Die Bande der Maschinen- und Konstruktionselemente haben sich als Standard-Lehrbucher an technischen Hochschulen fur die konstruktionstechnischen Vorlesungen durchgesetzt. Gemass dem Grundlagencharakter der Vorlesung wird der Schwerpunkt auf ableitbares, systematisiertes Wissen gelegt und das Gelernte an zahlreichen Berechnungsbeispielen eingeubt. Der umfangreiche Prufungsstoff wird vollstandig abgedeckt, verstandlich dargestellt und didaktisch gegliedert. Wegen der umfassenden und systematischen Darstellung und der zahlreichen Literaturverweise wird das Werk auch von Konstrukteuren als Nachschlagewerk eingesetzt. Der dritte Band behandelt die physikalisch-mechanischen und werkstoffkundlichen Grundlagen fur elastische Elemente, Federn, Achsen, Wellen, Dichtungen, Reibungs- und Schmierungsprobleme sowie Lagerungen.

Dieses Buch gibt eine fundierte Einfuhrung in die Methoden der Qualitats- und Zuverlassigkeitssicherung bei der Entwicklung und Produktion von Geraten und Systemen. Der Schwerpunkt liegt auf der Anwendung, vor allem auch in Verbindung mit der ISO 9001 und der EU-Produkthaftungsregelungen. Zahlreiche Beispiele, Abbildungen und Tabellen illustrieren die praxisnah aufbereiteten, sauber mathematisch begrundeten Inhalte. Dem Leser wird somit ein rascher Einstieg in Theorie und Praxis der Qualitats- und Zuverlassigkeitssicherung geboten, der auch fur das Selbststudium geeignet ist. Das Werk richtet sich sowohl an Entwicklungsingnieure, Projektleiter, Qualitatsfachleute, Produktionsingenieure sowie Ingenieure in Marketing und Vertrieb als auch an Studenten an Fachhochschulen und Universitaten.

Der Schwerpunkt dieses Buches liegt in der praktischen Anwendung und Einfuhrung von Finite-Elemente-Programmen. Bevor fur eine teure Investition in FE-Systeme entschieden wird, ist eine realistische Einschatzung von Aufwand und Nutzen, Risiken und Grenzen der FE-Anwendung in Entwicklung und Konstruktion von groesster Bedeutung. Das Buch hilft beim Systemvergleich und der Einbeziehung von unternehmerischen Aspekten, die bei der Beschaffung von FE-Programmen zu beachten sind. Der FEM-Leitfaden dient Neueinsteigern, FE-Anwendern und Entscheidungstragern als generelle Orientierungshilfe. Viele Bildbeispiele aus der industriellen Praxis helfen dem Leser die komplexen Zusammenhange zu verstehen. Das Buch ist aus langjahriger Erfahrung des Autoren im Umgang mit verschiedenen FE-Systemen und anderer Berechnungs- und Simulationssoftware entstanden. Fur Maschinenbauingenieure in Konstruktion und Berechnung

Since the inception of windpower around 1000 AD, technology has been deployed to obtain the most economical power from wind. The author traces its technical evolution, concentrating on the growth in understanding of wind and charting crucial developments in windmill design. The history of the windmill focuses on North Western Europe, but Hills indicates the origins of the first horizontal windmills in Persia, Tibet and China. He also examines industrial applications such as in textiles, papermaking and mining. The book concludes with a look at the recent reemergence of windpower as a viable source of power in the wake of the energy crisis.

Technische Gebilde entstehen heute nach den Regeln der Konstruktionslehre. Dabei wird das Gebilde in Teilfunktionen zerlegt und fur diese nach technisch.wirtschaftlichen Kriterien, in mehreren Schritten eine LOsung erarbeitet. Zur Umsetzung der Teilfunktionen sind elementare Kenntnisse der wichtigsten Konstruktionselemente unerliiBlich. Dabei ist zu beachten, daB an Bauteile durch den Trend zur Leistungssteigerung immer hohere Anforderungen beziiglich der Haltbarkeit gesteIIt werden. Es ist daher Ziel dieses Buches, die Konstruktionselemente und ihre Berechnung nach anerkannten Berechnungsmethoden vorzustellen. In Band I werden zuerst die Normung und die Gestaltung der Bauteile behandelt. AnschlieBend foIgen die Grundlagen der Bauteilberechnung, insbesondere bei dynamischer Belastung. Es folgt die Behandlung der wichtigsten Verbindungselemente und von mechanischen Fedem. Den AbschluB bildet ein Abschnitt iiber Achsen und Wellen. Der vorliegende Band II behandelt zuerst ausfuhrlich Wiilz. und Gleitlager. AnschlieBend folgt ein Abschnitt iiber Kupplungen, in dem die Auslegung besprochen wird und der die wichtigsten Typen vorstellt. Dann folgen mehrere Abschnitte iiber Getriebe. Hier werden die noch immer wichtigen Stimradgetriebe, Kegelradgetriebe, Schneckengetriebe und Umschlingungsgetriebe behandelt. Den AbschluB bildet ein Abschnitt iiber Dichtungen. Das Buch ist fiir Studenten der Fachrichtungen Maschinen- und Apparatebau sowie der Feinwerktechnik gedacht, kann aber wegen der umfangreichen Arbeitsunterlagen auch als Handbuch fiir den Praktiker Verwendung finden. Mein Dank gilt allen Kollegen, die mich bei der Verfassung des Buches unterstiitzt haben. Des weiteren m5chte ich mich bei den Firmen fur die Unterstutzung mit Bildmaterial bedanken."

