In a rolling contact, the tribological properties in terms of friction, wear, and fatigue are significantly influenced by the surface roughness. Due to solid contact of the surfaces in the contact area, the roughness and thus also the tribological properties change during the service life of the contact. The initial load leads to major changes of the tribological properties figured out by Brecher et al. (2019, “Influence of the Metalworking Fluid on the Micropitting Wear of Gears,” Wear, 61(434–435), p. 202996). Prediction of the initial changes in topography in the contact area is necessary for specific optimization of rolling contacts. Especially for dry rolling–sliding contact, the roughness of the surfaces is crucial for the lifetime, which is part of the investigations within the DFG priority program 2074 (357505886). In this work, an elastic-plastic contact algorithm for calculating plastic deformation for dry contact of rough surfaces with large contact area and high resolution is presented. Due to the nonlinearity behavior associated with plastic deformation, the plastic contact algorithm is based on an iterative approach. An optimized meshing strategy is implemented to calculate the elastic pressure distribution on the surface. Corresponding to the two-dimensional pressure distribution, the three-dimensional stress distribution allows the consideration of residual stresses and interactions of the microscopic peaks of the rough surface. Furthermore, the three-dimensional plastic strain distribution allows the application of an analytical approach to represent the plastic deformation of the surface. Finally, the solution of a plastic contact calculation with an exemplary topography measured on a real rough surface is presented.

Zusammenfassung: Der Zahnkontakt wird in Zahnradgetrieben in der Regel mit flüssigem Schmierstoff, wie beispielsweise Öl oder Fett geschmiert. Jedoch führen extreme Betriebsbedingungen, wie beispielsweise hohe Druck- und Temperaturschwankungen, bei flüssigen Schmierstoffen zum Ausfall der positiven Schmiereigenschaften. Für den Einsatz von Zahnradgetrieben unter fluidfreien Betriebsbedingungen bieten Festschmierstoffe eine alternative Schmierung im Wälzkontakt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Kenntnis über die Wirkmechanismen im PVD-beschichteten (Physical Vapour Deposition – Physikalische Gasphasenabscheidung) und fluidfreien Wälzkontakt. Für den fluidfreien Einsatz im Zahnkontakt wurde ein Schichtsystem auf Basis von Molybdändisulfid im Zahnrad-Analogieversuch auf dem Zwei-Scheiben-Reibkrafttribometer untersucht. Anhand der Charakteristik der Reibkraft kann zwischen einer Gebrauchs- und Lebensdauer unterschieden werden. Dabei zeigt die Lebensdauer eine bessere Wiederholgenauigkeit als die Gebrauchsdauer. Für die Kenntnisse über die Verschleißmechanismen wurden in Bezug auf Gebrauchsdauer und Lebensdauer Versuche mit Intervallbetrieb durchgeführt und ausgewertet. Die Verschleißanalyse der Kontaktfläche auf der Prüfwelle zeigt, dass sich bereits zu Beginn einer instationären Reibungsphase im Prüflauf ein starker Verschleiß in einem großen Teil der Laufbahn entwickelt hat.

Gear systems operate under high mechanical and tribological loads, making their surfaces vulnerable to wear and fatigue. Improving surface durability requires finishing processes that improve near-surface properties and extend service life. Since machine hammer peening (MHP) offers such potential, this study investigates its influence on the performance of case-hardened spur gears and evaluates its suitability as an alternative to shot peening as a conventional finishing method. Analog specimens with simplified geometries were treated using various MHP parameters to identify effective process settings. These optimized settings were then applied to real spur gears to assess performance under practical conditions. The experiments showed that MHP can significantly modify surface integrity, achieving surface roughness reductions of up to 55%, surface hardness increases of up to 30%, and compressive residual stresses exceeding −1400 MPa with stability to depths of 200 µm. These modifications resulted in improved wear and fatigue performance, with increases in load cycle number in the tooth flank up to 99% and an increase in load amplitude in the tooth root of more than 5%. For comparison, specimens were also treated with shot peening. Although MHP induced stronger surface integrity modifications, shot peening achieved higher overall load-carrying capacity because several critical areas could not be fully accessed by MHP, limiting its effectiveness. Overall, MHP shows promise as a finishing process, but its full potential depends on overcoming accessibility limitations in complex gear geometries.

