Oberflächenoptimierung von Trapezgewindespindeln – tribologische Analyse und Anwendung

Trapezgewindespindeln eignen sich ideal für schwere Lasten und werden häufig in Hebeanlagen eingesetzt. Im Rahmen eines Kooperationsprojektes zwischen dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) und der Firma Bornemann Gewindetechnik wurde eine Modifikation des Gewindewirbelns zur Optimierung der tribologischen Eigenschaften von Gewindespindeln erforscht. Durch den Einsatz von gewirbelten Mikrostrukturen kann der Reibungsverlust um 25,5% reduziert und der adhäsive Verschleiß deutlich verringert werden.

1 Einleitung

Für die Herstellung von langen Gewindespindeln, die häufig in Hebesystemen eingesetzt werden, stehen verschiedene Fertigungsverfahren zur Auswahl, darunter Gewindewalzen und Gewindewirbeln [1]. Bei der Gestaltung des Fertigungsprozesses für standardisierte Maschinenelemente wie Trapezgewindespindeln werden das Anwendungs-verhalten und die Lebensdauer nicht berücksichtigt [2].

Bei der Gestaltung von Oberflächen, die durch Gleitreibung belastet werden, ist es wichtig, die Reibungsregime – Grenzreibung, Mischreibung und Flüssigkeitsreibung – zu berücksichtigen, die mit der Stribeck-Kurve klassifiziert werden [3]. Im hydrodynamischen Zustand wird die Kraft durch den Schmierfilm übertragen, wobei die Reibkraft durch die innere Reibung des Schmierstoffs erzeugt wird [3–5]. Diese ist proportional zur Kontaktfläche, der Viskosität des Schmierstoffs und der Scherrate der Schmierfilmdicke. Im Fall der Mischreibung wird der Schmierfilm an bestimmten Stellen durch einzelne Rauheitsspitzen unterbrochen, die dann zur Lastübertragung beitragen [4]. Besonders bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten stellt dies einen Nachteil in Bezug auf das Etablieren und Aufrechterhalten des hydrodynamischen Schmierzustands dar [6].

Der direkte Kontakt zwischen den beiden Triboelementen kann zu einem erhöhten Energieverbrauch führen [7]. Mikrostrukturen können durch verschiedene Mechanismen vorteilhafte Effekte haben. Zum Beispiel können Mikrostrukturen als Schmierstoffreservoirs dienen [8], und lokalisierte Erhebungen im Schmierfilm können zu einer Erhöhung des Lagerdrucks führen, wenn der Schmierstoff über sie hinwegfließt [9]. In den definierten Mikrostrukturen kann sich ein hydrodynamischer Druck aufbauen. Sowohl Kavitationseffekte [4] als auch der Aufbau von Lagerdruck in aufeinanderfolgenden Mikrostrukturen spielen dabei eine Rolle [10, 11]. Diese Untersuchungen deuten darauf hin, dass die Oberflächentopographie von Trapezgewindespindeln aufgrund des hochbelasteten Gleitkontakts großes Potenzial zur Reduzierung der Reibung durch Mikrostrukturen bietet.

Mikrostrukturen zur Reduzierung von Reibungsverlusten in Gleitkontakten können durch Fertigungsverfahren wie Flachschruppen oder Lasermarkieren induziert werden [10, 12]. Das Wirbelverfahren als Fertigungsprozess bietet großes Potenzial für eine prozessintegrierte Mikrostrukturierung, da es beispielsweise eine deutlich höhere Produktivität als das Gewindefräsen erreicht [1, 13]. Studien zur Oberflächenstrukturierung durch Wirbeln wurden bisher nur als zusätzlicher Strukturierungsprozess und nicht als prozessintegrierte Funktionalisierung der Oberflächenstruktur durchgeführt [14]. Es gibt verschiedene Ansätze für Mikrostrukturierung als separaten Fertigungsprozess [12, 15], jedoch erfordern diese aufgrund eines zusätzlichen Prozessschrittes hohen Integrationsaufwand. In einer Studie zeigten Denkena et al. eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Oberflächen, die hohen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind, wie zum Beispiel in Zylinderlaufbuchsen, durch Mikrostrukturierung [12]. Das Wirbelverfahren als spanabhebendes Fertigungsverfahren bietet aufgrund der auf der Gewindeflanke erzeugten Oberflächenstrukturen spezifisches Potenzial für die Funktionalisierung (Bild 1).