Die vorliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universitat Munchen. Herrn Prof. Dr. -Ing. J. Milberg und Herrn Prof. Dr. -Ing. G. Reinhart, den Leitern dieses Instituts, gilt mein besonderer Dank fur die wohlwollende und stete Unterstutzung sowie fur die vielfaltigen Anregungen, die zum Gelingen meiner Arbeit entscheidend beigetragen haben. Herrn Prof. Dr. -Ing. J. Heinzl, dem Leiter des Lehrstuhls fur Feingeratebau und Getriebelehre der Technischen Universitat Munchen, danke ich fur die UEbernahme des Korreferates und die aufmerksame Durchsicht der Arbeit. Daruberhinaus danke ich allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des iwb und allen Studenten, die mich in meiner Arbeit unterstutzt haben, sehr herzlich. Regensburg, im Dezember 1995 Volk er Trucks Inhaltsverzeichnis Bezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IV 1 Einfuhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. 2. 1 Berechnung von Getriebestrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. 2. 2 Berechnung von Werkzeugmaschinenkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1. 3 Zielsetzung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 Theoretische Grundlagen der Schwingungslehre . --. --. -. . --. . . . . . -. . -. -. . -. . . . . 13 2. 1 Schwingungen an Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2. 2 Grundprinzipien der Strukturdynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2. 2. 1 Die Methode der Finiten Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. 2. 1. 1 Aufstellung der Elementmatrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2. 2. 1. 2 Richtungstransformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2. 2. 1. 3 Superposition der Elementmatrizen aufSystemebene . . . . . . . . 20 2. 2. 2 Dynamische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2. 2. 2. 1 Modale Berechnung mechanischer Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2. 2. 2. 2 Dynamische Kenngroessen und Systemverhaltnisse . . . . . . . . . . . . . . 23 2. 2. 2. 3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3 Modellbildung von Getriebestrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Bereits die erste Auflage dieses Werks ist als ein Standardwerk der Getriebelehre und Konstruktionstechnik anerkannt. Diese zweite Auflage wurde wesentlich gestrafft und uberarbeitet. Damit liegt dieses Buch in aktueller Fassung wieder vor.

In diesem Buch wird dargelegt, wie die bew{hrten Methoden der Betriebsfestigkeit in der Konstruktionspraxis f}r einen rechnerischen Betriebsfestigkeits-Nachweis genutzt werden k-nnen und unter welchen Voraussetzungen und mit welchem Grad der Verl{ lichkeit sie anwendbar sind. Der Begriff Be- triebsfestigkeit wird dabei als Oberbegriff verstanden, der die Begriffe Dauerfestigkeit und Zeitfestigkeit als Sonder- f{lle einschlie t. Das Thema wird, zugunsten einer sinnf{lligen Gliederung des Stoffs, allein nach dem traditionellen Nennspannungs-Konzept abgehandelt, aber Querverweise auf die neueren Betrachtungs- weisen nach dem Kerbgrund-Konzept oder nach dem Bruchmecha- nik-Konzept werden gegeben. Ausf}hrlich dargestellt wird auch, wie das Konzept eines Betriebsfestigkeits-Nachweises in die Konstruktionspraxis umzusetzen ist. Diese Darstellung orientiert sich an einer aufgezeigten Leitlinie der abzuhan- delnden Teilaufgaben sowie an Erfordernissen einer neuzeit- lichen Konstruktionsmethodik. Unmittelbar anwendungsrelevante Informationen werden in der erforderlichen Ausf}hrlichkeit dargeboten, jedoch unter Ver- zicht auf weitergehende Einzelheiten und theoretische Her- leitungen zu den experimentellen und rechnerischen Verfah- ren. Sachfragen werden vom Autor so beantwortet, da keine widerspr}chlichen Ansichten und Befunde unbewertet nebenein- anderstehen und den Leser verunsichern.

