Experimentelle Untersuchung und Strömungssimulation zur Beschreibung von Schleppmomenten in ölgekühlten Lamellenkupplungen

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Beschreibung von Schleppmomenten in ölgekühlten Lamellenkupplungen auf der Grundlage von experimentellen Untersuchungen und Strömungssimulation. Die sogenannten Schleppmomente treten im geöffneten Zustand der Kupplung auf und sind ungewollte Reibmomente, welche durch die Viskosität des Kühlöls und durch eine Differenzdrehzahl zwischen den Kupplungslamellen entstehen. Mit der Untersuchung von geometrischen bzw. konstruktiven Einflussfaktoren sowie den fluiddynamischen und werkstofflichen Kenngrößen, welche das Schleppmoment beeinflussen, soll zur Steigerung des Wirkungsgrads und der Lebensdauer von Lamellenkupplungen beigetragen werden.Im Rahmen dieser Arbeit wurden die werkstofflichen Eigenschaften der Reibbeläge der Belaglamellen mit Anfahrtests am Getriebeprüfstand gezielt verändert. Dabei wurden die Anfahrdrehzahl, das Anfahrmoment und die Anfahrzeit auf Basis eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Veränderung des Schleppmoments über die Versuchsdauer wurde gemessen und die Differenz aus Start- und Endwert zur Modellbildung mittels statistischer Versuchsplanung genutzt. Die gealterten Reibbeläge wurden mit topographischer und thermogravimetrischer Analyse sowie Härte- und Permeabilitätsmessung charakterisiert. Daraus wurden werkstoffliche Kenngrößen zur Bewertung des Beanspruchungszustands abgeleitet.Weiterhin erfolgten die Beschreibung des Strömungsbilds und die Modellbildung zur Berechnung des Schleppmoments mittels Strömungssimulation auf Basis von ANSYS CFX. Mit dem Modell konnte das Einsaugen von Luft in den Lüftspalt abgebildet werden. Die Strömung wurde in den Berechnungen als laminar und das Öl-Luft-Gemisch als homogenes Fluid ohne Phasengrenzen modelliert. Neben der Energiegleichung für das Öl und die umgebenden Festkörper wurde ein Gaskavitationsmodell in das Modell aufgenommen. Die Visualisierung des Strömungsbilds und die Messung des Schleppmoments zur Validierung der Ergebnisse erfolgte dazu an einem Prüfstand mit einer Paarung aus einer Belaglamelle und einer Glasscheibe. Beim Abgleich der simulierten Schleppmomentkurve mit Messdaten vom Prüfstand wurde diese Kurve in vier Phasen eingeteilt. Mit dem abgeglichenen Modell erfolgte weiterhin eine Parametervariation von Nutdesign, Lüftspiel, Öltemperatur und Ölvolumenstrom.