Die Schmierung von Zahnrädern ist entscheidend für die Aufrechterhaltung effizienter und langlebiger Getriebesysteme, da sie die Reibung reduziert, Wärme ableitet und Verschleiß sowie Korrosion verhindert. Eine ordnungsgemäße Schmierung gewährleistet einen reibungslosen Betrieb, verlängert die Lebensdauer der Komponenten und erhöht die Zuverlässigkeit des Systems.
Bei niedrigen Temperaturen wird die Schmierung noch wichtiger. Kalte Bedingungen können dazu führen, dass Schmiermittel eindicken, wodurch ihre Fließfähigkeit und ihre Fähigkeit, die Zahnradoberflächen zu schützen, verringert werden. Dies kann zu erhöhter Reibung, Verschleiß und Startproblemen führen. Spezialisierte Tieftemperatur-Schmierstoffe sind dafür ausgelegt, auch bei Kälte flüssig und wirksam zu bleiben, um so einen gleichbleibenden Schutz und eine reibungslose Funktion zu gewährleisten.
Fallbeschreibung
In diesem Fall besteht das Ziel darin, Simulationsergebnisse mit experimentellen Befunden zu vergleichen, wobei der Schwerpunkt auf der Schmierung bei verschiedenen Temperaturen liegt. Die zugrundeliegende Simulation wurde bereits beschrieben. Die Einzelheiten und die allgemeine Konfiguration der Simulation können dort nachgelesen werden.
Der Hauptunterschied liegt in den Viskositätsänderungen bei verschiedenen Temperaturen, die die Leistungfähigkeit des Schmiermittels beeinflussen. Wir werden zwei Fälle bei hohen Drehzahlen miteinander und mit experimentellen Daten vergleichen.
Das Ziel der Analyse dieser Fälle ist die Bewertung der Schmierung unter unterschiedlichen Temperaturbedingungen, und die Simulationsergebnisse mit dem Verhalten in der realen Welt zu validieren. Dieser Vergleich wird Einblicke in die Wirksamkeit von Schmierstoffen über Temperaturbereiche hinweg liefern und dabei helfen, das Design von Getriebesystemen zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Effizienz zu optimieren.
Simulations Setup
Wie zuvor erwähnt, verwendet das Gehäuse die gleiche Geometrie wie der Basisfall , daher werden hier nur die Unterschiede zum Basisfall erwähnt. Die beiden Fluideigenschaften, die verwendet wurden, repräsentieren ein Schmiermittel bei 25 °C und -40 °C.
| Parameter | Fall 1 (25 °C) | Fall 2 (-40 °C) |
|---|---|---|
| Eingangsdrehzahl | 1543 U/min | 1543 U/min |
| Flüssigkeitsvolumen | 400 ml | 400 ml |
| Dichte der Flüssigkeit | 809,4 kg/m3 | 840,5 kg/m3 |
| Kinematische Viskosität | 3,356E-5 m2/s | 3,247E-3 m2/s |
| Oberflächenspannung | 0,021 N/m | 0,021 N/m |
| Schwerkraft | 9,81 m/s2 | 9,81 m/s2 |
| Simulationsdauer | 9 s | 15 s |
Ergebnisse
Fall 1: 25 °C
Vorderansicht
In der Vorderansicht ist zu erkennen, dass alle drei Lager über die zu ihnen führenden Kanäle mit Schmiermittel versorgt werden: Das linke Lager wird kontinuierlich gefüllt (roter Kreis), und die Kammer vor dem Lager wird ähnlich wie im Experiment gefüllt. Das mittlere Lager (grüner Kreis) wird ebenfalls über den Pool gefüllt, aber die Simulation scheint die experimentellen Ergebnisse zu überschätzen, was dazu führt, dass auch das rechte Lager (gelber Kreis) in der Simulation mehr gefüllt ist als im Experiment. Nichtsdestotrotz sind die Kanäle gefüllt und versorgen die Lager in beiden Fällen.
Draufsicht
Aus dieser Perspektive ist deutlich sichtbar, wie das Becken (großer grüner Kreis) kontinuierlich mit Flüssigkeit gefüllt wird, aus der die Kanäle zu den mittleren Lagern versorgt werden (kleine grüne Kreise).