1 Einleitung 1. 1 Prinzip der Iadung der Zylinder zu steigern. Das bedeu- Schon 1905 wurde das Prinzip des Turbo- tet, dass die zur Verbrennung dem Motor laders von einem Schweizer Ingenieur Abgasturboauflad u ng zugefuhrte Luft schon vorverdichtet wird, namens Buchi entwickelt. Aber erst in den Die von einem Verbrennungsmotor abge- bevor sie in den Motor eintritt. letzten Jahrzehnten wurde dieser Gedanke gebene Leistung hangt von der Luft-und Geeignete Gerate zur Aufladung von Ver- zur Serienreife fur die breite Anwendung im der entsprechenden Kraftstoffmenge ab, brennungsmotoren sorgen dafur, dass die Motorenbau gebracht. Generell besteht ein die fur die Verbrennung im Motor zur erforderliche Luft fur die Kraftstoffverbren- Turbolader aus einem Kreiselverdichter Verfugung steht. Soll sich die Leistung des nung vorher komprimiert wird. Dadurch (Kompressor) und einer einstufigen Turbi- Motors erhoehen, so mussen mehr Luft und wird bei gleichbleibendem Zylinderhub- ne, die uber ei ne gemeinsame starre Welle Kraftstoff zugefuhrt werden. Mehr Kraftstoff raum und gleichen Drehzahlen eine hoehere miteinander verbunden sind und dadurch zuzufuhren macht aber nur Sinn, wenn spezifische Leistung moeglich. mit derselben Geschwindigkeit und in der- ausreichend Sauerstoff fur seine Verbren- Man unterscheidet Aufladung mit selben Richtung drehen. Die Energie in den nung vorhanden ist, ansonsten wurde - mechanisch angetriebenen Kompresso- Abgasen, die ansonsten verloren ginge, Kraftstoff vergeudet. ren, wird von der Turbine genutzt, um den Wird zusatzlicher Kraftstoff zugefuhrt, ohne - Abgasturboaufladung und Kompressor anzutreiben. dass der notwendige Sauerstoff verfugbar - Druckwellenaufladung.

Aus den Besprechungen: ..". die Lucke schliessen zwischen einer reinen Stoffkunde und dem Verstandnis des Werkstoffs als Medium zur Verwirklichung ingenieurmassiger Uberlegungen und Ideen. Der Autor spannt den Inhaltsbogen von den Eigenschaften und Eigenschaftskennwerten metallischer Werkstoffe uber die Morphologie, den atomaren Aufbau und die Werkstoffstruktur bis hin zum Gefuge und dessen Neubildung. Wegen des engen Zusammenhangs zwischen Gefuge und Eigenschaften eines Werkstoffs wird dieser Punkt ausfuhrlich behandelt. Das Buch ist handwerklich gut gemacht und verstandlich geschrieben. Ein umfangreiches Schrifttumsverzeichnis sowie ein ausfuhrliches Stichwortregister erganzen die Informationen." "Maschinenmarkt"#1 "In diesem Lehrbuch wird am metallischen Werkstoff gezeigt, wie Struktur und Gefuge mit den Festkorperreaktionen unter verschiedenartigen ausseren Beanspruchungen und damit den Eigenschaften des Werkstoffs in Beziehung stehen..." "Metall"#2"

Durch Reibung und Verschleiss entstehen in der Industrie erhebliche Verluste, die mit uber 39 Milliarden DM pro Jahr in der Bundesrepublik Deutschland abgeschatzt werden. Um diese Verluste zu senken, fuhrt das Bundesministerium fur Forschung und Technologie mit ca. 50 Millionen DM Bundesmitteln ein Forderprogramm "Tribologie, Reibung - " "Verschleiss - Schmierung" durch. Bei Hochschulen, Industrie und anderen Forschungseinrichtungen wurden und werden ca. 180 praxisbezogene Forschungs- und Entwicklungsvorhaben gefordert, die bei Maschinen und technischen Anlagen eine Lebensdauerverlangerung, Einsparung von Rohstoffen und Energie, Produktionsausfallminderung und Verbesserung des Umweltschutzes zum Ziel haben. In der Dokumentation "Tribologie, Reibung - Verschleiss - Schmierung" werden Ergebnisse dieses Forderprogramms sowie eine Aufbereitung der Vorhaben mit einem Tribologie-Thesaurus veroffentlicht. Der zwolfte Band enthalt neue Berichte zu den Themenkreisen einiger der seit 1981 erschienenen Bande und stellt damit eine aktuelle Fortfuhrung dar."