Eine spezifische Herausforderung bei der Verwendung metallischer Triboelemente in Gleitreibung ist das Auftreten von Adhäsion bei unzureichender Schmierung oder Überlastung. Dies kann zu adhäsivem Verschleiß des Reibpartners mit geringerer Härte und einem Materialübergang auf den Reibpartner mit höherer Härte im Gleitkontakt führen [7, 17]. Die Oberflächentopographie und die reale Kontaktfläche im Gleitkontakt spielen eine entscheidende Rolle im zuvor beschriebenen Risiko der Adhäsion bei unzureichender Schmierung [7, 16, 17]. Der direkte Kontakt der beiden Reibelemente ist eine grundlegende Voraussetzung für Adhäsion und wird durch die Gesamtzahl der Mikrokontakte definiert.

In Gleitkontakten, die einer hohen Oberflächenpressung ausgesetzt sind, wird die Schmierfilmdicke reduziert, was zu einer Verschiebung von Mischreibung zu Grenzreibung führt und mit einer Erhöhung des Reibwerts einhergeht [3]. Denkena et al. zeigten ebenfalls, dass Oberflächenstrukturen mit geringer Tiefe zu einer Reduzierung des Reibwerts und einer Verschiebung in das Mischreibungsregime führen können, bei dem sowohl Festkörper- als auch Flüssigkeitsreibung koexistieren [12]. Für Stahlbronze-Triobelemente in Gleitreibungen hat sich eine Oberflächenstruktur-Tiefe von 2–5 μm als besonders vorteilhaft zur Reduzierung der Reibung erwiesen [16]. Ein weiteres Phänomen, das bei unzureichender Schmierung oder niedrigen Relativgeschwindigkeiten auftreten kann, ist der Stick-Slip-Effekt.

Dies führt dazu, dass die Triboelemente für kurze Zeit aneinander haften, bevor wieder eine Gleitbewegung eintritt [18]. Häufiges Auftreten des Stick-Slip-Effekts aufgrund von Schmierstoffmangel führt zu erhöhtem adhäsivem Verschleiß und damit zu einem frühen Ausfall der Komponenten [19].

Der Einfluss von Mikrostrukturen auf die belastete Gewindeflanke von Trapezgewindespindeln bei hohen Lasten wurde bisher noch nicht erforscht, bietet jedoch großes Potenzial zur Effizienzsteigerung durch die Reduzierung von Reibungsverlusten. Es gibt auch noch keine Kenntnisse über den Einfluss von Mikrostrukturen auf den Verschleiß im Spindel-Mutter-System. Ziel dieses Papiers ist es daher, diese Lücke zu adressieren und den Einfluss von durch Gewinde-Wirbeln erzeugten Oberflächenstrukturen auf das tribologische Verhalten von hochbelasteten Trapezgewindespindeln in Schwerlast-Hebeanlagen unter realen Bedingungen zu untersuchen. Die Studie wird einen speziell entwickelten Wirbelprozess für eine prozessintegrierte Mikrostrukturierung betrachten. Im Rahmen der Untersuchung werden verschiedene Oberflächenstrukturen vorgestellt und deren Einfluss auf die Reibungsreduktion im Gesamtsystem sowie ihre Fähigkeit, Schmierstoff auf der Oberfläche zu halten und damit adhäsive Ablagerungen auf der Spindel und adhäsiven Verschleiß an der Mutter zu verhindern, bewertet.

