Einsatz von Druckkämmen zur Effizienzsteigerung von schrägverzahnten Getrieben

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.