Die beiden ersten BAnde des auf vier BAnde angelegten Werkes werden hier angezeigt. Neu sind die BerA1/4cksichtigung von ZahnrAdern mit ZAhnezahlen von 1 bis 5 (deren ausfA1/4hrliche Behandlung allerdings dem Band IV vorbehalten bleibt), die Betrachtung von Zahnradpaarungen als Reibsystem bei AuAen- und Innen-Radpaarungen, die Berechnung der Toleranzsummierung und der Flankenspiele bei Zahnrad-PaAsystemen sowie die Systematik fA1/4r Variationen des Bezugsprofils. Zahlreiche systematische Aoebersichten und Konstruktionskataloge mit vielen Einzeldarstellungen, die Bilder mit ausfA1/4hrlichen Unterschriften, die fA1/4r wichtige Probleme beispielhaft durchgerechneten Aufgaben erschlieAen das Werk fA1/4r Studenten wie Ingenieure gleichermaAen. Es dient der Lehre und der Praxis, indem es sowohl die Einarbeitung ohne grAAere Vorkenntnisse als auch die Information A1/4ber spezielle Probleme der Zahnradtechnik ermAglicht.

Auch im folgenden Band verfolgt der Autor weiterhin das Ziel, eine in sich geschlossene moderne Einfuhrung in die Metallkunde speziell fur den anwendenden Maschinenbauingenieur zu geben. Das geschieht durch das Prinzip, den Werkstoff als ein ganz wesentliches Element jeder zeitgerechten maschinenbaulichen Konstruktion zu verstehen. Die sich daraus ergebende Systematik hatte zunachst zur Diskussion der Struktur und des Gefuges der Metalle gefuhrt. Ihre Eigenschaften und ihr Verhalten waren aus den in der Ordnung und Fehlordnung der Atome begrundeten Mechanismen erklart worden. Jetzt folgt unter dem Titel Gleichgewichts- und Ungleichgewichtszustande der Versuch, den Werkstoff als Gesamtsystem im thermodynamischen Sinne zu betrachten. Nicht mehr die Vorgange im atomaren Bereich, sondern die Zustande des Gesamtverbandes stehen im Vordergrund. Dieses zweibandige Werk ist damit ein besonders modernes Lehrbuch der Metallkunde, das die weite Spanne von der Zugfestigkeit bis zu den Shape-Memory-Metallen uberdeckt.

1.1 EinfUhrung Das Zahnradgetriebe ist Bestandteil eines Antriebsstranges, dem weitere Elemente, wie z.B. Motor, Kupplung und Arbeitsmaschine angehoren. Zu den haufigsten Aufgaben der zahnradgetriebe gehort die Anpassung des Motormoments bzw. der -drehzahl an die Arbeits- maschine. Wichtige Anforderungen an die Getriebeeinheit sind hierbei niedriger Preis, geringer Raumbedarf, Leichtbau sowie schwingungs- und gerauscharmer Lauf. Insbesondere die letztge- nannte Aufgabe erfordert bereits in der Konstruktionsphase die Kenntnis uber das dynamische Verhalten des Antriebsstranges. Die einzelnen Antriebselemente konnen fur sich komplizierte Schwingungssysteme darstellen. So treten in Zahnradgetrieben fast aIle in der Schwingungstechnik bekannten Schwingungen, wie nicht- lineare, parameter-, stor- und selbsterregte Schwingungen, auf. Bei gering verspannten Zahnradgetrieben konnen schwingungsformige Bewegungen durch fortlaufende StoBe zwischen den einzelnen Zahnen (Rasselschwingungen) angeregt werden. In der Industrie wird bei Getriebeauslegungen das Schwingungsver- halten des Getriebes fast nur mit Hilfe von uberschlagigen Ver- fahren berucksichtigt, wie sie in DIN-Normen beschrieben sind. Bei genaueren Untersuchungen werden Messungen durchgefuhrt. Das Ziel der intensiven Hochschulforschung in den letzten Jahren und heute war und ist deshalb, die "teueren" Versuche weitgehend durch effektive theoretische Getriebemodelle mit entsprechenden Rechenprogrammen zu reduzieren, die eine praxisnahe Simulation des Getriebes erlauben. Trotz des vorhandenen hohen Kenntnisstandes auf dem Gebiet der Dynamik der Zahnradgetriebe ist das gesetzte Ziel noch nicht erreicht. Dabei liegen die ProbLeme im wesentlichen in der Er- stellung von geeigneten Ersatzmodellen .und ihrer mathematischen 2 Behandlung, wobei die M6dellbildung ein allgemeines Problem in fast allen Bereichen der Technik darstellt.