2 Versuchsaufbau

2.1 Tribologische Prüfung

Der in Bild 2 gezeigte Prüfstand wird verwendet, um den Einfluss der Oberflächentopographie auf die Gewindeflanken im Hinblick auf das tribologische Verhalten zu untersuchen. Die Testspindeln mit einem Tr80×10 mm-Gewinde wurden mit einer Frequenz von f = 0,81 Hz über einen Winkel von ν = 15° oszilliert. Die Rotation eines Lastwechsels entspricht einer translationalen Strecke von 0,42 mm der Gewindespindel. Mit diesem Aufbau wurde die Gewindespindel mit einer Gewichtskraft von FG = 91,3 kN während des Hebens und Senkens belastet. Dies entspricht einem Oberflächenpressdruck von p = 5,0 N/mm², der im maximalen Lastbereich für Trapezgewindetriebe in Schwerlast-Hebeanlagen liegt. Für diese Anwendung wurde das Gewindemuttermaterial G-CuSn 7 ZnPb ausgewählt. Als Schmierstoff wurde das Schmierfett DGM HTF 940 verwendet, das besonders für Anwendungen in Gleitlagern geeignet ist. Die Schmierung im Prüfablauf erfolgte auf Basis eines Wartungsintervalls von einem Monat. Dieses Intervall entspricht der Schmierung der Spindel-Mutter-Baugruppe alle 167 Zyklen. Der Prüfstand wurde von Sincotec eingerichtet, das auch der Hersteller des Kraftsensors Interface 125 kN und des Drehmomentsensors SincoTec 1200 Nm ist.

Der Verschleißzustand der Flächenoberflächen wurde analysiert, um die Reibungseigenschaften verschiedener Oberflächentopographien und ihrer entsprechenden Oberflächenstrukturen zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden die Spindeln anschließend mit einem Trennschleifer aufgeschnitten. Mit 20.000 Lastzyklen wurde eine Lebensdauer von 10 Jahren experimentell für die untersuchten Gewindespindeln abgebildet.

Zur Untersuchung des tribologischen Verhaltens wurden vier Gewindespindeln vorbereitet, bei denen unterschiedliche Prozessparameter im Wirbelverfahren mit einer gewalzten Spindel verglichen wurden (Tabelle 1). Für die gewirbelten Gewindespindeln wurden die Prozessparameter so gewählt, dass definierte Abstufungen zwischen den Höhen der Oberflächenstruktur auf den belasteten Gewindeflanken der Gewinde erzielt wurden. Die Testreihe 1 umfasst gewalzte Gewindespindeln, die durch das kontinuierliche Walzverfahren hergestellt wurden. Die spezifischen Prozessparameter basieren auf der Erfahrung von Bornemann. Testreihe 2 wurde mit Prozessparametern gewirbelt, die dem Stand der Technik entsprechen, und gilt als zusätzliche Referenz für die neu entwickelte Oberflächenstruktur.

In den Testreihen 3 und 4 wurden die in dieser Studie entwickelten Oberflächenstrukturen in zwei Stufen hergestellt, um sowohl die Oberflächenstrukturhöhe yf als auch die Oberflächenstruktur-Länge sf zu erhöhen. Eine Erhöhung dieser beiden Strukturparameter führt zu einer Erhöhung des Schmierstoffrückhaltevolumens in der Oberfläche. Testreihe 3 zeigt eine theoretische Strukturhöhe von yf = 2,31 μm bei einer Strukturabstand von sf = 3,67 μm. In Testreihe 4 sind die Strukturparameter noch ausgeprägter mit yf = 3,61 μm und sf = 4,59 μm. Dies zeigt deutlich die begrenzte Einstellbarkeit der Strukturen aufgrund des Wirbelprozesses: Eine Erhöhung der Strukturhöhe yf führt zwangsläufig zu einer Erhöhung der Struktur-Länge sf.

2.2 Messung der Oberflächenstruktur

Das Duo Vario optische Messsystem der Confovis GmbH wird zur Analyse experimentell erzeugter 3D-Oberflächentopographien verwendet. Die Oberflächentopographien werden mittels konfokaler Weißlichtmikroskopie erfasst. Die konfokale Messung wurde mit einer Nikon 20×/0,45-NA-Objektiv durchgeführt. Zur Analyse der Flankenoberflächen wurde eine laterale Messauflösung von 0,20 μm verwendet. Der gemessene Bereich mit einer Breite von 2,26 mm und einer Länge von 8,71 mm wurde mit einer Auflösung von 0,28 μm erfasst. Die experimentell erzeugten Gewindespindeln wurden in einer orthogonalen Messposition zur Gewindeflanke ausgerichtet.

3 Anwendung und Charakterisierung von Oberflächentopographie

Die folgenden Ergebnisse zeigen, wie die Oberflächentopographie der Gewindeflanke durch das Wirbelverfahren gezielt eingestellt werden kann und wie sie sich von der begrenzten Topographie des Gewinderollverfahrens unterscheidet. Bild 3 zeigt die Oberflächentopographien der Gewindeflanke einer gerollten trapezförmigen Gewindespindel im Vergleich zu einer gewirbelten Gewindeflanke.

