulation gelingt eine genauere Beschreibung der Reibungssituation im Druckkammkontakt. Mit Hilfe eines einstufigen, schrägverzahnten Versuchsgetriebes, welches sich sowohl mit einer „konventionellen“ angestellten Lagerung als auch mit einer Kombination von Druckkamm- und Rillenkugellagern betreiben lässt, werden Wirkungsgradkennfelder für beide Lagerungskonzepte aufgenommen. Der Vergleich ergibt eine mittlere Steigerung des Getriebewirkungsgrades von über 3 %, insbesondere im Teillastbetrieb fällt diese noch höher aus. Es wird somit zum einen der Beweis erbracht, dass sich die Effizienzschrägverzahnter Getriebe durch den Einsatz von Druckkammlagern tatsächlich steigern lässt, zum anderen wird mit Hilfe der gewonnenen Daten demonstriert, wie sich die Gesamtverluste eines Getriebelagerungssystems rechnerisch abschätzen lassen. Hierdurch soll es dem Anwender ermöglicht werden, das Energiesparpotential einer Druckkammlagerung bereits während der Entwurfsphase eines Getriebes beurteilen und in die Konzeptabwägung einbeziehen zu können.

Thrust cone bearings allow the direct transmission of axial loads between parallel, rotating shafts. In integrally geared compressors they transfer an axial load induced to the pinion shaft by the compression of process gas, to the main bull gear shaft, where it is balanced by a thrust bearing at relatively low rotational speeds. The pinion shaft can be mounted in a floating arrangement and thus the bearing losses of the overall system are considerably reduced. Although thrust cone bearings have proven to be a reliable solution in that application for years, they are hardly used in other fields of gearbox engineering. Besides their generally low level of awareness, a lack of suitable calculation methods and concerns regarding their applicability under low-speed operation conditions as well as uncertainties about their energy saving potential in combination with rolling bearings appear as main causes for their limited use so far. Axial loads, resulting from torque transmission via single helical spur gears, can easily be compensated close to their point of origin by the use of thrust cone bearings. A force component generated on a tooth flank of the pinion is conducted through the thrust cone contact into the wheel, where it is balanced with the wheel flanks force component, which has the same amount but opposite direction. Outside the transmission stage no axial loads remain and the bearings in the housing are relieved and frictional losses can be reduced. The presented work shall contribute to the evaluation of possible energy savings in gearbox construction by using thrust cone bearings. It intends to describe a calculation method, which allows to simulate operational conditions in the thrust cone bearing and to predict power losses in the whole gearbox bearing system, in dependency of several design parameters. The introductory chapter explains the basic functionality of thrust cone bearings, presents the state of knowledge for their design and names the objectives of this thesis. Reliable full film lubrication at low velocities is a basic necessity for extending the thrust cones field of application to lower speed regions. A numerical method to solve REYNOLDS differential equations for thrust cone bearings is described. Considering pressure-dependent lubricant properties and elastic surface deformations, distributions of the hydrodynamic pressure and the deformed contact geometry can be calculated under various operating situations. The influence of different design parameters on the minimum gap size and thus the transitional behavior into full lubrication can be predicted by calculations. Experimental verification is gained by comparison with characteristics, which were recorded on a special test bench and reflect the speed required for the transition to the full lubrication as a function of the axial load applied for differently designed thrust cone bearings. Both, numerical calculations and experimental data, show consistently a significant influence of minor design modifications on the transition speed. The calculation procedure is extended for mixed friction conditions by modelling solid contact between rough surfaces. Properties of the rough surfaces are determined by roughness profiles and transferred into an equivalent model surface based on spherical caps. Using statistical methods normal and friction forces due to asperity contacts are calculated. In combination with the results of the hydrodynamic simulation a more precise description of the friction situation in the thrust cone contact is achieved. Characteristic maps of the gearbox efficiency are determined for a singlestage test transmission with a helical gear pair. The gearbox can be equipped either with a “conventional“ bearing concept based on tapered roller bearings or with a combination of thrust cone and ball bearings. A comparison of the gained results leads to an average raise in efficiency of more than 3 % - during partial load operation it is even higher. Besides the experimental proof for increased efficiency due to the use of thrust cone bearings a method for the calculation of total losses caused by the gearbox bearing system is demonstrated based on the recorded data. It is intended to enable the user to assess the energy saving potential of a thrust cone bearing already during the design phase.

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Heß, Marcel: Einsatz von Druckkämmen zur Effizienzsteigerung von schrägverzahnten Getrieben. 2018.

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