Getriebeschmierung ist entscheidend für den effizienten und langlebigen Betrieb von Getrieben, da sie Reibung reduziert, Wärme abführt 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 Schmierstoffe eindicken, was ihre Fähigkeit verringert, zu fließen und Zahnradoberflächen zu schützen. Dies kann zu erhöhter Reibung, Verschleiß und Anlaufproblemen führen. Speziell für niedrige Temperaturen entwickelte Schmierstoffe sind darauf ausgelegt, auch in Kälteumgebungen flüssig und wirksam zu bleiben und so einen gleichmäßigen Schutz und einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten.
Sie interessieren sich für den allgemeinen Ansatz und nicht für diesen spezifischen Fall? Unser Blogbeitrag Getriebeschmierung: Simulation vs. Experiment erläutert, warum Tauchschmierung schwer zu simulieren ist und wie partikelbasierte CFD damit umgeht.
Fallbeschreibung
In diesem Fall ist das Ziel, Simulationsergebnisse mit experimentellen Befunden zu vergleichen, wobei der Schwerpunkt auf der Schmierung bei unterschiedlichen Temperaturen liegt. Der Ausgangsfall wurde zuvor beschrieben. Dort können die Details und das allgemeine Fallsetup nachgelesen werden.
Der wesentliche Unterschied liegt in den Viskositätsunterschieden bei verschiedenen Temperaturen, die die Schmierstoffleistung beeinflussen. Wir werden zwei Fälle bei hohen Drehzahlen miteinander und mit experimentellen Daten vergleichen.
Durch die Analyse dieser Fälle soll bewertet werden, wie sich die Schmierung unter unterschiedlichen Temperaturbedingungen verhält, und die Simulationsergebnisse sollen mit der realen Leistung validiert werden. Dieser Vergleich liefert Einblicke in die Wirksamkeit von Schmierstoffen über verschiedene Temperaturbereiche und hilft dabei, das Getriebesystemdesign für eine verbesserte Zuverlässigkeit und Effizienz zu optimieren.
Fallkonfiguration
Wie bereits erwähnt, verwendet der Fall die gleiche Geometrie wie der Ausgangsfall, daher werden hier nur die Unterschiede zum Ausgangsfall aufgeführt. Die zwei verwendeten Fluideigenschaften repräsentieren einen Schmierstoff bei 25 °C und -40 °C.
| Parameter | Fall 1 (25 °C) | Fall 2 (-40 °C) |
|---|---|---|
| Eingangsdrehzahl | 1543 RPM | 1543 RPM |
| Flüssigkeitsvolumen | 400 ml | 400 ml |
| Fluiddichte | 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 |
| Endzeit | 9 s | 15 s |
Ergebnisse
Fall 1: 25 °C
Vorderansicht
In der Vorderansicht ist zu erkennen, dass alle drei Lager über die zugehörigen Kanäle mit Schmierstoff versorgt werden: Das linke Lager wird kontinuierlich befüllt (roter Kreis), und die Kammer vor dem Lager ist ähnlich wie im Experiment gefüllt. Das mittlere Lager (grüner Kreis) wird ebenfalls über den Pool befüllt, jedoch scheint die Simulation die experimentellen Ergebnisse zu überschätzen, sodass auch das rechte Lager (gelber Kreis) in der Simulation stärker gefüllt ist als im Experiment. Dennoch sind die Kanäle in beiden Fällen befüllt und versorgen die Lager.
Draufsicht
In dieser Perspektive ist deutlich zu erkennen, wie der Pool (großer grüner Kreis) kontinuierlich mit Fluid befüllt wird, von dem aus 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 fällt auf, dass das Fluid in der Simulation deutlich breiter verteilt ist als im Experiment. Im Experiment ist die linke Hälfte des Gehäuses nur leicht benetzt, und die deutliche rote Farbe ist nicht zu erkennen; man muss genau hinsehen, was auf einen wesentlich dünneren Fluidfilm hindeutet als auf der rechten Seite des Gehäuses. Dies spiegelt sich in der Simulation nicht wider. Beim Vergleich von Fall 1 und Fall 2 sind die Tendenzen jedoch konsistent: Die stark benetzte Fläche wird in Fall 2 deutlich schmaler als in Fall 1, und diese Tendenz ist auch in der Simulation zu beobachten.