Die Oberflächentopographie der Testserie 1 zeigt, dass während des Gewinderollverfahrens keine Oberflächentextur erzeugt wird. Die gewirbelte Gewindespindel der Testserie 2 weist im Vergleich zur Testserie 1 keine signifikanten Unterschiede in der Oberflächentopographie auf, und es ist ebenfalls keine Oberflächentextur erkennbar. Durch die gezielte Anpassung des Wirbelverfahrens war es möglich, in den Testserien 3 und 4 deutlich ausgeprägtere Oberflächentexturen zu erzeugen. In diesen Testserien wurden die Texturhöhe yf und die Texturlänge sf sukzessive erhöht, um Oberflächentexturen mit einem niedrigen Anteil an Spitzen zu erzeugen, wodurch der direkte Festkontakt zwischen den Oberflächen der Triboelemente minimiert wird. Der größere Abstand zwischen den Spitzen der Oberflächentextur ermöglicht es, Schmiermittel in den Tälern des Rauheitsprofils zurückzuhalten.

Aufgrund des Auftretens stochastischer Rauheitseffekte während der Bearbeitung, die die technische Oberfläche als Formabweichungen vierten Grades beeinflussen, wird die weniger ausgeprägte Oberflächentextur der Testserie 2 überlagert. Aufgrund dieser Überlagerung sind die Texturparameter schwer zu bestimmen und weisen eine geringe Texturhöhe yf = 0,82 μm sowie eine Texturlänge sf = 1,63 mm auf. Effektiv unterscheidet sich Testserie 2 aufgrund dieser geringen Oberflächentextur nicht von der gerollten Probe. Die stochastischen Rauheitseffekte während des Wirbelverfahrens werden hauptsächlich durch die Rauheit an der Schneide des Wirbelwerkzeugs, auch als Absplitterung bekannt, verursacht. Diese bildet sich als Negativform auf der neu erzeugten Oberfläche während der Bearbeitung [20]. Die Topographie der Testserien 3 und 4 zeigt charakteristische, wiederkehrende Rillen, die durch Absplitterungen erzeugt werden. Wenn die Texturhöhe yf geringer ist als die Rauheit Rz an der Schneide des Wirbelwerkzeugs, wird die Textur überlagert und die charakteristische Textur des Wirbelverfahrens tritt nicht auf. Dies zeigt sich in den Rauheitsprofilen an den Gewindeflanken (Bild 4).

Die Messung wird zusätzlich dadurch verzerrt, dass die mathematisch angenäherte Gewindeform von der Oberflächentopographie subtrahiert wird, wodurch die Texturen am Rand des Messbereichs eine leicht geringere Texturhöhe aufweisen (Bild 3 und 4).

4 Tribologische Bewertung

Die Auswirkungen der gewirbelten Oberflächentexturen auf das tribologische System von Schraube und Mutter in trapezförmigen Schraubenspindeln für Schwerlast-Hubsysteme wurden mit dem in Abschnitt 2.2 beschriebenen Prüfaufbau analysiert. Bei der Konstruktion von trapezförmigen Schrauben wird der Reibungskoeffizient häufig aus Vereinfachungsgründen als konstant angenommen. Die Auswirkungen der gewirbelten Oberflächentexturen auf das tribologische System von Schraube und Mutter in trapezförmigen Schraubenspindeln für Schwerlast-Hubsysteme wurden mit dem in Abschnitt 2.2 beschriebenen Prüfaufbau analysiert. Bei der Konstruktion von trapezförmigen Schrauben wird der Reibungskoeffizient häufig aus Vereinfachungsgründen als konstant angenommen.

Der Reibungskoeffizient kann jedoch nicht als Materialeigenschaft betrachtet werden, da er von allen Komponenten des tribologischen Systems beeinflusst wird. Um den Einfluss der Oberflächentopographie auf dieses System zu charakterisieren, werden alle beeinflussenden Variablen konstant gehalten. Nur die durch den Fertigungsprozess induzierte Oberflächentextur wird in den Testserien variiert.