Durch das vorliegende Forschungsvorhaben war die Aufgabe gestellt, eine kleine Drehstrom-Asynchronmaschine bei Betrieb in Hydraulik- 01 und unter einem hohen Druck zu gestalten und zu optimieren. Urn diese Aufgabe zu erfUllen wurden 3 PrUfstande konstruiert und eingerichtet, mit deren Hilfe es moglich wurde, einen 2,2 kW DAS- Motor unter Last und unter Druck zu betreiben. Der erste PrUfstand diente fUr Vorversuche, urn die grundsatzliche Betriebsmoglichkeit unter Hydraulikol nachzuweisen. Hierbei wurde die Temperatur in den Wicklungen der Maschine gemessen. Der zweite PrUfstand war so ausgestattet, daB eine handelsUbliche Normkafiglaufermaschine sowohl in Luft als auch in 01 zu betrei- ben war. Diese trieb Uber eine Kupplung eine Bremsmaschine mit MomentenmeBeinrichtung an, deren Last stufenlos verstellbar war. Drehzahl, Leistungsaufnahme und -abgabe sowie Wicklungstemperatu- ren des PrUfmotors wurden standig erfaBt. Somit war es moglich, die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und die Wirkungsgrad-Kennlinien fUr Unterolbetrieb und fUr Luftbetrieb aufzunehmen. Der dritte PrUfstand stellt eine Tiefseesimulations-Anlage dar, mit deren Hilfe in einem Behalter ein Druck von 60 MPa erzeugt werden kann. Der DAS-Motor wurde diesem Umgebungsdruck im Betrieb ausgesetzt. Es wurde die Leistungsaufnahme Uber dem Druck mit der Drehzahl als Parameter aufgezeichnet. Der Motor war wahrend dieser Versuche mit einer drehzahlabhangigen Last gekoppelt. Die Betriebs- moglichkeit und die Leistungsfahigkeit einer olgekUhlten Maschine unter hohem Umgebungsdruck konnte somit nachgewiesen werden. Die Gestaltung der Maschine wurde so durchgefUhrt, daB der Motor an den Betrieb unter Hochdruck und unter 01 angepaBt wurde.

Die Vorteile flexibler Fertigungsmethoden und leistungsfa- higer Betriebsmittel lassen sich nur dann vol1standig nut- zen, wenn auch die planenden Bereiche ihre Leistungsfahig- keit steigern. Diese Forderung schlieBt zwei Aspekte ein, einen qualifikatorischen und einen methodischen. Der erste Aspekt resultiert aus den erhohten Anspruchen an die Fertigungsplaner. Zur Realisierung obengenannter Ziel- setzung gilt es namlich, neben den rein technischen auch or- ganisatorische und soziale GestaltungsmaBnahmen in die Uber- legungen mit einzubeziehen. Flexibilitat der Fertigung hat damit Kreativitat und gute Ausbildung der Planer zur Voraus- setzung. Der zweite Aspekt betrifft die Methodik, mit der flexible Arbeitssysteme geplant werden. Hier denkt man heute an rech- nerunterstutzte Planungssysteme wie z.B. das CAP (Computer Aided Planning). Aber erst wenn der PlanungsprozeB selbst systematisch ge- sta1tet ist, ist an den Einsatz EDV-gestutzter Hilfsmittel und Methoden zu den ken und d es vor allem im Rahmen einer auf den Ergebnissen einer kreativ gepragten konzeptionellen Phase aufbauenden Feinplanung. Noch gibt es keine fertige Losung zur durchgangigen EDV-ge- stUtzten Planung von Arbeitssystemen vor allem im Montage- bereich. Vielmehr herrschen heute noch Einzellosungen vor, deren Integration erst noch zu leisten ist.

