Druckkammlagerung

Eine Druckkammlagerung dient der Axialkraftübertragung zwischen parallelen, rotierenden Wellen in Getrieben. Hauptsächlich wird so bei Schrägverzahnungen der parasitäre axiale Anteil der Verzahnungskraft oder in Getriebeverdichtern der Verdichterschub geleitet.

Aufbau

Eine Druckkammlagerung besteht aus einem Druckkamm und einem Anlaufring.

Als Druckkamm wird eine Scheibe auf der schnell laufenden Welle bezeichnet, deren Außendurchmesser über den des Ritzels hinausragt. Der Anlaufring wird üblicherweise auf der langsam laufenden Welle an der Stirnseite des Rades unter den Zahnfuß geschliffen, kann aber auch separat als frei stehende Scheibe gebaut werden. Die Laufflächen werden kegelig (Kegelwinkel $0{,}05^{\circ }<\delta <2^{\circ }$ ) ausgeführt, so dass im überdeckten Gebiet ein konvergenter Spalt entsteht, welcher mit dem Getriebeöl den Aufbau eines hydrodynamischen Tragfilms ermöglicht. Der kontraforme Kontakt ist dem Bereich der Elastohydrodynamik zuzuordnen. Da der Schmierspalt nah am Wälzkreis der Verzahnung liegt, an dem die Umfangsgeschwindigkeit von Rad und Ritzel gleich ist, ist die hydrodynamisch wirksame Geschwindigkeit (Summe der Umfangsgeschwindigkeiten) hoch, und die Differenzgeschwindigkeit nahe Null. Erstere bedeutet hohes Tragvermögen, letztere eine geringe Verlustleistung im Vergleich zu Wälz- oder Gleitlagerungen, bei denen ein Kontaktpartner stillsteht.

Gewöhnlich wird die schnell laufende Welle schwimmend und die langsame fest-los gelagert, um eine automatische Einstellung des Schmierspaltes zu ermöglichen. Die Druckkammscheibe wird als zusätzliches Bauteil montiert und nicht integral mit dem Zahnrad gefertigt, um das kostengünstige Wälzfräsen der Verzahnung nicht zu behindern.

Geschichte

Die Druckkammlagerung wurde 1922 im Kontext der Schrägverzahnung patentiert.^[1] Praktisch eingesetzt wurde sie im Folgenden jedoch nur zur Effizienzsteigerung bei Getriebeverdichtern, also bei einer Anwendung mit vergleichsweise hohen Drehzahlen und wenigen Anfahrvorgängen. Erst in den letzten Jahren wurde die Technik in weiteren Anwendungsgebieten genutzt, so z. B. in Getrieben für Nutzfahrzeuge^[2], Schienenfahrzeuge^[3] oder Windkraftanlagen^[4].

Vor- und Nachteile

Vergleich des Flusses der schrägverzahnungsbedingten Axialkraft bei einer konventionellen Lagerung (links) und einer Druckkammlagerung (rechts). Die Druckkammlagerung ist so ausgeführt, dass sie nur in eine Drehrichtung funktioniert.

Vorteile

Verbesserung des Getriebewirkungsgrades^[5]
Verbesserung der akustischen Eigenschaften^[2]
Leichtbau möglich durch geringere Beanspruchung der Wellen und des Gehäuses

Nachteile

zusätzliches Bauteil
Verschleiß bei sehr niedrigen Drehzahlen vor dem Erreichen der Vollschmierung (Anfahrvorgang, siehe Stribeck-Kurve)
kein standardisiertes analytisches Auslegungsverfahren vorhanden^[6]; Einsatz von spezialisierten numerischen Berechnungswerkzeugen notwendig^[5]

