Skip to main content
SpringerLink
Log in

Self-lubricating gears with oil-impregnated sintered materials

Selbstschmierende Zahnräder aus schmierstoffgetränktem Sintermaterial

  • Originalarbeiten/Originals
  • Published:
Forschung im Ingenieurwesen Aims and scope Submit manuscript

Abstract

This study shows the first results on the operating behavior of self-lubricating gears based on oil-impregnated sintered material. The term self-lubrication is referred to as oil that bleeds from the open-pored sintered gear and providing lubrication to the gear contact. Experiments were carried out at the FZG efficiency gear test rig. Thereby, the pinion was made of open-pored, case-hardened sintered steel and impregnated with oil, and the wheel was made of conventional case-hardened steel. The total loss in torque and the bulk temperatures of the pinion and wheel were measured for various operating conditions defined by load and circumferential speed. The mean coefficient of friction in the gear contact was derived from the torque loss measurements. Results confirm that self-lubricating tribological systems with oil-impregnated sintered materials can be transferred from model test rigs to gears. The mean coefficient of friction shows the order of magnitude of externally lubricated gears. The tooth flanks after test runs show partially noticeable wear. As the heat dissipation of self-lubrication is limited, bulk temperatures and thermal load limits influence operating behavior significantly. Further work will focus on understanding the mechanisms of the lubricant film formation of self-lubricated, highly-loaded EHL contacts and on extending the thermal load limits.

Zusammenfassung

Dieser Bericht zeigt erste Untersuchungsergebnisse zum Betriebsverhalten selbstschmierender Zahnräder aus schmierstoffgetränktem Sintermaterial. Der Begriff Selbstschmierung bezieht sich dabei auf den Austritt des Schmierstoffs aus dem getränkten, offenporigen Sintermaterial während des Betriebs, was zu einer Schmierung des hochbelasteten Zahnradkontaktes ohne externe Schmierstoffzufuhr führt. Die Untersuchungen wurden am FZG-Wirkungsgradprüfstand durchgeführt. Das Ritzel aus offenporigem Sintermaterial wurde mit Schmierstoff getränkt und mit einem konventionellen Rad aus einsatzgehärtetem Stahl gepaart. Unter verschiedenen Betriebsbedingungen wurden die Massentemperaturen von Ritzel und Rad sowie das Gesamtverlustmoment gemessen. Letzteres war Grundlage zur Ableitung der mittleren Verzahnungsreibungszahl. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass das selbstschmierende tribologische System basierend auf schmierstoffgetränktem Sintermaterial auf Verzahnungen anwendbar ist und die mittleren Verzahnungsreibungszahlen mit konventionell geschmierten Verzahnungen vergleichbar sind. Jedoch zeigen die Zahnflanken nach den Versuchen teilweise deutlichen Verschleiß. Durch die eingeschränkte Wärmeabfuhr bei Selbstschmierung bestimmen die vorliegenden Massentemperaturen und die thermische Belastungsgrenze maßgeblich das Betriebsverhalten. Künftige Untersuchungen werden sich detailliert mit den Mechanismen zum Schmierfilmaufbau selbstschmierender hochbelasteter EHD-Kontakte sowie mit der Erweiterung der thermischen Belastungsgrenzen befassen.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12

Similar content being viewed by others

References

  1. Balasoiu AM, Braun MJ, Modovan SI (2013) A parametric study of a porous self-circulating hydrodynamic bearing. Tribol Int 61:176–193. doi:10.1016/j.triboint.2012.12.015

    Article  Google Scholar 

  2. Bartz WJ, Rübenbach F (1993) Selbstschmierende und wartungsfreie Gleitlager [Self-lubricating and maintenance-free bearings]. Expert Verlag, Ehningen bei Böblingen, first edition, pp 35–51

    Google Scholar 

  3. Deutsche Edelstahlwerke GmbH (2011) Materialdatenblatt für 1.7131/1.7139 (16MnCr5/16MnCrS5) [Material data sheet of 1.7131/1.7139 (16MnCr5/16MnCrS5)]. Witten

  4. DIN 30910-4:2010-03 (2010) Sintermetall – Werkstoff-Leistungsdatenblätter (WLB) – Teil 4: Sintermetalle für Formteile [Sintered metal materials – Sintered-material specifications – Part 4: Materials for structural parts]

  5. Dizdar S (2013) Pitting resistance of sintered small-module gears. Proceedings of the institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology 227, pp. 1225–1240