For special applications, the lubrication of gearboxes with liquid lubricants is not feasible. Liquid lubricants lose their positive lubricating properties when exposed to high contact stress and temperature fluctuations, for example. In the food industry and medical technology, liquid lubricants are often not permitted due to hygiene regulations. Solid lubricants offer an approach to implement dry tooth contacts. In this report, three different solid lubricant coating systems are investigated under different operating conditions. The focus of the experi mental investigation is the application behavior in terms of friction force and wear behavior. In a direct comparison, the MoS2:Ti-TiN coating system achieves the highest load level and exhibits a station ary frictional force behavior compared to the a-C:H:Ti-TiN coating system. In the wear investigation, continuous coating wear was found in addition to coating delamination. The layer wear correlates with an increasing friction force in interval operation.

Zusammenfassung: Der Einsatz von Flüssigschmierstoffen in Zahnradantrieben ist aufgrund der Schmierstoffeigenschaften, zum Beispiel durch Hygienerichtlinien oder hohe Temperaturschwankungen, eingeschränkt. Festschmierstoffe sind eine Alternative zu Flüssigschmierstoffen in Zahnradantrieben. Die Anforderungen an den Schmierstoff im Zahnflankenkontakt werden jedoch von einem Festschmierstoff nicht in gleichem Maße erfüllt wie von einem Flüssigschmierstoff. Der Stand der Forschung zeigt, dass das Einsatzverhalten in Bezug auf die Reibungskraft und die Prüflingstemperatur nicht stationär ist. Zur Kenntnis des Einsatz- und Verschleißverhaltens im Zahnflankenkontakt werden Prüfzahnräder mit einem MoS2:Ti-TiCN Festschmierstoffsystem beschichtet und in Laufversuchen analysiert. Der Vergleich der Lastspielzahlen bei zwei verschiedenen Belastungsstufen zeigt, dass die Lebensdauer des feststoffgeschmierten Zahnradsatzes mit zunehmendem Drehmoment abnimmt. Bei der Analyse der Zahnflanken nach den Laufversuchen lassen sich verschiedene Verschleißerscheinungen feststellen. Es kann zwischen Verschleiß der Festschmierstoffschicht, lokalem Schichtversagen und vollständigem Schichtversagen unterschieden werden. Die mikroskopische Verschleißanalyse zeigt, dass der Verschleiß an Ritzel und Rad unterschiedlich stark ist. Tendenziell ist ein höherer Verschleiß in den Bereichen mit hohen Gleitgeschwindigkeiten in Kombination mit negativem Schlupf zu beobachten. Für zukünftige Laufversuche mit trockenen und feststoffgeschmierten Zahnrädern muss die Früherkennung von Schichtversagen untersucht werden. Darüber hinaus ist die Übertragbarkeit des Verschleißes vom Zwei-Scheibe-Kontakt auf den Zahnflankenkontakt zu untersuchen.

Foreword The International Conference on Gears in Garching near Munich, Germany, is an established platform for researchers on and manufacturers of gears and transmission systems. At the 10th issue of the conference in September of 2023, gear experts discussed the latest developments and research results from the powertrain industry and academia. Given the increasing challenges of climate change and its impacts, acting in compliance with the UN Sustainable Development Goals is mandatory for all engineers today. Gear engineers must consider these objectives in their research and development activities and provide solutions that meet the technical requirements and contribute to achieving the UN goals. Greenhouse gas (GHG) emission is a primary driver for climate change. Reducing GHG emissions should be an urgent action for the combat against climate change. Therefore, the research on efficiency is assigned a key role. Several contributions in this report discuss the possibilities for further improvement in efficiency from different points of view, like gear design or lubrication. Other subjects of the conferences are Responsible Consumption and Production. H...