Maschinenteile, die gleitend im Mischreibungsgebiet arbeiten, gehen im allge- meinen nach einem kurzen Einlaufbereich mit relativ hoher Verschleissrate in einen ausgedehnten Bereich niedriger Verschleissrate (Tieflage) uber. Lange Laufzeiten koennen zu AEnderungen in der tribologischen Struktur fuhren, z. B. infolge Verbrauch der Additive, Vergroesserung des Spieles, wodurch meist eine Erhoehung der Beanspruchung resultiert mit der Folge einer groesseren Verschleiss- rate. Lastspitzen und Stoerfaktoren koennen dazu beitragen, den Bereich niedrigen Verschleisses zu verkurzen. Auch bei starker tribochemischer Wirkung infolge ungunstiger Kombination von Werkstoff und OEl kann es zu einem unzulassig hohen Verschleiss mit nachfolgendem spontanen Ausfall kommen. In diesen ver- schiedenen Verschleissbereichen laufen unterschiedliche Verschleissmechanismen ab. Im Einlaufbereich wahrend der Anpassung der Gleitflachen uberwiegt die adhasiv-abrasive Wirkung, da eine Reaktionsschicht noch nicht gebildet ist und somit nicht vor metallischer Beruhrung schutzen kann. Die dabei entstehen- den Partikel koennen metallischer und oxidischer Natur sein. In Verbindung mit dem Abtragen bilden sich temperaturgesteuert Reaktionsschichten aus /1/. Hier- durch wird an besonders gefahrdeten und damit stark erwarmten Stellen durch Reaktionsschichtbi Idung ein Versagen verhindert bzw. verzoegert. Bei Walzbeanspruchung wirkt sich zusatzlich der Mechanismus der Oberflachen- zerruttung in besonderem Masse aus. Nach einer mehr oder weniger langen In- kubationsphase mit niedrigerer Verschleissrate als bei Gleitbeanspruchung bilden sich Ermudungsanrisse, die schliesslich zum Ausbrechen verschieden grosser Partikel fuhren (Grubchenbi Idung), was bei Fortschreiten zum Ausfall des Bau- teiles fuhren kann. Der Vorgang der Grubchenbildung kann auch wahrend des Einlaufvorganges auftreten, der in der Regel zum Stillstand kommt. Bei diesen Verschleissvorgangen bzw.

Angeregt und unterstutzt durch die zustandigen Bundesministerien und unter Beteiligung der Industrie und zahlreicher Hochschulinstitute hat die Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt fur Luft- und Raumfahrt (DFVLR) in den Jahren 1978/79 eine Studie uber Triebwerksforschung und -technologie in der Bundesrepublik erarbeitet, die auch den viel- faltigen Technologietransfer in andere technische Bereiche erkennen liess. Die Vorstellung dieser Studie im Bundesministerium fur Forschung und Technologie (BMFT) vor Vertretern der Ministerien, der Industrie und der Forschung war Anlass zu einer intensiven Diskussion der energiepolitischen und volkswirtschaftlichen Bedeutung der Turbo- maschinen und der Konsequenzen fur die zukunftige Forschungs- und Entwicklungstatigkeit auf diesem Gebiet. Im Ausland sind aufgrund der Energiesituation neue, umfangreiche und ehrgeizige Forschungspro- gramme in Gang gekommen, die sich auch durch zunehmenden Kon- kurrenzdruck auf die deutsche Industrie am Weltmarkt auszuwirken beginnen. Die im BMFT angeregte Diskussion hat die in der Forschungsvereini- gung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) zusammenarbeitende In- dustrie sowie die Forschung veranlasst, gemeinsam Vorstellungen uber die wichtigsten Ziele von Forschung und Entwicklung im Turboma- schinenbereich der nachsten zehn Jahre zu erarbeiten und hieraus eine systematische ubersicht uber die notwendig erscheinenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu erstellen. Das Ergebnis dieser Bemuhun- gen - ein gemeinschaftlich von Industrie, Hochschulen und DFVLR ausgearbeiteter Orientierungsrahmen "Turbomaschinenforschung" - wird hiermit der interessierten Fachoeffentlichkeit und den Institutionen der Forschungsfoerderung vorgelegt. Dieser Orientierungsrahmen soll jedoch nicht nur mithelfen, die be- grenzt verfugbaren Forschungsmittel von Industrie und Staat fur FuE optimal einzusetzen.

