Komplexe Schadensmechanismen verstehen - Interview mit Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge

Prof. Tenberge studierte Maschinenbau an der Ruhr-Universität in Bochum. Nach der Promotion entwickelte er hydrostatisch leistungsverzweigte Getriebe bei der ZF in Friedrichshafen und war danach mehrere Jahre beim Wälzlagerhersteller Schaeffler zuerst für die Zentrale Technik und später den Produktbereich Motorenelemente verantwortlich. In der Zeit wurden unter seiner Leitung reibungsarme Wälzlagerkäfige wie der Scheibenkäfig und die ersten Nockenwellenversteller der Schaeffler- Gruppe entwickelt und später erfolgreich im Markt eingeführt. Seit 1994 ist Prof. Tenberge zuerst in Chemnitz und seit 2012 in Bochum als Hochschullehrer tätig. Hier forscht, lehrt und publiziert er zu Fahrzeuggetrieben und zu örtlichen Belastungen und Verschleißmechanismen an Zahnrädern und Wälzlagern.

Was macht Gleit- und Wälzlager für Sie besonders interessant?

In allen Maschinen gibt es relativ zueinander bewegte Teile, zwischen denen Kräfte wirken und Reibungskräfte Verlustleistungen erzeugen. Überall dort werden Gleit- oder Wälzlagerungen eingesetzt. Sie dienen dazu, die Verlustleistungen in diesen Kontaktstellen zu reduzieren. Dabei sollen sie klein, leicht und wartungsarm, ja sogar möglichst wartungsfrei sein.

Das hört sich so einfach an, ist aber schwer zu erreichen. In Wälzlagern entsprechen die höchsten noch zulässigen Belastungen einer Pressung, die ein 40 t-Lkw auf einen kleinen Fingernagel ausüben würde. Solche Belastungen hält ein Wälzlager viele tausend Male aus, weil hier die besten Werkstofflegierungen in höchster Reinheit zu Bauteilen mit präzisen Formen und glatten Oberflächen mit feinsten definierten Strukturen verarbeitet werden.

Die Kontakte der gehärteten und geschliffenen Wälzlagerbauteile werden mit ebenfalls im Detail spezifizierten und mit Additiven verfeinerten Ölen oder Fetten geschmiert. Ab bestimmten spezifischen Belastungen wirken in den Bauteilen von Gleit- und Wälzlagerungen Schadensmechanismen, die zuerst die Bauteile schwächen und die schließlich zu Schäden führen, die keine weitere Nutzung der Bauteile mehr zulassen. Um diese Mechanismen zu verstehen arbeiten Konstrukteure, Werkstofftechniker, Fertigungstechniker, Tribologen und Messtechniker zusammen. Die Erkenntnisse sollen helfen, Gleit- und Wälzlagerungen auch in Zukunft immer weiter zu verbessern.

Was sind die größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Gleit- und Wälzlagern?

Wir wollen heute genau verstehen, was bei zyklischen Belastungen und Dehnungen in den geschmierten Kontakten von Gleit- und Wälzlagerungen an den Oberflächen und unter den Oberflächen in den Bauteilen passiert. Gleit- und Wälzbewegungen führen z.B. in Wälzlagern zu hohen Kontaktbelastungen und Scherbeanspruchungen, die ein oberflächennahes Gefüge verzerren. Das kann zu Oberflächenrissen führen. Rauhigkeiten stellen Kerben dar, an denen Risse noch leichter auftreten.

Vernetzte Risse führen zu kleinsten Materialausbrüchen. In geschmierten Kontakten sind die Scherbeanspruchungen kleiner. Chemische Reaktionen zwischen dem Schmierstoff und dem Oberflächenmaterial führen zu dünnsten Grenzschichten, die bei Scherbeanspruchung nur verschoben werden ohne das Grundmaterial zu schädigen. Wenn sich diese Schichten schneller erneuern als sie abgetragen werden, verringert sich der Oberflächenverschleiß auf vernachlässigbare Werte (3 nm/h). Unter den Oberflächen wirken Schubspannungsamplituden auf ein möglichst feinkörniges Gefüge mit vielen kleinsten und möglichst wenigen größeren Fehlstellen.

Im Gefüge überlagern sich die Spannungen aus den äußeren Lasten und die Eigenspannungen aus Fertigung samt Wärmebehandlung. Zyklische Belastungen bewirken einen Energieeintrag ins Material, der chemische Prozesse aktiviert und das Material verändert. Bei zyklischen Belastungen entstehen auch hier Risse, die das Material schwächen und das Risswachstum erst wenig, aber dann immer stärker beschleunigen. Am Ende brechen die Bauteile. Die Schadensmechanismen sind aber noch viel komplexer als jetzt hier skizziert. Wir wollen und müssen das aber verstehen, denn nur dann können wir Lagerungen entwickeln, die noch länger den hohen spezifischen Belastungen standhalten.

Warum engagieren Sie sich im Programmausschuss der VDI-Fachtagung Gleit- und Wälzlager?

Schon als Student kam ich vor nun bald 40 Jahren zum VDI. VDI-Fachtagungen waren schon damals gute Foren, um mit Fachkollegen zu diskutieren. Vor ca. 20 Jahren wurde ich Mitglied im VDI-Fachbeirat, der sich mit Konstruktionselementen wie Getrieben und Lagerungen befasst. Die Mitarbeit in mehreren Programmausschüssen des VDI zu Tagungen rund um Konstruktionselemente bringt mich immer wieder mit Fachkollegen in Kontakt und ermöglicht mir einen einfachen Zugang zum Stand der Technik.

Was ist Ihr persönlicher Antrieb?

Bedeutende Innovation schaffen diejenigen, die das vermeintlich Unmögliche versuchen, das aber mit Augenmaß und auf einem festen Fundament der Grundlagen.

Ihr Rat an Nachwuchskräfte, die im Bereich Gleit- und Wälzlager arbeiten möchten:

Viele Leute neigen dazu, technische und andere Probleme nach dem ersten Augenschein zu beurteilen und dann untaugliche Lösungen vorzuschlagen. Tatsächlich sind die Dinge aber oft sehr komplex und es gibt Wechselwirkungen zwischen einzelnen Phänomenen im Detail, die manchmal nicht leicht erkennbar sind. Um Produkte nachhaltig zu verbessern oder Probleme nachhaltig zu lösen, muss man sich genau für diese Details interessieren. Das gelingt umso besser, je stärker das Denken auf den Grundlagen der Mathematik, Mechanik, Werkstofftechnik, Tribologie, Thermodynamik, etc. basiert. Georg Schaeffler war für mich ein großes Vorbild in dieser Art zu denken und zu handeln.

Vielen Dank!

  Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge
  Fakultät für Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum


Quelle: Getriebe aktuell, 7. Ausgabe, Oktober 2015