Einzelnachweise

↑ Patent DE401652C: Stirnrädergetriebe mit einseitiger Schraubenverzahnung. Angemeldet am 25. April 1922, veröffentlicht am 6. September 1924, Anmelder: BBC Brown Boveri & Cie.‌
↑ ^a ^b Franz-Josef Joachim, Norbert Kurz, Bernd Somschor: Druckkammtechnik in Fahrzeuggetrieben. In: Gleit und Wälzlagerungen: Gestaltung, Berechnung, Einsatz; Tagung Veitshöchheim, 3. und 4. März 1998. VDI-Berichte 1380. VDI-Verlag, Düsseldorf 1998, ISBN 3-18-091380-0, S. 279–312.
↑ ZF Friedrichshafen AG: ZF-Stirnrad-Achsgetriebe – Mehrwert für die Metro Moskau, St. Petersburg und Baku. 23. Februar 2017 (zf.com).
↑ Dirk-Olaf Leimann: Hansen 13.2/16.8 MW single stage technology gearbox for next generation high speed gear box design for wind turbine application: Low tonality gear design and new bearing arrangement solution. In: International Conference on Gears (VDI-Berichte). Band 2. VDI-Verlag, Düsseldorf 2010, ISBN 978-3-18-092108-2, S. 1053–1062.
↑ ^a ^b Marcel Heß: Einsatz von Druckkämmen zur Effizienzsteigerung von schrägverzahnten Getrieben. 1. Auflage. Papierflieger Verlag, Clausthal-Zellerfeld 2018, ISBN 978-3-86948-624-6, doi:10.21268/20180403-090318 (tu-clausthal.de).
↑ Daniel Thoden: Elasto-hydrodynamische Schmierung von Druckkämmen. In: Mitteilungen aus dem Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal. Nr. 31, 2006, ISSN 0947-2274, S. 23–26 (tu-clausthal.de [PDF] – der Einsatz des Berechnungsverfahrens für den Zylinder-Zylinder-Kontakt nach Dowson-Higginson wird für Kegelwinkel kleiner 1° nicht empfohlen.).

[1] Patent DE401652C: Stirnrädergetriebe mit einseitiger Schraubenverzahnung. Angemeldet am 25. April 1922, veröffentlicht am 6. September 1924, Anmelder: BBC Brown Boveri & Cie.‌

[:0-2] Franz-Josef Joachim, Norbert Kurz, Bernd Somschor: Druckkammtechnik in Fahrzeuggetrieben. In: Gleit und Wälzlagerungen: Gestaltung, Berechnung, Einsatz; Tagung Veitshöchheim, 3. und 4. März 1998. VDI-Berichte 1380. VDI-Verlag, Düsseldorf 1998, ISBN 3-18-091380-0, S. 279–312.

[3] ZF Friedrichshafen AG: ZF-Stirnrad-Achsgetriebe – Mehrwert für die Metro Moskau, St. Petersburg und Baku. 23. Februar 2017 (zf.com).

[4] Dirk-Olaf Leimann: Hansen 13.2/16.8 MW single stage technology gearbox for next generation high speed gear box design for wind turbine application: Low tonality gear design and new bearing arrangement solution. In: International Conference on Gears (VDI-Berichte). Band 2. VDI-Verlag, Düsseldorf 2010, ISBN 978-3-18-092108-2, S. 1053–1062.

[:1-5] Marcel Heß: Einsatz von Druckkämmen zur Effizienzsteigerung von schrägverzahnten Getrieben. 1. Auflage. Papierflieger Verlag, Clausthal-Zellerfeld 2018, ISBN 978-3-86948-624-6, doi:10.21268/20180403-090318 (tu-clausthal.de).

[6] Daniel Thoden: Elasto-hydrodynamische Schmierung von Druckkämmen. In: Mitteilungen aus dem Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal. Nr. 31, 2006, ISSN 0947-2274, S. 23–26 (tu-clausthal.de [PDF] – der Einsatz des Berechnungsverfahrens für den Zylinder-Zylinder-Kontakt nach Dowson-Higginson wird für Kegelwinkel kleiner 1° nicht empfohlen.).

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