Experimentelle und simulative Methoden zur Untersuchung der Verschleißvorgänge im Kettengelenk von Antriebs- und Steuerketten

Kurzfassung
Das Maschinenelement Kette wird in verschiedenen Bauformen in der Antriebstechnik und in Steuertrieben von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Am häufigsten verwendet werden dabei Rollen-, Hülsen- und Zahnketten. Der Verschleiß im Kettengelenk dieser Kettenbauformen und die damit verbundene Kettenlängung bestimmen die Lebensdauer der Ketten. Speziell beim Einsatz als Steuerkette in modernen Verbrennungsmotoren unterliegt die Kette sehr hohen Belastungen, während eine Kettenlängung pro Kettengelenk nur im Mikrometerbereich zulässig ist. Die maximale Längenzunahme ist dabei durch die maximal zulässige Abweichung bei den Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile festgelegt. Trotz der weiten Verbreitung von Rollen- und Hülsenketten behandeln nur wenige wissenschaftliche Arbeiten das Thema Kettenverschleiß. Da die Anforderungen an eine moderne Steuerkette sehr hoch sind, werden jedoch Methoden zur Untersuchung der Verschleißmechanismen im Kettengelenk benötigt. In dieser Arbeit werden experimentelle und simulative Methoden zur reproduzierbaren Erzeugung von Kettenverschleiß und zur Erfassung von Verschleiß-Messgrößen im Kettengelenk von Rollen- und Hülsenketten neu- und weiterentwickelt. Damit wird ein Beitrag zum Schließen dieser Lücke geleistet.
Nach der Darstellung der relevanten theoretischen Grundlagen und der Vorarbeiten zu diesem Thema am Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik (MEGT) der TU Kaiserslautern, werden ein Kettenverschleißprüfstand und verschiedene Verfahren zur messtechnischen Erfassung des Gelenkverschleißes vorgestellt. Der Kettenverschleißprüfstand ermöglicht einen wirtschaftlichen Dauerbetrieb eines Zweiradkettentriebs mit genau definierten Betriebsbedingungen. Dabei wird durch die Betriebsparameter, die Kettenbaugröße, das Trieblayout und die Schmierstoffversorgung der für Steuertriebe typische Betriebsbereich abgedeckt. Zur Verschleißmessung werden verschiedene Methoden erarbeitet. Diese umfassen eine Längenmessung über eine größere Anzahl von Kettengliedern und eine Vorrichtung zur Messung des Gelenkspiels und der Steifigkeit eines Kettensegments mit vier Kettengliedern. Zusätzlich wird ein Auswerteverfahren vorgestellt, mit dem die verschleißbedingte Änderung der Makrogeometrie von Bolzen und Hülse auf Basis von Messdaten eines Formmessgerätes ermittelt werden kann. Damit ist die Grundlage für eine detaillierte experimentelle Betrachtung der Verschleißvorgänge im Kettengelenk geschaffen.
Da einige Vorgänge im Kettengelenk experimentell nicht erfasst werden können, werden die experimentellen Verfahren durch Berechnungen und Simulationen unterstützt. Dazu wird ein bereits am Lehrstuhl entwickeltes Verschleißberechnungsprogramm erweitert, optimiert und dieses mit den Ergebnissen der neu entwickelten Gelenkverschleißmessung abgeglichen. Zur Ermittlung der Last- und Bewegungsverläufe im Kettengelenk wird ein Mehrkörpersimulations-Modell (MKS) des Kettenverschleißprüfstands entwickelt. Die Ergebnisse der MKS-Berechnung werden zur Beurteilung der Verschleißmechanismen sowie als Eingangsdaten für die Verschleißberechnung genutzt.