4.1 Untersuchung des Reibungskoeffizienten

In Schwerlast-Hubsystemen sind die Bewegungsschrauben in der Regel vertikal angeordnet, wobei eine belastete Gewindeflanke sowohl während der Hebe- als auch der Senkbewegung belastet wird. Zur Berechnung des Reibungskoeffizienten in einem trapezförmigen Gewinde kann die Reibung auf der schiefen Ebene herangezogen werden [21]. Die Normalkraft FN kann aus der Gewichtskraft FG und der Reibungskraft FR aus dem Reibungsmoment, das für die Rotationsbewegung erforderlich ist, über die geometrischen Beziehungen berechnet werden. Dies führt zu einem deutlich höheren erforderlichen Reibungsmoment beim Heben. Da das Reibungsmoment im Prüfaufbau gemessen wird und die Gewichtskraft FG auf einen konstanten Wert eingestellt ist, kann der Reibungskoeffizient μ aus diesen Variablen berechnet werden. Die getrennte Bestimmung des Reibungskoeffizienten μ für Heben und Senken wird durch die Berücksichtigung der unterschiedlichen Ausrichtungen der Kraftkomponenten ermöglicht. Der exemplarische Verlauf des Reibungskoeffizienten für diese beiden Bewegungsarten für die gerollte Spindel in der Testserie 1 ist in Bild 5 dargestellt. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Kraftausrichtungen zeigen beide Bewegungsarten einen ähnlichen Verlauf für den Reibungskoeffizienten. Trotz eines höheren Antriebsmoments, das für das Heben erforderlich ist, ist ein charakteristisches Reibungskoeffizientenverhalten zu erkennen, das bei einer trapezförmigen Gewindespindel über 20.000 Lastzyklen auftritt. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient für beide Bewegungsarten steigt zu Beginn des Tests deutlich an, erreicht bei etwa 2000 Zyklen ein Maximum und fällt dann bei etwa 8000 Zyklen auf ein konstantes Niveau. Dieses Verhalten wird als Einlaufphase bezeichnet und beschreibt die allgemeine Veränderung des Reibungskoeffizienten während des gesamten Tests, abhängig vom tribologischen System [22]. Die oszillierende Bewegung über einen kleinen Winkelbereich simuliert eine kurze Strecke des Hebens und Senkens bei einem Lastwechsel. Das resultierende Geschwindigkeitsprofil innerhalb eines Lastwechsels besteht aus einer Beschleunigungsphase, einer Phase konstanter Geschwindigkeit und einer Verzögerungsphase, jeweils für das Heben und Senken. Der Stick-Slip-Effekt, der bei niedrigen Geschwindigkeiten auftritt, wird besonders am Wendepunkt der Richtungsumkehr begünstigt. Dieser Effekt äußert sich in einem kurzen Festkleben der Oberflächen, gefolgt von einem plötzlichen Gleiten der Triboelemente. Diese Bewegung kann zu Vibrationen führen, die sich in einer größeren Abweichung des Reibungskoeffizienten widerspiegeln [19]. In Bild 5 ist dieser Effekt in Form einer größeren Abweichung innerhalb der ersten 5000 Lastzyklen zu beobachten.

Ein konstanter Reibungskoeffizient für das untersuchte trapezförmige Gewinde Tr80× 10mm wird nach etwa 8000 Lastzyklen erreicht. Während der Einlaufphase kommt es zu einem anfänglichen Anstieg des Reibungskoeffizienten bei der Prüfung der gerollten trapezförmigen Gewinde, was ebenfalls mit einer hohen Abweichung des Reibungskoeffizienten einhergeht. Der höchste Reibungskoeffizient ist mit der größten Abweichung verbunden, was auf ein vermehrtes Auftreten des Stick-Slip-Effekts hinweist, der zu erhöhtem adhäsivem Verschleiß führen kann. Aufgrund der ähnlichen Reibungskoeffizienten-Verläufe beider Bewegungsarten wird im Folgenden nur die kraftintensivere Hebebewegung betrachtet.

