Elastohydrodynamische Schmierung : theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Erweiterung der EHD-Theorie auf praxisnahe und instationäre Bedingungen: Zwischenbericht 1975

Elastohydrodynamische Schmierung : theoretische und

experimentelle Untersuchungen zur Erweiterung der

EHD-Theorie auf praxisnahe und instationäre Bedingungen:

Zwischenbericht 1975

Citation for published version (APA):

Schouten, M. J. W. (1975). Elastohydrodynamische Schmierung : theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Erweiterung der EHD-Theorie auf praxisnahe und instationäre Bedingungen:

Zwischenbericht 1975. (Forschungshefte Forschungskuratorium Maschinenbau; Vol. 40), (Forschungsvorhaben; Vol. 22). Maschinenbau-Verlag.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1975

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M030548

_{FORStHUNGSHEFTE}

FOHStHUNGSKURATORIUM MAS[HINENBAU E.\'.

Heft 40

Elastohydrodynamische Schmierung

Theoretische und experimentelle Untersuchungen

zur Erweiterung der EHD-Theorie

auf praxisnahe und instationäre Bedingungen

Zwischenbericht 1975

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Das Urheberrecht an dlesem Bericht und sämtllche · Bellagen verbleibt uns. Der Bericht ist dem Empfänger nur zum eigenen Gebrauch anvertraut und dart ohne unsere schrlftliche Genehmigung weder kopiert oder vervielfäitigt noch Drilten mitgeteilt oder zugänglich gemacht werden.

Forschungskuratorium Maschinenbau e. V., 6000 Frankfurt/M·Niederrad 71, Postfach 71 01 09 Zu beziehen durch:

ELASTOHYDRODYNAMISCHE SCHMIERUNG Vorhaben Nr. 22

Theoretische und experimentene Untersuchungen zur Erweiterung der EHD-Theorie

auf praxisnahe und instationäre Bedingungen Zwischenbericht 1975 -0 '

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Kurzfassung:

Die varliegende Arbeit ist ein Zwischenbericht zum Thema "Eiastohydrodynamische Schmie-rung". Ergebnisse über die stationäre Schmierfilmbildung werden im FKM-Forschungsheft Nr. 24 (1973) veröffentlicht. Eine Erweiterung dieser Theorie und der experimentellen Ergeb-nisse wurde im FKM-Heft Nr. 34 (1975) beschrieben. Es wird an diese Ergebnisse ange-schlossen.

Es werden kombinierte Druck- und Temperaturmessungen im Schmierfilm, sowie Relbungs-messungen und FilmhöhenRelbungs-messungen beschrieben.

Zur Erfassung der Arbeitsviskosität im Schmierfilm werden zwei verschiedene Methoden betrachte!.

Es wird über einen Nocken-FiachstöBei-Prüfstand zur meBtechnischen Erfassung der Druck-verteilung, Temperaturverteilung und Filmhöhe über den vollen Nocken-Urnlang berichte!. Verschiedene Konstruktionsprinzipien einer Wälzlagerprüfmaschine werden gegenüberge-stellt.

Berichtsumfang: Beginn der Arbeiten: Forschungsstelle:

120 S., 102 Abb., 9 Lil.

1. Januar 1974

Labor für Antriebstechnik

der Technischen Hochschule Eindhoven Prof. Dr. Ir. W. M. J. Schlösser

Verfasser: Dr. Ir. M. J. W. Schouten Obmann des

Gemeinschaftsarbeitskreises: Obering. G. Borowka Linde AG. Asehaffenburg Vorsitzender des Beirates: Prof. Dr.-Ing. 0. Schiele Weitere Berichte

zum Vorhaben:

Klein, Schanzlin & Becker AG, Frankenthal FKM-Heft 14/1972 1. Zwischenbericht FKM-Heft 24/1973 AbschluBbericht FKM-Heft 34/1975 (Zwischenbericht 1974)

Inhaltsverzeichnis

I . EinfÜhrung

2. Messung von Reibung, Druckverteilung, Temperatur-verteilung und SchmierfilmhÖhe im stationären elastohydrodynamischen Kontakt

2.1. Reibungsmessungen

2.2. Kombinierte Druck- und Temperatur-messungen im Schmierspalt

2.2.1. Anordnung der Messgeber

2.2.2. Kombinierte Druck- und Temperatur-messungen fÜr verschiedene

Be-lastungen, Roll- und Gleitge-schwindigkeiten und verschiedene FlÜssigkeiten bei Vollschmierung 2.2.3. Kombinierte Druck- und

Temperatur-messungen fÜr verschiedene Be-lastungen, Roll- und Gleitge-schwindigkeiten und verschiedene FlÜssigkeiten bei Verringerung der Oelzufuhr

2.3. Messung der SchmierfilmhÖhe ~m EHD-Kontakt 2.3.1. Gebergestaltung, Messmethode und

Messelektronik 2.3.2. Eichung des Systems

2.3.3. Ergebnisse der FilmhÖhemessung

3. Die Arbeitsviskosität im EHD-Schmierfilm 3.1. Ergebnisse der Druckrechnung

3.2. Berechnung der Arbeitsviskosität aus ge-messenen Druckverteilungen Seite 5 9 9 10 11 12 23 27 28 37 40 51 51 56

3.3. Bestimmung der Arbeitsviskosität als Funktion der Kompressionsgeschwindigkeit aus Reibungs-messungen bei geringem Schlupf