Mit Hilfe dieser experimentellen und simulativen Untersuchungswerkzeuge werden der
Einfluss verschiedener Betriebsparameter und des Schmierstoffs auf den Verschleiß einer
Hülsenkette mit zwei unterschiedlichen Bolzen untersucht. Die Bolzen unterscheiden sich
dabei im Material und in der Art der Oberflächenbehandlung. Ein Bolzentyp ist
einsatzgehärtet und der andere chromiert. Bei beiden Gelenken wird die gleiche
einsatzgehärtete Hülse verwendet. Dabei wird gezeigt, dass sich Variationen in den
Betriebsbedingungen unterschiedlich stark auf das Verschleißverhalten der Gelenke mit
den verschiedenen Bolzentypen auswirken. Bei den Gelenken mit einsatzgehärtetem
Bolzen steigt z.B. die Verschleißgeschwindigkeit bei sinkender Drehzahl stark an. Dies ist
bei den Gelenken mit chromiertem Bolzen nicht der Fall. Die Detailbetrachtung einzelner
Gelenke zeigt eine starke Streuung der Verschleiß-Messgrößen beim Vergleich
aufeinanderfolgender Gelenke. Bei statistischer Betrachtung von acht Gelenken ist jedoch
eine sehr gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Längenmessung und der
Verschleißberechnung festzustellen. Mit Hilfe der Verschleißberechnung kann gezeigt
werden, dass die Streuungen zum Teil auf die Betriebsbedingungen und die
Gelenkkinematik und zum Teil auf Toleranzen im Neuzustand zurückzuführen sind.
Durch die Erweiterung und den Abgleich des Verschleißberechnungsansatzes wurde eine
Grundlage geschaffen, um das Tribosystem Kettengelenk mit Hilfe von detaillierten
Kontaktmodellen zu analysieren und weiter zu optimieren. Für eine weitere
experimentelle Betrachtung der Verschleißvorgänge wird ein speziell auf die
Kontaktsituation im Kettengelenk ausgelegtes Tribometer – ein Gelenktribometer –
vorgeschlagen, um die Belastungsbedingungen des Kettengelenks genauer zu definieren
und damit Störgrößen zu eliminieren. Weiterhin wird veranschaulicht, wie sich dieses
Gelenktribometer in den zuvor vorgestellten Entwicklungsprozess einbinden lässt, um
eine systematische Optimierung des Kettengelenks wirtschaftlich zu ermöglichen.
Abstract
Various types of chains are used as machine elements in different applications. In the field
of driving technologies and in timing drives for internal combustion engines, bush, roller
and silent chains are common chain types. The lifetime of these chains is largely
determined by the wear in the chain joints which leads to an elongation of the entire chain.
Especially timing chains are subject to high loads while the allowable elongation is only
0.5%. As the requirements for timing chains are further increasing, new ways to
investigate and thus improve the wear behavior of chains, especially of the chain joint, are
needed. Still, only few scientific publications are dealing with this topic. In this work,
experimental and analytical methods for operating chains with defined conditions and
acquiring the wear measuring quantities of the chain joint are developed and enhanced.
On the basis of an existing test rig, a chain wear test rig is developed which allows for
operating two chains with well defined conditions that are close to the conditions in an
internal combustion engine. This includes the lubrication with aged oil that contains soot.
The load is applied with a mechanical tensioning clutch which makes an economical
continuous operation possible. To aquire the wear measuring quantities, a length
measuring device is developed and a clearance and stiffness measuring device is
improved. With a new developed evaluation technique, the change of the geometry of pin
and bush due to wear can be obtained from results of a form measuring instrument.
To supplement the experimental methods, an existing wear calculation tool is
significantly extended and improved. This tool allows for calculating the change of the
geometry of pin and bush during the operating time. The load input data for the wear
calculation is obtained from a multibody-simulation model of the chain wear test rig. The
results obtained from form measurements are used to verify the wear calculation results.
With these methods, the influence of different operating conditions and different
lubricants on the wear in the joints of bush chains with two different types of pins is
investigatet. The material and the surface treatment of the pins is different. One type is
case hardened while the other one is chromized. The results show that the influence of
changing operating conditions is significantly different for the two pin types. For example,
the wear rate is much higher at low rotational speeds with the case-hardened pins
compared to high speeds. But the wear rate for the chromized pin is independent of the
rotational speed. The change of the geometry of pin and bush is correctly calculated with
the wear calculation tool. With the experimental results and the wear calculation, a better
understanding of the wear processes in the chain joint is achieved.
These methods provide a basis for analyzing the tribological system of the chain joint with
advanced contact calculation tools and thus systematically improve the wear behavior.
For further extending the experimental methods, a purpose build chain joint tribometer
is suggested. Furthermore, a possible combination of such a tribometer with the
developed methods, both experimental and analytical is described.