Seitenansicht
In der Seitenansicht kann die Schmierstoffverteilung auf der Gehäuseoberfläche mit dem Experiment verglichen werden. Es ist erkennbar, dass in der Simulation die Flüssigkeit deutlich breiter verteilt ist als im Experiment. Im Experiment wird die linke Hälfte des Gehäuses nur leicht benetzt und die klare rote Farbe ist nicht zu sehen; stattdessen muss man genau hinsehen, was auf einen viel dünneren Flüssigkeitsfilm hinweist als auf der rechten Seite des Gehäuses. Dies spiegelt sich nicht in der Simulation wider. Jedoch, beim Vergleich von Fall 1 und Fall 2, sind die Trends konsistent: Die stark benetzte Fläche wird in Fall 2 deutlich schmaler als in Fall 1, und diese Tendenz kann auch in der Simulation beobachtet werden.
Volumenstrom zu den Lagern
Im Diagramm werden die Volumenströme zu den einzelnen Lagern über die Zeit dargestellt. Es kann beobachtet werden, dass alle Volumenströme nahezu im stationären Zustand sind, was darauf hindeutet, dass die Simulation lange genug ausgeführt wurde. Der Volumenstrom zum linken Lager pulsiert am meisten und schwankt zwischen etwa 0,7 und 1,5 L/min – diese Pulsation kann auch im Experiment beobachtet werden. Der zweithöchste Volumenstrom geht zum mittleren Lager, 0,6 L/min, gefolgt vom Volumenstrom zum rechten Lager, 0,1 L/min.
Fall 2: -40 °C
Vorderansicht
In der Vorderansicht ist klar erkennbar, dass die Flüssigkeit im Vergleich zu Fall 1 eine deutlich höhere Viskosität aufweist. Das linke Lager (roter Kreis) wird in diesem Fall auch durch den vorgesehenen Kanal gefüllt, aber wenn man sich den Zeitstempel anschaut, kann man sehen, dass dies wesentlich länger dauert als in Fall 1. Durch die hohe Viskosität wird in der Kammer vor dem Lager deutlich mehr Flüssigkeit angesammelt. Diese Beobachtung steht im Einklang mit dem Experiment. Die Flüssigkeitsverteilung innerhalb der Kammer im Experiment ist jedoch leicht unterschiedlich: In der Simulation breitet sich die Flüssigkeit nahezu konzentrisch aus, während dies im Experiment nicht beobachtet wird.
In der Simulation kann eine periodische Ablösung des Schmiermittels im rechten Bereich der Simulation beobachtet werden (gelber Kreis). Schmiermittel wird vom Zahnrad der Mittelwelle nach oben geschleudert, wo es kurz am Gehäuse haftet, bevor er auf die Eingangswelle fällt. Dieses periodische Verhalten kann durch das Experiment aufgrund der Videoqualität weder bestätigt noch verneint werden; man kann nur erkennen, dass das Schmiermittel diesen Teil des Getriebes erreicht, jedoch nicht wie.
Draufsicht
In der Draufsicht können zwei Dinge beobachtet werden. Zuerst zeigen sowohl das Experiment als auch die Simulation, dass das kleine Becken (grüner Kreis) auf dem Gehäuse nicht kontinuierlich gefüllt wird. In beiden Fällen gelangt eine kleine Menge Schmiermittel an diese Stelle, aber es ist bei weitem nicht ausreichend, um die Kanäle (kleine grüne Kreise) zu den mittleren Lagern zu füllen.
Die zweite Beobachtung in dieser Ansicht ist die Benetzung des Gehäuses aufgrund der zweiten Welle (gelber Kreis). Auch hier gibt es eine Übereinstimmung in der Flüssigkeitsverteilung zwischen der Simulation und dem Experiment.
Seitenansicht
In der Seitenansicht kann auch die Verteilung des Schmiermittels auf dem Gehäuse beobachtet und verglichen werden. Auch hier lässt sich erkennen, dass die Schmiermittelverteilung dem Experiment sehr ähnlich ist: Aufgrund der hohen Viskosität breitet sich die Flüssigkeit nicht aus und benetzt nur das Gehäuse direkt hinter dem Zahnrad, anders als im Fall 1, wo sie eine relativ große Fläche bedeckt.
Volumenstrom zu den Lagern
Aus diesem Diagramm lässt sich erkennen, dass die Volumenströme zum linken Lager im Durchschnitt etwas höher ist als im Fall 1 und weniger pulsierend, wobei sie zwischen etwa 0,1 und 0,16 L/min schwankt. Wie zuvor beobachtet, werden die Kanäle zu den anderen Lagern überhaupt nicht versorgt.