3.4. Vergleich der im EHD-Kontakt erzielten Viskosi-tätswerte mit FlÜssigkeitsuntersuchungen bei schneller Kompression

4. Elastohydrodynamische Schmierung unter instationäre Bedingungen

4. I. Konstruktion und Fertigung e~nes Nocken-Flach-stÖssel-PrÜfstandes

4.1.1. Messprinzip und Prinzip des PrÜfstandes 4.1.2. Wahl der zu messenden Nocken

4.1.3. Berechnung einiger wichtiger Teile 4.1.4. Ausarbeitung der Messmethoden zur

Er-fassung von moroentanen Druck-,

Temperatur- und FilmhÖhenverteilungen im Kontakt zwischen Nocken und Flach-stÖssel Über den vollen Nockenumfang. Aufbau der notwendigen Messelektronik 4.2. Konstruktion eines RollenlagerprÜfstandes

4.2.1. Messprinzip und Prinzip des PrÜfstandes 4.2.2. GegenÜberstellung einiger PrÜfstände

und Messmethoden zur Erfassung van Druckverteilung, Temperaturverteilung und FilmhÖhe ~m Kontakt zwischen Rolle und Laufbahn ~m belasteten Teil des Lagers

4.2.2.1. Geber auf der Laufbahn im Aussenring. Innenring rotiert 4.2.2.2. Geber auf der Laufbahn vom

Innenring. Aussenring rotiert 4.2.3. Wahl der Messvorrichtung

5. Zusammenarbeit mit anderen Institute 6. Zusammenfassung 7. Symbolenliste 8. Literatur Se i te 58 71 73 73

74

83 85 88 93 93 94 97 1 (),9 I 12 J J 4 115 1 17 119

I. EinfÜhrung

Hohe Flächenpressungen treten in Maschinen vor allem in den kontrafarmen BerÜhrungsstellen wie z.B. bei Zahnrädern, Wälzlagern und in Nocken-StÖssel-Kontakten auf. Die wechselnden Materialspannungen kÖnnen zur ErmÜdung der Lauffläche und damit zur Zerstörung des Maschinenelementes fÜhren. Wenn zusätzlich Gleiten zwischen Laufflächen vcrliegt entsteht entlang der Kontaktfläche eine Tangentialbelastung die eine ErhÖhung der Materialbelastung darstellt. ImFalle einer zu kleinen SchmierfilmhÖhe kann adhäsiver Verschleiss die Folge sein. Infolge der Bewegung einer Tangentialbelastung wird das Material Örtlich erwärmt und es entstehen Temperaturspannungen. Die Temperaturen kÖnnen so hohe Werte erreichen, dass Fressen der Laufflächen erfolgt.

1

Die drei genannten Materialspannungen werden vom Schmierungszustand zwischen den Kontaktflächen entscheidend mitbestimmt. Bild I zeigt

schematisch einige Zusammenhänge. Einen Vergleich verschierlener Belastungs-situationen bezÜglich der auftretenden wechselnden Vergleichsspannungen soll deshalb Über den Schmierungszustand gemacht werden. Weiter kann Über Aenderungen der Schmierungsbedingungen diese Spannung und damit auch die ErmÜdungslebensdauer beeinflusst werden.

Die genannten Zusammenhänge machen eine theoretische sowie experimentelle Untersuchung der in kontrafarmen BerÜhrungsflächen auftretende elasto-hydrodynamische Schmierung erforderlich. Die in der Elastohydrodynamik entwiekelten Theorien, Modelle und experimentelle Verfahren sind aber nicht nur zur Anwendung auf Kontaktstellen mit ungÜnstiger Schmiegung gedacht, sondern fÜr all die Situationen wo Schmierung und eine nicht mehr zu vernachlässigende Deformation kombiniert auftreten. Die Elasto-hydrodynamik soll also z.B. bei Kunststoff-Zahnrädern oder unter Kunst-stoff Dichtungen schon bei niedrigen KontaktdrÜcken angewandt werden. Die Lebensdauer einer Dichtung aus Kunststoff wird vam elastohydrodyna-mischen (EHD)-Schmierfilm stark beeinflusst. Einige der Anwendungsfälle

Getriebe

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Wechselnde

Vergleichsspannung

Bild 1

wurden im Bild 2 dargestellt. In der varliegenden Arbeit wurde nur die Elastohydrodynamik metallischer Kontaktstellen betrachtet.

Theoretische Modelle, sowie Messtechniken fÜ~ stationäre Bedingungen wurden in [I] beschrieben. Darin wurde auch Über die Entwi'cklung von auf-gedampften Druck- und Temperaturgebern, sowie Über Messungen van Druck und Temperatur im EHD-Schmierspalt unter stationären Bedingungen berichtet. Nachher wurde das Forschungsthema auf mehr praxisnahe und instationäre Bedingungen erweitert. Als erstes Ergebnis dieser Er..reiterung wurden in