    Google Scholar 

  6. Doleschel A (2003) Wirkungsgradberechnung von Zahnradgetrieben in Abhängigkeit vom Schmierstoff [Efficiency calculation of gear drives depending on the lubricant]. Dissertation, Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  7. Ebner M, Lohner T, Michaelis K, Stemplinger J‑P, Höhn B‑R, Stahl K (2016) Self-Lubricated Elastohydrodynamic (EHL) Contacts with Oil-Impregnated Sintered Materials. TAE Esslingen 20th International Colloquium Tribology Industrial, and Automotive Lubrication, Esslingen, Germany

    Google Scholar 

  8. Ebner M, Lohner T, Weigl A, Michaelis K, Stemplinger J‑P, Höhn B‑R, Stahl K (2016) Hochbelastete und schmierstoffgetränkte Wälzpaarungen aus Sintermaterial ohne externe Schmierstoffzuführung [Self-Lubricated Elastohydrodynamic (EHL) Contacts with Oil-Impregnated Sintered Materials]. Tribologie und Schmierungstechnik 63(3):22–30

    Google Scholar 

  9. Emrich S, Lohner T, Ziegltrum A, Brodyanski A, Merz R, Stahl K, Kopnarski M (2016) Charakterisierung von triboindizierten Schichten in Abhängigkeit des Schmierstoffs bei Verzahnungen [Tribofilm characterization depending on the lubricant in gear contacts]. 57. Tribologie Fachtagung, Gesellschaft für Tribologie e.V., Esslingen

    Google Scholar 

  10. Hinterstoißer M (2013) Zur Optimierung des Wirkungsgrades von Stirnradgetrieben [On the opimization of gear efficiency of cylindrical gear drives]. Dissertation, Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  11. ISO 14179-2 (2001) Gears – Thermal capacity – Part 2: Thermal load-carrying capacity

  12. Jurkschat T, Otto M, Stahl K (2015) Nr. 364/IV- Heft 1145 – Erweiterung von LAGER2 zur Dimensionierung von Wälzlagern in Industriegetrieben: Verlustleistung und Betriebstemperatur [Extension of LAGER2 for dimensioning of roller bearings in industrial gear drives: power loss and operating temperatures]. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V., Frankfurt on theMain. FVA, Germany

  13. Kaneko S, Obara S (1990) Experimental Investigation of Mechanism of Lubrication in Porous Journal Bearings: Part 1 – Observation of Oil Flow in Porous Matrix. J Tribol 112(4):618–623

    Article  Google Scholar 

  14. Kurth F, Geiger J, Sedlmair M, Stangl M, Otto M, Stahl K (2016) Benutzeranleitung FVA-EDV Programm Wtplus. [User’s manual FVA-EDV program Wtplus]. Version 2.2.1., FZG (Gear Research Centre), Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  15. Laukotka EM (2007) FVA-Heft Nr. 660 – Referenzöle Datensammlung [Reference Lubricants Data Collection]. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V., Frankfurt/Main

    Google Scholar 

  16. Lipp K (1997) Oberflächenzerrüttung von Sinterstählen unter konstanter und veränderlicher Hertzscher Pressung mit überlagerter Reibung (Schlupf) [Disruption of surface of sintered steel under constant and changing Hertzian pressure overlaid with friction (slip)]. Fraunhofer Institut für Betriebsfestigkeit LBF, Bericht Nr. FB-210, ISSN 0721-5320, Darmstadt

    Google Scholar 

  17. Lohner T (2016) Berechnung von TEHD Kontakten und Einlaufverhalten von Verzahnungen [Calculation of TEHL contacts and running-in behavior of gears]. Dissertation, Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  18. Lohner T, Mayer J, Michaelis K, Höhn B‑R, Stahl K (2017) On the Running-In Behavior of Lubricated Line Contacts. J Eng Tribol 231(4):441–452. doi: 10.1177/1350650115574869

    Google Scholar 

  19. Lohner T, Merz R, Mayer J, Michaelis K, Kopnarski M, Stahl K (2015) On the Effect of Plastic Deformation (PD) Additives in Lubricants. Tribologie und Schmierungstechnik 62:13–24

    Google Scholar 

  20. Markart M (2016) Experimentelle Untersuchungen zu selbstschmierenden Zahnrädern aus schmierstoffgetränkten Sintermaterial am FZG-Wirkungsgradprüstand. [Investigations on self-Lubricating highly-loaded rolling-sliding contacts at the FZG efficiency gear test rig]. Bachelor Thesis, Chair of Machine Elements, Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  21. Matzner A, Macieszewski A, Franek F (1991) Einsatzgrenzen für Sintergleitlager [Limitations in sintered plain bearings]. Tribologie und. Schmierungstechnik, vol. 38., pp 31–35