Ein konstanter Reibungskoeffizient für das untersuchte trapezförmige Gewinde Tr80× 10mm wird nach etwa 8000 Lastzyklen erreicht. Während der Einlaufphase kommt es zu einem anfänglichen Anstieg des Reibungskoeffizienten bei der Prüfung der gerollten trapezförmigen Gewinde, was ebenfalls mit einer hohen Abweichung des Reibungskoeffizienten einhergeht. Der höchste Reibungskoeffizient ist mit der größten Abweichung verbunden, was auf ein vermehrtes Auftreten des Stick-Slip-Effekts hinweist, der zu erhöhtem adhäsivem Verschleiß führen kann. Aufgrund der ähnlichen Reibungskoeffizienten-Verläufe beider Bewegungsarten wird im Folgenden nur die kraftintensivere Hebebewegung betrachtet.

Der durchschnittliche Reibungskoeffizient μm über die gesamte Testdauer nimmt auch für beide Tests einen ähnlichen Wert an. Eine Einlaufphase tritt sowohl bei der gewirbelten als auch bei der gerollten Gewindespindel auf, was anschließend zu einem sehr konstanten Reibungskoeffizienten mit geringer Abweichung auf einem Niveau von μ = 0,1 führt. In der Testserie 3, mit einer Texturhöhe von yf = 2,31 μm, wird eine deutlich kürzere Einlaufphase beobachtet, die nach ca. 4500 Lastzyklen abgeschlossen ist. Der durchschnittliche Reibungskoeffizient μm kann in der Testserie 3 auf μm = 0,098 gesenkt werden, im Vergleich zur gerollten (μm = 0,115) und der untexturierten, gewirbelten Gewindeflanke (μm = 0,112), was einer Reduzierung des Reibungskoeffizienten um 14,6% entspricht. Eine noch deutlichere Reduzierung zeigt sich in der Testserie 4 (yf = 3,61 μm), bei der die eingeführte Oberflächentextur sowohl das Einlaufverhalten um ca. 44% verringert als auch den Reibungskoeffizienten dauerhaft auf ein niedrigeres Niveau von μm = 0,085 senkt, was einer Reduzierung von 25,5% im Vergleich zur gerollten Gewindespindel entspricht. Eine vollständige Reduzierung der Einlaufphase war mit diesem Gewinde im beschriebenen tribologischen System jedoch nicht möglich.

4.2 Analyse des Adhäsionsverschleißes

Der Verschleiß, der auftritt, wenn Spindel und Mutter in Kontakt kommen, ist entscheidend für die Lebensdauer des Trapezgewindetriebs. Um die auf der Führungsgewindespindel auftretenden Verschleißmechanismen zu identifizieren, wurde die Oberfläche der belasteten Gewindeflanke nach 20.000 Lastzyklen mit einer Gewichtskraft von FG = 91,3 kN und einer regelmäßigen Schmierstoffzufuhr untersucht (Bild 7). Nach dem Test zeigen die Testreihen ein deutlich unterschiedliches Verschleißmuster, abhängig von der Oberflächenstruktur der belasteten Gewindeflanke. Testreihe 1 und 2, die ohne Oberflächenstrukturen an der belasteten Gewindeflanke getestet wurden, zeigen ausgeprägte adhäsive Ablagerungen an der belasteten Gewindeflanke der Gewindespindel. Dies wird durch erheblichen Abtrag oder adhäsiven Verschleiß des Muttermaterials verursacht. Mit zunehmender Höhe der Struktur von Testreihe 3 bis Testreihe 4 nimmt der Grad des adhäsiven Verschleißes merklich ab (Bild 7).

Um den Anteil der belasteten Gewindeflanke zu charakterisieren, der mit adhäsiven Ablagerungen bedeckt ist, wurde eine Farbanalyse von Mikroskopbildern durchgeführt, um die überwiegend roten Ablagerungen zu quantifizieren, die durch den Kupfergehalt im Werkstoff G-CuSn 7 ZnPb verursacht werden. Die Auswertung des flächenbezogenen Adhäsionsprozentsatzes an der belasteten Gewindeflanke zeigt, dass die gewalzte Trapezgewindespindel den höchsten Adhäsionsprozentsatz mit 36,3 % aufweist (Bild 8). Die Testreihe 2, mit den gewirbelten Gewindeflanken, weist die größte Abweichung des bedeckten Bereichs mit 27,4 % und einer Standardabweichung von 13,1 % auf. Nach der experimentell emulierten Betriebsdauer ist die Oberfläche dieser Testreihe in einigen Bereichen mit bis zu 45,4 % Adhäsionsrückständen bedeckt. Das Verschleißmuster der Testreihe 4 veranschaulicht, dass eine Strukturhöhe von yf = 3,61 μm den Anteil des adhäsiven Verschleißes verringerte und auf die Bereiche der Rauheitspeaks begrenzte (Bild 8a). Die Versuchsreihe 2 mit den gewirbelten Gewindeflanken weist mit 27,4 % und einer Standardabweichung von 13,1 % die größte Abweichung der belegten Fläche auf. Nach der experimentell nachgebildeten Standzeit ist die Oberfläche dieser Testreihe in einigen Bereichen mit bis zu 45,4 % Kleberückständen einigen Bereichen. Das Verschleißbild der Versuchsreihe 4 verdeutlicht, dass eine Texturhöhe von yf= 3,61μm den Anteil des Adhäsionsverschleiß reduziert und auf die Bereiche der Rauheitsspitzen spitzen (Abb. 8a).