Wälzlager

Hydrodynamisches Lager

Kunststoff Zahnräder

Gleitschuh mit geringer Steifigkeit

mit deformierbarem Gegäuse

/

Dichtung _{Reifen auf nasser Strasse}

Stahlwalzen Gelenk

[2] Druckmessungen im Schmierfilm bei zu geringer Schmierstoffzufuhr, sowie Messungen der Druckverteilung in der Axialrichtung zur Klärung des Randeinflusses gezeigt. Es wurde mit der Bearbeitung der instationären EHD angefangen; die verschiedenen Arten des instationären Betriebes, sa-wie die zeitabhängigen Vorgänge bei Zahnrädern,Nocken, und Wälzlagern wurden einander gegenÜbergestellt. Als Messobjekte wurden der Nocken-Flachstössel-Kontakt und das Radialzylinderrollenlager gewählt. In dem varliegenden Zwischenbericht werden die zu diesen Maschinenelementen ge-hÖrenden PrÜfstände ausgearbeitet und es wird Über Einzelheiten der PrÜfstandskonstruktionen berichtet. Auch die entwiekelten Messverfahren zur Erfassung der GrÖssen im instationären Schmierfilm, sowie die dazu gehÖrenden elektronischen Verfahren werden besprochen. Zur Anwendung im stationären, sowie im instationären Kontakt wurde ein Verfahren zur Messung der FilmhÖhe ausgearbeitet, und es werden die dazu gehÖrenden elektronischen Schaltungen und Messergebnisse gezeigt. Obwohl diese Messungen nicht in der ursprÜnglichen Aufgabestellung aufgenommen waren, wurde die Entwicklung dieser Messteehuik doch im Rahmen dieses Forschungs-proiektes ausgefÜhrt. Bei diesem Verfahren werden, wie bei der Druck-und Ternperaturmessung, aufgedampfte Messwertaufnehrnern verwendet. Es werden die Ergebnisse kornbinierter Druck- und Temperaturmessungen, wo-bei Belastungen, Geschwindigkeiten, Schlupf, Schmiermittelart und Schrniermittelrnenge variiert wurden, gezeigt.

Mit dem Ziel die LÜcke zwischen Theorie und Messung in der EHD zu

achliessen wurden die gemesseoen GrÖssen als Eingabewerte fÜr die schon in [I] und

[i]

besprachenen Rechenverfahren verwendet. Daraus ergeben sich Werte der Arbeitsviskosität in der Kontaktstelle und es stellte sich heraus, dass die Viskosität der FlÜssigkeit eine Funktien der Kompressions-geschwindigkeit ist. Die Viskositätverläufe stirnmen in der Tendenz ~it Viskositätsmesswerte bei schneller Kompression Überein.

2. Messungen van Reibung, Druckverteilung, Temperaturverteilung und SchmierfilmhÖhe im stationären elastohydrodynamischen Kontakt

Wie in der EinfÜhrung schon erwähnt wurde, wird die Kontaktflächen-belastung im EHD-Kontakt van Druckverteilung, Temperaturverteilung und Reibung bestimmt. Die GrÖssen sind Über den Schmierungszustand mit einander verbunden. Adhäsiver Verschleiss wird van dem Verhältnis zwischen SchmierfilmhÖhe zu Rauheit der Laufflächen beeinflusst. Damit liegen die zu messenden GrÖssen im Schmierspalt fest. Die Mess-aufstellung fÜr stationäre Bedingungen wurde in [IJ hesebrieben und wird deshalb hier nicht weiter erläutert.

2.1. Reibungsmessungen

Während die Messungen van Druckverteilung, Temperaturverteilung und Schmierfilmprofil differenziert Über die Kontaktlänge stattfinden, wird der Reibungskoeffizient als Mittelwert Über die Kontaktfläche bestimmt. Dazu werden die Anpresskraft und das Drehmoment gemessen. In [!] wurde Über Messungen bei versebiedenen Belastungen, Roll- und Gleitgeschwindig-keiten, Kontaktflächenmaterialien, Oberflächenbearbeitungen, Kontakt-flächenbreiten und FlÜssigkeiten berichtet.

Wenn die Gleitgeschwindigkeit klein ist, steigt der Reibungskoeffizient proportional mit der Gleitgeschwindigkeit. FÜr einen parallelen Spalt kann unter diesen Bedingungen Über den Newton'schen Zusaromenhang zwischen Schubspannung und Geschwindigkeitsgefällen die Viskosität aus der

Reibungsmessung bestimmt werden. Diese MÖglichkeit wurde bei der Be-stimmung der Arbeitsviskosität im Schmierspalt verwendet. Dazu wurden Reibungsmessungen var allem im Gebiet der niedrigen Gleitgeschwindig-keiten durchgefÜhrt. Uber diese Messungen wird bei der Viskositätsbe-stimmung in Kapitel 3 berichtet.

2.2. Kombinierte Druck7 und Temperaturmessungen im Schmierspalt

Die Messmethoden zur Bestimmung der Druckverteilung und der Temperatur-verteilung wurden in [I] , FKM-Forschungsheft Nr. 24 (1973), beschrieben. Darin wurde ebenfalls Über die Eichverfahren und die ersten Messergeb-nisse berichtet, Wegen der kleinen Abmessungen einer Kontaktstelle und der geringen SchmierfilmhÖhe wurden aufgedampfte Geber verwendet, die als äussert dÜnne Metallschichten in Vakuum auf die stählerne Lauf-fläche gedampft wurden. Die Schicht arbeitet entweder als ein nur druck-abhängiger ader als nur temperaturdruck-abhängiger elektrischer Widerstand. Mit äquivalenten Gebern wird die in Abschnitt 2.3 beschriebene Film-hÖhemessung ausgefÜhrt. Die Abmessungen eines Druck- ader Temperatur-gebers zeigt Bild 3 • Die Schichtdicke wurde darin stark vergrössert gezeichnet. Geber Bild 3 Bewegungsrichtung 0,5 mm oder grösser Draht ~0.2 mm Leiter für Drahtanschluss (Auf'gedampft}

Weitere Messwerte des Schroierfilmdruckes wurden in [2], FKM-Forschungs-heft Nr. 34 (1975), gezei.gt. Au-sser SchmierfilmdrÜcken bei verschierlenen Roll- und Gleitgeschwindigkeiten und Vollschmierung wurden erstmals Druckmessungen bei Verringerung der Oelzufuhr bis ins Mischreibungs-gebiet gezeigt. Auch Über Druckmessungen in der Axialrichtung einer Lauffläche wurde berichtet, und es wurde die MÖglichkeit gezeigt den Einfluss der AxialkrÜmmungen und RandkrÜmmungen Über Messungen zu untersuchen.