    Google Scholar 

  22. Mauz W (1985) Hydraulische Verluste bei Tauch- und Einspritzschmierung von Zahnradgetrieben [Hydraulic losses of dip and spray lubricated gear drives]. Dissertation, Universität Stuttgart, Germany

    Google Scholar 

  23. Michaelis K (1987) Die Integraltemperatur zur Beurteilung der Fresstragfähigkeit von Stirnrädern. [The Integral Temperature for Evaluating the Scuffing Load Capacity of Cylindrical Gear Transmissions]. Dissertation, Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  24. Morgan VT, Cameron A (1957) paper. Mechanism of lubrication in porous metal bearings. Proceedings of the 1957 Conference on Lubrication and Wear, Institute of Mechanical Engineering, vol. 59, pp 151–157

    Google Scholar 

  25. Neubauer B, Weinberger U, Otto M, Stahl K (2016) FVA-Nr. 571/II- Heft 1197 – Berechnung der Lastverteilung in Getriebesystemen mit beliebig angeordneten Planetenradstufen. [Calculation of load distribution in gear drives systems with various arranged planetary gears]. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V., Frankfurt/Main

    Google Scholar 

  26. Pahl W, Goller K (2013) Selbstschmierende Sintergleitlager [Self-lubricating sintered plain bearings]. Tribologie und Schmierungstechnik, vol. 60, pp 36–43

    Google Scholar 

  27. Sandner C, Ratzi R, Lorenz B, Tobie T (2002) Sintered gears – achievable load-carrying capacities by conventional and new production methods. VDI-Report Nr. 1665 Int Conf Gears Munich VDI-Verlag 200(2):295–310

    Google Scholar 

  28. Scheichl B, Neacsu IA, Kluwick A (2015) A novel view on lubricant flow undergoing cavitation in sintered journal bearings. Tribol Int 88:189–209. doi:10.1016/j.triboint.2015.02.014

    Article  Google Scholar 

  29. Schlenk L (1995) Untersuchungen zur Fresstragfähigkeit von Großzahnrädern [Invstigations on the Scuffing Load Capacity of Bull Gears]. Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  30. Gruppe SKF (2004) Wälzlager Hauptkatalog [Bearings Main Catalogue]

    Google Scholar 

  31. Strehl R (1997) Tragfähigkeit von Zahnrädern aus hochfesten Sinterstählen. [Carry capacity of gears made of high-tensile sintered steel]. Dissertation, Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen

    Google Scholar 

  32. Wimmer A (2006) Lastverluste von Stirnradverzahnungen [Load-dependent losses of cylindrical gears]. Dissertation, Technical University of Munich, Germany

    Google Scholar 

  33. Yoshida A (1994) Comparison of Surface Durability & Dynamic Performance of Powder Metal & Steel Gears. 1994 International Gearing Conference, University of Newcastle upon Tyne. Mechanical Engineering Publications Ltd, Londo

    Google Scholar 

  34. Zapf G (1981) Handbook of manufacturing technology, Volume 1. Handbuch der Fertigungstechnik, vol. I. Carl Hanser, München Wien

    Google Scholar 

  35. Ziegltrum A, Lohner T, Stahl K (2017) TEHL simulation on the influence of lubricants on load dependent gear losses. Tribol Int 113:252-261. doi:10.1016/j.triboint.2016.12.018

    Google Scholar 

Download references

Acknowledgements

FZG would like to thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation, HO 1339/49-1), as well as the participating company, Miba, for their kind sponsorship of this research project, which focuses on self-lubricated, highly-loaded contacts under rolling-sliding conditions with oil-impregnated sintered materials.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Gear Research Centre (FZG), Technical University of Munich (TUM), Boltzmannstraße 15, 85748, Garching, Germany

    Martin Ebner, Thomas Lohner, Klaus Michaelis, Bernd-Robert Höhn & Karsten Stahl

Authors
  1. Martin Ebner
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Thomas Lohner
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Klaus Michaelis
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. Bernd-Robert Höhn
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  5. Karsten Stahl
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Martin Ebner.

Appendix

Appendix

Table 4 Nomenclature
Full size table

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Ebner, M., Lohner, T., Michaelis, K. et al. Self-lubricating gears with oil-impregnated sintered materials. Forsch Ingenieurwes 81, 175–190 (2017). https://doi.org/10.1007/s10010-017-0227-z

Download citation

  • Received:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10010-017-0227-z

Search

Navigation