Aufgrund der geringen Gleitgeschwindigkeit und der hohen Flächenpressung im tribologischen Kontakt wird die Reibung im tribologischen System zwischen Festkörper- und Mischreibung unterschieden.

Der adhäsive Verschleiß an der Gewindeflanke verringerte sich bei den gewirbelten Flankenoberflächen im Vergleich zur gerollten Gewindespindel von 36,3 auf 13,6 % in Versuchsreihe 3 und weiter auf 10,1 % in Versuchsreihe 4. Zwischen den ausgeprägten Rauheitsspitzen mit deutlich ausgeprägter Oberflächentextur tritt keine Haftung auf. Aufgrund der Eigenschaften der Haftbeschichtung kann davon ausgegangen werden, dass eine Verschiebung vom Grenzreibungsregime zum Mischreibungsregime stattfindet. Nach Wang et al. kann die geringere Anzahl von Rauheitsspitzen, oder in diesem Fall nur die Spitzen der Oberflächentexturen, zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten führen [4]. In diesen Bereichen bleibt die ursprüngliche Oberfläche, die durch den Wirbelprozess entstanden ist, erhalten.

Die sukzessive Anordnung der Mikrotexturen kann auch die Bildung eines Schmierfilms mit geringer Dicke begünstigen, wie in [10] beschrieben. Durch die verringerte Festkörperreibung über die gesamte Kontaktfläche ist ein geringeres Reibmoment für die Bewegung der Gewindespindel erforderlich. Der Schmierstoff kann in den Bereichen der ausgeprägten Oberflächenstruktur gespeichert werden, wodurch sich die Schmierfilmstärke erhöht, und Flüssigkeitsreibung entsteht, die einen direkten Kontakt zwischen den Oberflächen verhindert. Der direkte Kontakt zwischen den Rauheitsspitzen der Triboelemente ist eine mögliche Ursache für adhäsiven Verschleiß [19].

Infolge der ausgeprägteren Oberflächentexturen (Abb. 9b) sinkt der Anteil der Festkörperreibung im Gegensatz zur unstrukturierten Oberflächentopographie (Abb. 9a). Eine stärker ausgeprägte Oberflächentextur auf der Gewindeflanke kann eine größere Menge an Schmierstoff aufnehmen.

Bei Kontakt von Triboelementen aus unterschiedlichen Metallen findet ein Materialübertrag vom kohäsionsschwächeren Reibkörper, in diesem Fall der Mutter, auf den kohäsionsstärkeren Grundkörper, in diesem Fall die Gewindespindel, statt [3]. Der zusätzliche Schmierstoff im Reibkontakt führt zu einer geringeren Anzahl von sich berührenden Rauheitsspitzen. Die Bildung von adhäsiven Ablagerungen auf der belasteten Gewindeflanke ist in Abb. 9c schematisch dargestellt. Die progressive Belastung der Kontaktfläche der Gewindemutter führt zur Ablösung von Partikeln, die sich auf den berührenden Rauheitsspitzen der belasteten Gewindeflanke ablagern. Diese bilden zunehmend eine Schicht auf den Kontaktflächen der belasteten Gewindeflanke (Abb. 10) und verhindern den direkten Kontakt zwischen Schrauben- und Mutternmaterial. Dieser Prozess setzt sich fort, bis ein stationärer Zustand erreicht ist und kein Material mehr von den Oberflächengrenzschichten der Mutter auf die belastete Gewindeflanke übertragen wird. Dieser Prozess beeinflusst das Einlaufverhalten und geht in einen stationären Zustand über, wenn die berührenden Rauheitsspitzen mit Klebstoffablagerungen bedeckt sind. Dadurch wird der Reibungskoeffizient beeinflusst. Abbildung 10 zeigt, dass die Ablagerungen etwa 2 μm hoch sind und dass es keinen abrasiven Verschleiß der Ausgangsfläche der belasteten Gewindeflanke gibt.