In diesem Abschnitt werden kombinierte Messungen der Druckverteilung und der Temperaturverteîlung beschrieben. Das Problem des Kombinierens verschierlener Druck- und Temperaturprofile, die während verschierlener Messläufe aufgezeichnet wurden, entfällt indem das Aufnehmen der Signale

2.2.1. Anordnung der Messgeber

Die Messungen wurden auf dem ScheibenptÜfstand mit Scheiben aus Stahl von 100 mm ~ ausgefÜhrt. Auf eine der Laufflächen werden ein Druck-und ein Temperaturgeber aufgedampft. Die Geber kÖnnen auf drei ver-schiedene Weisen angebracht werden:

A. An einer bestimmten Stelle kann auf der Lauffläche e1n Druckgeber gedampt werden; auf diesem Geber wird eine Isolationsschicht gedampft. Danach wird an der gleichen Stelle ein Temperaturaufnehmer gedampft. Druck- und Temperaturaufnehmer liegen in diesem Fall also an der gleichen Stelle der Laufbahn àuf einander. FÜr das DurchfÜhren dieser Aufdampfung ist e1n neuer Maskenmanipulator erforderlich.

B. Auf der Lauffläche werden die Geber unter einen Winkel aufgebracht, so dass die beiden Aufnehmer auf der Symmetriefläche ~ der Scheibe liegen, Bild 4 a . Aus Versuchen mit verschiedenen l•Tinkeln hat sich herausgestellt, dass die Betriebsbedingungen fÜr alle Punkte auf dem Umfang während einer Umdrehung die gleichen sind.

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Bild 4 a Bild

4

b

C. Auf der Lauffläche werden die beiden Gebern nebeneinander auf einer Linie in Axialrichtung angeordnet, Bild 4 b. Urn die beiden Aufnehmer auf eine Linie zu positionieren, sollen die beiden Geberformen sich

in einer Maske befinden, wobei zuerst die eine Hälfte und danach die

andere Hälfte abgeblendet wird. Bei einer Länge ~ im Bild 4 b von

z.B. ·2,5 mm und einer Laufflächenbreite von 8 mm besteht aber die Gefahr, dass sich Teiledes Aufnehrners in der Zone mit RandeinflÜssen bef inden.

Aus einer GegenÜberstellung dieser MÖglichkeiten wurde die mit B gekennzeichnete Methode gewählt. Die beiden Aufnehrner werden von der gleichen Quelle gespeist; es sind jetzt zwei WiderstandsbrÜcken rnontiert,

Bild 5 zeigt diese Schaltung schematisch. Die Triggerung fÜr die

Zeit-rnessung geschieht auf der Welle fÜr beide Messungen rnit dern gleichen S\gnal, wobei verschiedene 'Delay-Zeiten' fÜr die Messungen eingestellt werden. Die Registrierung der Signale geschieht digital Über: Lesegerät-Speicher-Kodeurnwandler-Locher-Schreiber. Eine Messung der Analogsignale Über Foto's vom Oscilloskopenbildschirrn wird nicht rnehr verwendet, weil diese Methode zu ungenau und die Auswertung zu arbeitsintensiv ist. Das Oscilloskopenbild dient nur zur optischen Kontrolle des Messvorganges. Bei Verwendung von nur einern Speicher kann das zweite Signal erst auf-genommen werden nachdern das erste Signal abgelocht ist. Bei Verwendung eines Doppelspeichers kÖnnen beide Signale während der gleichen Umdrehung registriert werden.

Bild 5

2.2.2. Kornbinierte Druck- und Ternperaturmessungen fÜr verschiedene Belastungen, Roll- und Gleitgeschwindigkeiten und verschiedene FlÜssigkeiten bei Vollschmierung

Die Messungen wurden ausgefÜhrt mit den HydraulikÖlen Mobil-Oil DTE-Medium und Mobilube C 90, sowie mit den FVA-VersuchsÖlen FVA-1 bis FVA-4. Die Viskositätwerte beiAtmosphärendruck sowie die

Viskosität-Druck-Koeffiziente dieser Schmierstoffe wurden in Bild 6

zusammen-gefasst. Wegen den grossen Unterschiede in

7

und o( sind die bei

einer Betriebsbedingung gehÖrenden h . -Werte stark abhängig von der m~n

FlÜssigkeit und somit sind auch die mit einem vollen Schmierfilm noch zu messenden Belastungsgebiete stark verschieden.

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Bild 7 zeigt Druck- und Temperaturverteilungen bei reinem Rollen,

mit Mobilube C 90 und bei Umfangsgeschwindigkeiten von 6,41 m/s. Die Hertz'sche Pressung wurde zwischen 2.100 bar und 13.000 bar variiert. Bei niedriger Belastung ist der Druckaufbau hydrodynamisch, weil die Deformation gering ist. Es findet ein geringer Temperaturanstieg wegen der Kompression der FlÜssigkeit statt. Dadurch entsteht eine Änlich-keit zwischen Temperaturverteilung und Druckverteilung. Die

Maximal-werte der Temperatur (~ B}ma~ wurden im Bild 8 als Funktion der

Hertz'schen Pressung und im Bild 9 als Funktion der

Umfangsgeschwindig-keiten ( ,.a1 =

_.uz)

aufgetragen. Die Bilder gelten nur fÜr reines Rollen.