Nach einem Uberblick uber die Beanspruchungsarten von Werk- stoffen werden die wichtigsten Verfahren zur HersteIIung von VerschIeiB-Schutzschichten vorgestellt, wobei die Verfahrens- temperatur als Ordnungskriterium dient. Es folgt eine Zusam- mensteIIung der fur das funktionelle Verhalten von Werkstof- fen mit VerschIeiB-Schutzschichten wichtigen Eigenschaften wie chemische Zusammensetzung, Phasenzusammensetzung, Gefuge, Harte, Harteverlauf u.a .. Die Moglichkeiten der VerschIeiB- und Reibungsminderung werden anhand von Beispielen aufgezeigt. AbschIieBend wird eine ZusammensteIIung der wesentlichen Aus- wahIkriterien gegeben. 10 Gliederung Zusamrnenfassung 10 Einflihrung 12 2 Verfahren und Beschichtungsmaterialien 14 3 Eigenschaften von Stahlen mit VerschleiBschutzschichten 21 4 Systemabhangiges VerschleiBverhalten 27 5 Auswahlkri terien 33 Li terat.ur 36 11 Einflihrung VerschleiB kann in vielen Bereichen der Technik auftreten, z.B. bei der Forderung von Rohstoffen, der Bearbeitung von Werkstoffen, in den zahlreichen Tribosystemen von Verbren- nungskraftmaschinen wie Lagern, Kolben/Zylinder, Nocken/ StoBel, Ventilflihrungen u.a. bis hin zu Bewegungssystemen der Feinwerktechnik. Dabei konnen neben tribologischen Beanspruchungen uch mecha- nische und korrosive Beanspruchungen wirksam werden. Mechani- sche Beanspruchungen wirken primar im Volumen, wobei die Querschnitte nach den bekannten Regeln der Festigkeitslehre auszulegen sind. Bei Biegebeanspruchungen und insbesondere bei Wechselbiegebeanspruchungen liegt die maximale Werkstoff- anstrenqung in den Oberflachenbereichen. Auch korrosive und tribologische Beanspruchungen sind auf die Oberflache kon- zentriert (Bild 1).

Bei dem Vorhaben, an Ko1benringen eines Verbrennungsmotors den hydrodynamischen Tragantei1 durch geeignete Formgebung und Oberf1achentopographie zu optimieren, weisen die Er- kenntnisse aus dem Motoren1auf in der bewahrten Serienaus- rUstung auf schon recht ausgewogene Reibpartner hin. Die auf eine Kurbe1we11en-Umdrehung bezogenen Werte der Durch- b1asemenge, des 01verbrauchs und des Zy1inderzwicke1ver- sch1eiBes fallen mit steigender Drehzah1 Uberproportiona1 und mit der Motor1aufzeit abo Die Ergebnisse der 1abormaBig-experimente11en und theo- retischen Arbeiten haben bisher keine Grund1age fUr eine praktische Erprobung in Motoren1aufen geboten. Die Vor- untersuchungen ob1iegen dem Partner des Forschungsvorhabens und 1aufen weiter. Lassen diese erkennen, daB ein groBerer hydrodynamischer Tragantei1 zu erwarten ist, wird dies in Motoren1aufen trotz Absch1uB des BMFT-Auftrags UberprUft. Dem Partner werden die Ergebnisse fUr seinen Sch1uBbericht mitgetei1t. FUr die praktische Erprobung dient a1s Versuchstrager der Mercedes-Benz-Motor OM 403 mit 236 kW bei 2500/min, ein 10-Zy1inder-V-Motor mit Direkteinspritzung und 15,95 Liter Hubraum. tiber ausfUhr1iche Vermessungen sind die fUr die Aufgaben- ste11ung wichtigen Motorentei1e Zy1inder1aufbuchse, Ko1ben- ringe und Ko1ben sorgfa1tig ausgewah1t worden. Bei diesen untersuchungen werden der 01- und Kraftstoff- verbrauch und die Durchb1asemenge konventione11 gemessen. FUr die Versch1eiBmessungen steht die Radionuk1idtechnik (RNT) zur VerfUgung, die kontinuier1iche MeBergebnisse 1iefert.

Urn das VerschleiSverhalten eines Walzkontaktes, der im Ma- schinenbau z. B. in Walzlagern, an Zahnradern, an Reibradge- trieben oder an Nocken-StoSel-Verbindungen auf tritt, besser vorhersagen zu konnen, ist es unumganglich, sich Kenntnisse tiber das physikalisch-chemische 'Geschehen' in einem Walz- spalt zu verschaffen. Dabei ist neben einer Vielzahl von Para- metern, die sich einstellende Schmierfilmhohe die wichtigste EinfluSgroSe. Bei elastohydrodynamischer Schmierung (EHD-Kon- takt) laSt sich die theoretische minimale Schmierfilmhohe h th bei Linienkontakt nach der von DOWSON und HIGGINSON /1/ min und 1967 von DOWSON /2/ modifizierten Gleichung berechnen: In dieser Gleichung bedeuten: Filmparameter H . - m nth G. oe. DegreesE' Werkstoffparameter Geschwindigkeitsparameter Belastungsparameter mit h. - theoretische Spaltweite (minimale) m nth R - dynamische Viskositat beim Druck von 1 bar "l. 0 und Temperatur in der Einlaufzone u hydrodynamisch wirksame Geschwindigkeit 1 reduzierter Elastizitatsmodul F 23 POISSON'sche Konstante Druck-V i sko si tatskoeffizient Q auf die Zylinderrolle wirkende Kraft 1 Spal tlange s Nach den Berechnungen von DOWSON und HIGGINSON tritt in der Auslaufzone des Kontaktes eine zweite Druckspitze auf. Sie ist die Folge des rUckfedernden, elastischen Werkstoffs und bewirkt eine EinschnUrung des ansonsten nahezu parallelen SchmiersIJal tes (Bil d 1) - . des Werkslotfs - "'''""' /// / /' Drucl