5 Fazit und Ausblick

Im Rahmen dieser Studie wurden drei verschiedene Oberflächentopographien im Wirbelverfahren eingestellt und auf ihre tribologischen Eigenschaften bei Trapezgewindespindeln untersucht. Neben der Messung des Reibungskoeffizienten wurde das Verschleißbild an den belasteten Gewindeflanken der Gewindespindel untersucht und die adhäsiven Ablagerungen quantifiziert.

Im Vergleich zu gerollten Gewindespindeln hat sich gezeigt, dass Oberflächenstrukturen auf der belasteten Gewindeflanke einer Gewindespindel, die in Schwerlasthebesystemen eingesetzt wird, einen erheblichen Mehrwert bieten. Das Wirbelverfahren ermöglicht die Herstellung einer größeren Vielfalt von Oberflächenstrukturen, was zu einer Verringerung des Reibungskoeffizienten um 25,5 % führt. Diese Verringerung des Reibungskoeffizienten führt zu einer proportionalen Verringerung des Energieverbrauchs des Gesamtsystems, wenn man die spezifische Lagerung des Hebesystems berücksichtigt, da der Wirkungsgrad wesentlich durch den Reibungskontakt zwischen Spindel und Mutter beeinflusst wird. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die ursprüngliche, durch den Wirbelprozess texturierte Oberfläche einer Gewindespindel auch nach einer experimentell nachgebildeten Lebensdauer von 10 Jahren noch weitgehend intakt ist. Dies deutet darauf hin, dass der Anteil der Festkörperreibung, bei der die Rauheitsspitzen von Spindel und Mutter in direktem Kontakt stehen, reduziert werden konnte. Mit den vorgestellten Oberflächentexturen konnte der adhäsive Verschleiß an der Gewindeflanke in der Versuchsreihe 4 auf 10,1 % reduziert werden, gegenüber 36,3 % bei einer gerollten Gewindespindel.

Obwohl im Test die gesamte Betriebsdauer von 10 Jahren einer Gewindespindel emuliert wurde, wird die Lebensdauer der Gewindemutter nicht dargestellt. Während nur ein Teil der Spindel tribologischem Kontakt ausgesetzt ist, unterliegt das Innengewinde der Mutter einer kontinuierlichen Belastung, was zu einer deutlich längeren Exposition gegenüber tribologischen Wechselwirkungen führt. Zukünftige Untersuchungen könnten diesen Aspekt des Reibsystems stärker in den Fokus rücken, insbesondere angesichts der Herausforderung, den Verschleiß der Mutter zu messen. Ein weiterer positiver Effekt einer Gewindespindel mit ausgeprägter Oberflächenstruktur könnte die Verringerung des Verschleißes des Gegenreibkörpers, in diesem Fall der Mutter, sein.

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Danksagung

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für die Förderung sowie dem Projektpartner Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG für die konstruktive und enge Zusammenarbeit.

Förderung

Die Untersuchungen wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen der Zentralen Innovationsförderung finanziert.

Beitrag der Autoren

B. Denkena hat zusammen mit B. Bergmann das Manuskript geprüft und bearbeitet. C. Wege entwickelte das Konzept dieser Arbeit, führte die Experimente durch, analysierte die Daten und verfasste das Manuskript. M. von Soden und H. Gereke-Bornemann stellten die Werkzeuge her und stellten den Versuchsaufbau bereit.

Förderung

Die Open-Access-Finanzierung wurde durch Projekt DEAL ermöglicht und organisiert.

Interessenkonflikt

B. Denkena, B. Bergmann, C. Wege, M. von Soden und H. Gereke-Bornemann erklären, dass keine Interessenskonflikte bestehen.

Open Access

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• Springer Nature, 24.05.2024