Es wurden ebenfalls die Werte der mittleren Kompressionsgeschwindigkeit

angegeben. Die Definition dieser GrÖsse zeigt Bild 10 • Die

Kompressions-geschwindigkeit wird nichtvonder GrÖsse der Belastung bestimmt, aber nur von der Kontaktflächengeschwindigkeit, vom reduzierten

Elastizitäts-modul und vom reduzierten KrÜmmungsradius. Bei BelastungserhÖhung nehmen

die Hertz'sche Pressung und die Abplattungsbreite proportional zu.Wenn

Gleiten vorliegt verändert sich das Temperaturbild stark, die

Maximal-temperaturen werden wesentlich hÖher. Bi ld 11 zeigt p und B -Messungen

bei Veränderung der Gleitgeschwindigkeit. Es findet eine kleine Aenderung des Druckverlaufes statt.

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Bild 10 Hertz'sche Verteilung Kompressionszeit Mittlere Kompressions-geschwindigkeit

Bild 12 zeigt p- und

e

-Messungen fÜr 3 verschiedene FlÜssigkeiten. FÜr

FlÜssigkeiten mit hoher Viskosität fängt der Druckaufbau etwas frÜher an und der Anstieg ist weniger steil. Die Druckspitze verschiebt sich etwas nach vorne. Bei einer Verringerung der Viskosität nähert sich das Druckbild

immer mehr der Hertz'schen Verteilung, was aus der kleineren Schmier-filmhÖhe erklärt werden kann. Bei reinero Rollen sind die Temperaturen

hÖher wenn

1

grösser ist. Bild 13 zeigt den Temperaturanstieg bei

niedriger Belastung und reinero Rollen fÜr 5 verschiedene FlÜssigkeiten.

Wenn Schlupf vorliegt wird der Temperaturanstieg vor allem von der

viskosen Reibung im Schmierfilm bestirnmt. In diesen Fälle wird die

TemperaturerhÖhung grÖsser, wenn die Viskosität kleiner ist •.

Wenn verschiedene FlÜssigkeiten getestet werden, wird die Reihenfolge

der FlÜssigkeiten, worin die Temperatur steigt, eine andere als bei reinero Rollen, Bild 13a zeigt Temperaturmessungen mit Schlupf fÜr 6 verschiedene Schmierstoffe. Die Gleitgeschwindigkeit beträgt 3,4 m/s. Im Bild 14 wurde der Maximalwert des Temper.aturanstieges als Funktion

der Gleitgeschwindigkeit aufgetragen, im Gebiet mit

Gleitgeschwindig-keiten bis I ,6 m/s. Es tvurde weiter die berechnete Blitztemperatur nach

Blok eingetragen. Eine Temperaturmessung fÜr den Fall, dass bei reinero

Rollen die Oelzufuhr abgeschaltet wird, wurde eingetragen, in dieseM

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2.2.3. Kombinierte Druck- und Temperaturmessungen fÜr verschiedene Belastungen, Roll- und Gleitgeschwindigkeiten und verschiedene FlÜssigkeiten bei Verringerung der Oelzufuhr

Wie die Messungen bei Verringerung der Oelzufuhr in [2] schon zeigten, verändert die typische EHD-Druckverteilung in eine fast Hertz'sche Kurve. Die Maximaltemperatur wird, wenn kein Gleiten vorliegt, kleiner wenn zu wenig Oel zugefÜhrt wird. Bei Rollen mit ~leiten wird in diesem Fall die Temperatur hÖher als bei Vollschmierung. Diese Tendenzen wurden im Bild 15 schematisch zusammengefasst.

Bild 16 zeigt Druck- und Temperaturkurven bei Vollschmierung und bei Unterschmierung, wenn reines Rollen vorliegt. Bei Unterschmierung war die zugefÜhrte Oelmenge 0,5 cm3/min. Die Hertz'sche Pressung ist

11400 bar. B l. 'ld 15 Uberschmierung Unterschmierung p(x)

/ l

A

Rollen (x)

~

~

Rollen p(x)

./1

/ \

mit Gleiten (x)

A

1

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oe

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e

(x)

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I

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0,6

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0

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0,9

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Bild 17

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72

60 48

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o-

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0,5

cm3/min. Ht+IH--ll- '· ~!::-:; :~-'-iiffl1 :, I~C

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Mobil C 90

Q)

DTE-Med. tt 0,3

o,6

0,9 1 , 2

x(mm)

Bild 17 zeigt bei sonst gleichen Bedingungen wie im Bild J6, jedoch bei einer Gleitgeschwindigkeit von 1,5 m/s,die Druck- und Temperaturverteil-ung. Als Schmierstoff wurde Mobilube C 90 zugefÜhrt. Die erreichte Temperatur in der Kontaktstelle ist ietzt stark abhängig von der ver-wendeten FlÜssigkeit. Wenn die Viskosität kleiner ist, wird der Tempe-raturanstieg hÖher. Bild 18 zeigt die Temperaturverteilung fÜr drei

verschiedene FlÜssigkeiten, Pt = ~~~ ~

₁

Gleitgeschwindigkeit ~

=

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S"'H _z 11400 bar und zugefÜhrter Oelmenge o _, !i

<J-Y,.,;".