Die Belage von HeiBsinter-Siebmaschinen sind infolge extremer thermischer und mechanischer Beanspruchungen einem starken Ver- schleiB unterworfen. Sie erreichen je nach den vorliegenden Be- triebsbedingungen Standzeiten von ca. 2 bis 6 Monaten. Ziel des Forschungsvorhabens "Verschl ei Bmi nderung an Hei Bsi nter-Si ebma- schinen" ist, durch konstruktive Verbesserungen und beanspru- chungsgerechte Werkstoffauswahl einen Beitrag zur Senkung der hohen Instandhaltungskosten zu leisten. Hierzu wird das Tribosystem HeiBsinter-Siebmaschine auf der Grundlage von umfangreichen Betriebsmessungen, laboruntersu- chungen und theoretischen Betrachtungen in Anlehnung an die DIN 50320 bezuglich seiner technischen Funktion, der tribologi- schen Beanspruchungen, der Struktur, der VerschleiBkenngroBen sowie der VerschleiBschwerpunkte und der Ausfallkriterien ana- lysiert. Aus der Analyse des Systemverhaltens werden Vorschlage in Bezug auf eine verschleiBmindernde Betriebsweise und eine verschleiBgerechte konstruktive Ausbildung der Belage zur Sen- kung der verschl ei Bbedi ngten Instandhal tungskosten abgel ei tet, die zum Teil im Betrieb erfolgreich erprobt wurden. Ferner wird das VerschleiBverhalten von mehreren in Betriebsversuchen ein- gesetzten Werkstoffen dem des zur Zeit ublichen Plattenwerk- stoffs gegenubergestellt. 10 Vorwort Die diesem Bericht zugrundeliegenden Arbeiten wurden mit Mit- teln des "Bundesministers fur Forschung und Technologie" und der "Europaischen Gemeinschaft fiir Kohle und Stahl" gefordert. Fur di e groBzugi ge Unterstutzung sei an di eser Stell e gedankt.

Reibung und VerschleiB verursachen an Maschinen und technischen Anlagen in der Industrie erhebliche Verluste durch Minderung der Lebensdauer und des Wirkungs- grades. Weitgehend unbekannt ist der erschreckend hohe Betrag, zu dem sich hier- durch die Kosten fUr Energieaufwand, Instandhaltung, fUr Ersatzteile und Aus- fallzeiten in unserer deutschen Volkswirtschaft aufaddieren. Verscharft wird die Situation dadurch, daB die internationale Konkurrenz der deutschen Industrie Maschinenanlagen mit groBeren Leistungsdichten, erhohten Bauteilauslastungen und verbesserten Wirkungsgraden abverlangt. Mit dieser Entwicklung wachsen aber auch die durch Reibung und VerschleiB bedingten Schwierigkeiten erheblich an. Diese Erkenntnisse und die Einsparmoglichkeiten an Rohstoffen und Energie er- fordern groBe Anstrengungen, um mit den Problemen der Reibung und des Ver- schleiBes fertig zu werden. Hier kann das systematische Zusammenwirken mehrerer Wissensgebiete in dem interdisziplinaren Fach "Tribologie" einen beachtlichen Beitrag liefern. Nach Offenlegung der Situation in der Bundesrepublik Deutschland in dem BMFT- Forschungsbertcht "Tribologie" entschlol3 sich das Bundesministerium fUr Forschung und Technologie (BMFT) im Rahmen seines Rohstofforschungs-Programms zu einer schwerpunktmaBigen Forderung der Tribologie mit einer Laufzeit von zunachst 6 Jahren und einem Fordervolumen in Hohe von ca. 37 Mio DM im Rahmen der Projekttragerschaft des Instituts fUr Werkstoff-Forschung der Deutschen Forschungs- und Versuchsanstalt fUr Luft- und Raumfahrt e. V. (DFVLR). Koln. Die Forderung begann 1978, heute werden ca. 100 Vorhaben gefOrdert.