Volumenstrom zu den Lagern
Im Diagramm sind die Volumenströme zu den einzelnen Lagern über die Zeit aufgezeichnet. Es ist zu erkennen, dass alle Volumenströme nahezu einen stationären Zustand erreicht haben, was darauf hindeutet, dass die Simulation lange genug gelaufen ist. Der Volumenstrom zum linken Lager pulsiert am stärksten und schwankt zwischen etwa 0,7 und 1,5 L/min; diese Pulsation ist auch im Experiment zu beobachten. Der zweithöchste Volumenstrom fließt zum mittleren Lager mit 0,6 L/min, gefolgt vom Volumenstrom zum rechten Lager mit 0,1 L/min.
Fall 2: -40 °C
Vorderansicht
In der Vorderansicht ist deutlich zu erkennen, dass das Fluid im Vergleich zu Fall 1 eine deutlich höhere Viskosität aufweist. Das linke Lager (roter Kreis) wird auch in diesem Fall über den vorgesehenen Kanal befüllt, doch anhand des Zeitstempels ist zu erkennen, dass dies erheblich länger dauert als in Fall 1. Aufgrund der hohen Viskosität sammelt sich in der Kammer vor dem Lager deutlich mehr Fluid an. Diese Beobachtung stimmt mit dem Experiment überein. Die Fluidverteilung innerhalb der Kammer unterscheidet sich im Experiment jedoch leicht: In der Simulation verteilt sich das Fluid nahezu konzentrisch, was im Experiment nicht beobachtet wird.
In der Simulation ist im rechten Bereich der Simulation (gelber Kreis) ein periodisches Ablösen des Schmierstoffs zu beobachten. Der Schmierstoff wird vom Zahnrad der mittleren Welle nach oben geschleudert, wo er kurz am Gehäuse haftet, bevor er auf die Eingangswelle fällt. Dieses periodische Verhalten kann durch das Experiment aufgrund der Videoqualität weder bestätigt noch widerlegt werden; man kann nur erkennen, dass Schmierstoff diesen Teil des Getriebes erreicht, nicht jedoch wie.
Draufsicht
In der Draufsicht sind zwei Dinge zu beobachten. Erstens zeigen sowohl das Experiment als auch die Simulation, dass der kleine Pool (grüner Kreis) auf dem Gehäuse nicht kontinuierlich befüllt wird. In beiden Fällen erreicht eine geringe Menge Schmierstoff diese Stelle, was jedoch bei weitem nicht ausreicht, um die Kanäle (kleine grüne Kreise) zu den mittleren Lagern zu befüllen.
Die zweite Beobachtung in dieser Ansicht ist die Benetzung des Gehäuses durch die zweite Welle (gelber Kreis). Auch hier zeigt sich eine Übereinstimmung in der Fluidverteilung zwischen Simulation und Experiment.
Seitenansicht
In der Seitenansicht kann die Verteilung des Schmierstoffs auf dem Gehäuse ebenfalls beobachtet und verglichen werden. Auch hier ist zu erkennen, dass die Schmierstoffverteilung dem Experiment sehr ähnlich ist: Aufgrund der hohen Viskosität verteilt sich das Fluid nicht und benetzt das Gehäuse nur direkt hinter dem Zahnrad, anders als in Fall 1, wo es eine relativ große Fläche bedeckt.
Volumenstrom zu den Lagern
Aus diesem Diagramm ist zu entnehmen, dass der Volumenstrom zum linken Lager im Durchschnitt etwas höher ist als in Fall 1 und weniger pulsiert, wobei er zwischen etwa 0,1 und 0,16 L/min schwankt. Wie bereits beobachtet, werden die Kanäle zu den anderen Lagern überhaupt nicht versorgt.