2.3. Messung der SchmierfilmhÖhe im EHD-Kontakt

Wie in Kapitel 3 dieser Arbeit beschrieben wird bei vorhand~ner

ge-messener Druckverteilung im isothermen EHD-Kontakt die Berechnung der Ar bei tsviskosität im Schmierspalt ermÖglicht. Voraussetzung i st dab ei, dass die SchmierfilmhÖhe bekannt ist. Bei der Berechnung der FilmhÖhe

wurde von einer berechneten Viskosität ausgegangen, unter der Annahme,,

dass die fÜr statische Bedingungen bekannten Viskositäts-Dr.uck-Temperatur-Gleichungen ihre GÜltigkeit bei schneller Kompression nicht verlieren. Urn die Arbeitsviskosität bestimmen zu kÖnnen sollen FilmhÖhemessungen durchgefÜhrt werden.

Ein zweiter Grund fÜr die DurchfÜhrung von FilmhÖhenmessungen ist das Nicht-vorhaDd~~-se~n einer Reehenmethode zur FilmhÖhenbestimmung unter

instationären Bedingungen. Nachdem ausfÜhrliche Untersuchungen des

stationären EHD-Kontaktes ausgefÜhrt wurden, sind Untersuchungen der Schmierfilmbildung im instationären Kontraformkontakt wie Zahnräder,

Nocken und Wälzlager erforderlich. Infolge der Quetschströmung ist eine

theoretische Bearbeitung dieser Probleme kompliziert und wegen der

vielen Annahmen unsicher. Eine experimentelle Untersuchung;bietet

deshalb mehr MÖglichkeiten.

Eine dritte AnwendungsmÖglichkeit eines FilmhÖhenmessverfahrens ist die Kontrolle der Reehenmethoden fÜr den Schmierspalt. Damit ist u.a. die Kontrolle der verschierlenen Einflussfaktoren in der Formel nach Dowson mÖglich.

2.3.1. Gebergestaltung, Messmethode und Messelektronik

In [(] wurden schon einige Messmethoden zur Bestinnnung des Schmierfilm-profiles angegeben. Die AnwendungsmÖglichkeit mehrerer Messmethoden wurde untersucht:

Messung Über Licht das im Schmierfilm mehr oder weniger ahsorbiert wird, ader mit Laserstrahlen.

- Messung der SpalthÖhe mit RÖntgenstrahlen. - Kapazitive Volumenstrommessung

- Messung mit Ultraschall.

- Kapazitive Messung zwischen den beiden Kontaktflächen.

- Kapazitive Messung zwischen einen aufgedampften Metallfilm auf der einen Lauffläche und der zweiten Lauffläche.

Nach GegenÜberstellung der MessmÖglichkeiten, wobei auch eine Be-stimmung des-Filmprofiles mÖglich ist und den auftretenden Kosten wurde die Messung zwischen aufgedampfter Schicht und der Gegenfläche als Messmethode gewählt. Die Methode wurde in [1] angegeben und in

[3] ausfÜhrlich besprochen. Die Messungen wurden auf dem ScheibenprÜf-stand ausgefÜhrt.

Das Messprinzip besteht darin, dass sich auf einer der beiden Laufflächen

e~n aufgedampfter Metallstreifen befindet der von der Lauffläche aus Stahl von einer aufgedampften Isolationsschicht isoliert ist. Die elek-trische Kapazitätsänderung dieses Streifens gegenÜber der zweiten Lauf-fläche wird während des Kontaktdurchganges gemessen. Der Schmierstoff ist das Dielektrikum dieses variabelen Kondensators, Bild 19 a. Die

Bild 19 a

~

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=

-

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-lsolation Geber

SchmierfilmhÖhe wurde darin urn mehrere GrÖssenordnungen zu gross

ge-zeichnet. Die HÖhe des Schmierfilms ist urn 1000 mal grÖsser eingezeichnet als die

Schmierfilmlänge. Damit kann diese Situation, \<7Îe im Bild 19 b gezeigt

wird, als Kondensator mi t zwei parallelen Platten angenähert werden.

2.b

Bild 19 b

In der Breitenrichtung wurde die abgeschrägte Scheibe von einer geraden Scheibe ersetzt urn die RandeinflÜsse so klein wie mÖglich zu machen,

Bild 20 und 21 • Der kapazitive Geber wurde ebenfalls eingezeichnet.

Dieser hat hier die Form elnes parallelen Streifens. Eine Form wie beim Druck- oder Temperaturgeber, also ein fast punktfÖrmiger Aufnehmer, ist hier nicht anwendbar, weil die gesamte Kapazität gegenÜber der sich verändernde Kapazität zu gross ist. Auch das Feld fÜr den Drahtanschluss

ist mÖglichst klein. Mit den z.Z. varhandenen Techniken der MikrolÖtung reicht fÜr den Drahtanschluss ein aufgedampftes Feld mit einer Fläche von 0,01 mm2 • Urn EinflÜsse der Kapazität der Leitungen zu vermeiden wurde einespezielle Konstruktion des Anschlusses zwischen Geber und Leiter verwendet. --+-. -

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Bild 20

FÜr die Kapazität eh gilt:

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~r= Relative Dielektrizitätskonstante der FlÜssigkeit; diese ist eine

Funktion von Druck und Temperatur.

GrÖssenordnung fÜr Mobil-Oil e 90: 2,3 [-]

-f

= FilmhÖhe [ L]

Die GrÖssenordnung dieser Kapazität im EHD-Kontakt ist:

é'_.t

~

.to

i'

,c fÜr h

=

)#

m

Weiter sind /?~ und

L

eine Funktion von /.t,

Die GrÖsse von eh wird beeinflusst von der Oberflächenrauheit, vor allem bei sehr dÜnnen Schmierfilmen. Wichtig in diesem Zusammenhang sind Kapazitätsmessungen zwischen Scheibe und Scheibe bei verschiedenen Rau-heiten die in [8] beschrieben wurden.

Von geringerer Bedeutung ist der Einfluss yon Oxydfilme auf Geber und Gegenscheibe bezÜglich der GrÖsse der gemessenen Kapazität. Dieser Ein-fluss kann durch das Aufdampfen eines Edelmetalls als Gebermaterial und eventuell auch auf die Gegenfläche unterbunden werden. Dieser Eingriff hat sich nicht als notwendig erwiesen.

Eine der wichtigsten zu beachtenden Grossen bei der kapazitiven Messung ist die Aenderungsgeschwindigkeit der Kapazität. Bei der Ausarbeitung der Messelektronik wurde mit einer Aenderungsgeschwindigkeit der Film-hÖhe von 0,1 m/s gerechnet. Dieser Wert wurde aus Deformationsberechnungen

Über gemessene Druckverteilungen bestimmt.

In dem gezeigten Messystem treten zwei Parallelkapazitäten auf, deren Einfluss Über eine Eichung korrigiert wird. Die verschiedenen

Kapazi-täten wurden im Bild 22 eingezeichnet. Die Schichtdieken wurden hier

stark vergrÖssert aufgetragen:

eh ist die zu messende Kapazität, die eine Funktion der Örtlichen Film-hÖhe ist.

Cs ist die Kapazität zwischen Geber und der Scheibe worauf dieser Geber

gedampft wurde. Das Dielektrikum ist die Isolationsschicht, ~r:;:~.

Oiese Kapazität ist eine Funktion vom Örtlichen Schmierfilmdruck weil die Isolationsschicht infolge ihrer Elastizität

zusammenge-drÜckt wird, wodurch die Schichtdickenänderung bei 104 bar in der

GrÖssenordnung 2% liegt.

C ist die parasitäre Kapazität der Leitungen und die Eingangskapazität

p der Schaltung. Isolation Geber Bild 22 Eingang der Messchaltung

Die GrÖsse eh wird nicht nur von der SpalthÖhe

f'rx)

aber auch von der

Dielektrizitätskonstanten ~r der FlÜssigkeit beeinflusst. Nach dem

Gesetz von Clausius- Mosotti kann der Zusaromenhang zwischen

er

und der

Dichte

;o

geschrieben werden als:

t'r - I 1

=

Ueber die Dichte/

=tfi>.JB)

nach [9] ist f:r damit berechenbar. Eine

Messung von ~ als Funktion der Temperatur bei Atmosphärendruck zeigt

Bild 23 . FÜr den isothermen Fall z.B. bei reinem Rollen, wird

;o

und deshalb auch ~r nur vom Druck beeinflusst. Der Zusaromenhang

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i

i

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Nach Vergleich versebiedener Messm~glichkeiten f~r die Kapazitit,

wo-bei auch die Eichm~glichkeiten und die TransportmÖglichkeiten f~r das

gemessene Signal betrachtet wurden, wurde eine Messung mit frequenz-modulierter Wechselspannung gewihlt. Das dazu gehÖrende Messystem

zeigt Bild 25 . Das Abnehmen des Signales von der rotierenden Welle

findet ~ber Schleifringe statt.

Rotierend

,---L----,

_{Ka'Oazität Spannun~ Am'Dli tuc}

I

I

Spalthöhe h(x)

..

_{C(x) u(x) f'(x)} e-

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v~tärkunm

Amplitude-:::~•if--1

f(x)

H

Bild 25 verringe-rung Demodu-lierung

u'(x)

I

1>

I

h(x)

Eichung

wie es auf' dem Oscilloskop registriert und über Bicmation ge-speichert und abgelocht wird.

Das an der Stelle

@

im Bild 25 varhandene Signal ist der Verlauf

der SpalthÖhe als Spannungssignal. Eine Rechnung der SpalthÖhe kÖnnte

hier bei bekannter ?,_ und Geberfliche ausgef~hrt werden. Hesentlich

genauer ist es aber, die Signalwerte mit Eichwerteh zu vergleichen.

Die Spannung ~'(kj wird während eines Kontaktdurchganges mit einer

7

Maximalgeschwindigkeit von 10 Messungen pro Sekunde gelesen und

ge-speichert. Nachher wird das Speichervolumen von 256 Stellen abgelocht. Die Kapazitäts- und FilmhÖhenbestimmung wird mit Hilfe der Rechenanlage

ausgef~hrt, weil die Berechnung der Betriebsparameter f~r iede der

ge-speicherten Werte ausgef~hrt werden muss. Der Zusammenhang zwischen ~,

und

G2

₄

ist nicht linear und wird gezeigt im Bild 26 •

Die Verarbeitung des Spannungssignales ~(k) bis zum Schmierfilmprofil

lftxj,

a lso na eh der Stelle

@

im Bi ld 25 wurde im Bi ld 27

VerfÜgung kommenden Werte werden zusaromen mit der Druckverteilung jbtk),

der Temperaturverteilung él(.k) ' der Zusanunenhang

e:

I;.

f/oJ;

~(A~ der GrÖsse (:?"ó , der Zusammenhang

f?s

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&)

und Eichwerte mit Hilfe

der Rechenanlage nach ~(xJ - Werte umgerechnet.

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Ji.

Die im Bi ld 25 zwischen dem Messwertaufnehmer und der Spannung ~'lx)

angegeben elektronischen Komponenten wurden als eine Messeinheit zu-sammengebaut. Ein Teil der Elektronik befindet sich während der Messung auf der rotierenden Welle.

Analog-Anzeige r - _{Oszillogr. 1'otc}

®

-

u' (x)

-1

Digital Leser Koden- _Locher

-

+

-

urn wand- Loch

__,..

Rechner

Speicher _Ier

p(x)

B(x)

Bild 27 Eichung

E,

(Jp' 11' (:, (fU~

J

2.3.2. Eichung des Systems

Es wurden zwei Eichverfahren angewandt: mit stehenden und mit rotieren-den Scheiben. Bei der statischen Eichung werrotieren-den die Scheiben mit ge-ringer Belastung aneinander geschoben. Der Geber befindet sich im Kontaktpunt und die Kontaktstelle befindet sich im Oel. Danach wird der Abstand zwischen den beiden Scheiben schrittweise vergrÖssert, ohne die Wellen zu rotieren. Ausgehend vonder SpalthÖhe

~=O

werden jetzt die SpalthÖhenwerte und die vom Geber registrierten Signale auf-gezeichnet. Der Abstand zwischen den beiden Scheiben oder zwischen den beiden Wellen wird Über einen induktiven Weggeher registriert.

Auch bei der dynamischen Eichung werden die Kontaktflächen zuerst mit geringer Belastung aneinander geschoben, so dass die Deformation ver-nachlässigt werden darf. Die Kontaktstelle befindet sich wieder im Oel. Weil jetzt keine Deformation vcrliegt ist der Spaltverlauf in der Be-wegungsrichtung bekannt:

.frx)

=

~

+

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Jetzt wird der Geber durch den Kontakt gedreht und es wird die

Kàpazi-tätsänderung registriert. Dieser Vorgang wird fÜr versebiedene

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-Werte wiederholt. Bild 28 zeigt ein Beispiel einer Eichkurve.

Zeit t Jllrr

Weiter wurde im Druckgefäss und im Thermostatbad eine Eichung der

Kapazität

k?s

durchgefÜhrt. Im Temperaturgebiet zwischen 23°C und 52°C verändert (~ urn 0,09%. Deshalb wurde der Temperatureinfluss vernach-läs sigt.

Durch elastische Deformation der Isolationsschicht ist ~ eine Funktien vom Druck. Die Veränderung von ~s ist bei 100 bar gleich 0,02%. Bei linearer Extrapolation bedeutet das eine VergrÖsserung \Ton ~ von 2% bei 10.000 bar. Dieser Einfluss wird bei der Ausarbeitung der Messungen korrigiert.

Bei der Bestimmung der FilmhÖhe soll, wegen des Verarbeitens der

2

-Werte, die zu einem gemessenen Kapazitätswert gehÖrenden Druckwert be-kannt sein. Die Stelle 4 =o ist aber im registrierten

Kapazitätsver-lauf nicht bekannt, Im undeformierten Zustand ist die Stelle ~: o aus

der Symmetrie bekannt. Deshalb wird hier die Zeit zwischen einem Triggerpuls und der ll! -::o -Stelle registriert. linter Belastung wird diese Zeit, sowie auch die Drehzahl konstant gehalten, Bild 29

Undef'ormiert

Zeit:

Def'ormiert

Bild 29

I

Ein zweites Verfahren urn das Zuordnen von Kapazitäts- und Druckwerten vorzunehmen,kann rnit einer speziellen Schaltung auf der Scheibe ausge-fÜhrt werden. Dabei hat der Geber zwei AnschlÜsse, wie es auch bei der Druckmessung der Fall ist. Der Geber ist in der Kapazitätsmessanlage, sowie auch in einer Wheatstone'schen MessbrÜcke aufgenommen. Durch Urn-schalten von aussen kann aus diesen beiden SchaltungsmÖglichkeiten ge-wählt werden. Damit ergibt sich die MÖglichkeit den kapazitiven Geber vorÜbergehend als Druckgeber zu schalten. Damit wurden, wenn die Stelle des Triggersignals konstant gehalten wird, Druck- und FilrnhÖhemesswerte auf der gleichen Zeitbasis erhalten.

2.3.3. Ergebnisse der FilmhÖhernessung

Die Bilder 30 31 und 3 2 zeigen re gis trierte "tt'fx) -Werte fÜr

drei verschiedene Belastungen. Laufflächen aus Stahl

FlÜssigkeit: Mobil-Oil C 90

Umfangsgeschwindigkeiten

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6,

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-6

Zeit zwischen zwei Messpunkten: 2 • 10 Sek.

Die Striche in der Graphik zeigen die Messpunkte, die nah aneinander liegen. Die Zunahme des Verforrnungseinflusses bei zunehmender Belastung ist hieraus schon deutlich zu erkennen. Bei den Messungen in den Bildern

33 34 und 35 wurde ein anderer ~ -Wert eingestellt. Die

weiterèn Bedingungen stimmen mit den Bedingungen dervorigen Messreihe

Überein, nur wurde bei der Belastung

fi

= 735 N als voller Skalenwert

fÜr die Spannung 2V statt 5V eingestellt. Bei der niedrigen Belastung entsteht eine fast symmetrische Kurve.

Urn das von der Rechenanlage ausgefÜhrte Verfahren zu zeigen, wurden

im Bild 36 die GrÖssen A

V=

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aufgetragen. FÜr diese Messung gilt:

F = 9696, I N 0 . 9 2 -3 ~Hz = 0,93 • 10 N/m ; b 0,395 • 10 m u 1

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Stahl-Stahl; Mobil-Oil C 90, 24°C Eintritt

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