A243
Entwicklung eines erweiterten Berechnungsverfahrens zur Ermittlung optimaler Zahnflankentragfähigkeit bis in den Bereich großer Werkstofftiefen
(A243 S 24/10142/2007)
Laufzeit der Forschungsarbeiten: 1. Januar 2008 - 31. Dezember 2010
Die Zahnflankentragfähigkeit stellt bei einsatzgehärteten Zahnrädern eine die Lebensdauer bestimmende Größe dar. Durch Variation von Werkstoff- und Wärmebehandlungsparametern kann dabei die Flankentragfähigkeit maßgebend beeinflusst werden. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben zu Empfehlungen und Berechnungsverfahren geführt, die eine Optimierung der Wärmebehandlung ermöglichen. Schwerpunkt dieser Untersuchungen bildete dabei die Schadensart Grübchenbildung, bei der der Schadensausgang primär an der Oberfläche bzw. im oberflächennahen Randbereich erfolgt.
In der Praxis treten bei hochbelasteten, oberflächengehärteten Zahnradstufen jedoch auch immer wieder Schadensfälle auf, bei denen von einer primären Rissentstehung in größeren Werkstofftiefen ausgegangen wird. Diese Schäden werden sowohl in Stirnrad- als auch in Kegelradgetrieben mit oberflächengehärteten Zahnrädern für unterschiedliche Einsatzgebiete beobachtet. Die Folgen sind meist gravierend und führen in der Regel zum kompletten Ausfall der betroffenen Getriebestufe, wobei der Ausfall im Allgemeinen plötzlich und unerwartet auftritt.
Der erwartete Ausgangsort einer Schädigung wird einerseits maßgebend durch die Verzahnungsgeometrie und hierbei in erster Linie durch den örtlichen Ersatzkrümmungsradius beeinflusst. Andererseits spielt die durch die Wärmebehandlung resultierende lokale Beanspruchbarkeit des Werkstoffes, die unter anderem durch die Parameter Oberflächen- und Kernhärte sowie Einsatzhärtungstiefe und Eigenspannungszustand beeinflusst wird, eine wichtige Rolle.
Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine erweiterte, ganzheitliche Berechnungsgrundlage zur Zahnflankentragfähigkeit unter besonderer Berücksichtigung von Beanspruchungszustand, Werkstofffestigkeit und Schadensart von der Oberfläche bis in größere Werkstofftiefen zu erarbeiten. Diese erweiterte theoretische Betrachtung auf Basis des örtlichen Konzepts ermöglicht die Feststellung versagenskritischer Werkstoffbereiche im gesamten Zahnvolumen und bietet damit die Möglichkeit, Beanspruchungs- und Festigkeitsprofil über der Werkstofftiefe in optimierter Weise aufeinander abzustimmen. Hierbei sollen die experimentellen Untersuchungen die getroffenen theoretischen Überlegungen stützen und fundierte Festigkeitskennwerte liefern. Ausgehend von den theoretischen und experimentellen Untersuchungen sollte weiterhin ein praxisorientierter Beurteilungsansatz abgeleitet werden, mit dem basierend auf wenigen Eingabeparametern bereits in der Getriebeauslegungsphase eine erste Abschätzung der Gefährdung einer Zahnradstufe hinsichtlich der Schadensart Flankenbruch getroffen werden kann.
Im Rahmen von umfangreichen systematischen experimentellen Untersuchungen wurde die Tragfähigkeit hinsichtlich der Schadensart Flankenbruch an Prüfverzahnungen aus 20MnCr5 und 18CrNiMo7-6 ermittelt. Aus den Ergebnissen konnten werkstoffspezifische Wöhlerdiagramme mit einem Zeit- und einem Dauerfestigkeitsbereich abgeleitet werden. Grundlegende Untersuchungen zum Einfluss von Überlasten zeigten, dass auch bei der Schadensart Flankenbruch eine Art Schadenslinie vorliegt, bei deren Überschreitung es zu einer Minderung der Dauerfestigkeit kommen kann. Ergänzende Untersuchungen zum Einfluss des Eingriffswinkels, der Einsatzhärtungstiefe und der Verzahnungsgeometrie lieferten weitere Erkenntnisse hinsichtlich der Schadensart Flankenbruch.
Im Rahmen der theoretischen Arbeiten wurde eine höherwertige Beurteilungsmöglichkeit für Schäden an und insbesondere unterhalb der Bauteiloberfläche nach dem FZG-Modell für Stirnradflankenbruch vorgestellt und erweitert. Ausgehend von diesen Modellvorstellungen wurde weiterhin ein praxisorientierter Beurteilungsansatz zur Abschätzung der Gefährdung einer Zahnradstufe hinsichtlich Flankenbruch entwickelt und verifiziert, mit dem bereits in der Getriebeauslegungsphase eine entsprechende Abschätzung möglich ist. Dieser Beurteilungsansatz wurde zur Überprüfung und weiteren Anwendung in dem Berechnungstool „Werkstoffgefährdung Flankenbruch WgFb“ umgesetzt.
Forschungsstelle:
Lehrstuhl für Maschinenelemente Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), Garching
www.fzg.mw.tum.de
Forschungsleiter:
Prof. Dr.-Ing. B.-R. Höhn
(vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V., VDMA für FVA, Frankfurt)
Das Forschungsvorhaben wurde gefördert von der Stiftung Stahlanwendungsforschung im Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft e.V.
Bezugsquelle Schlussbericht:
bitte wenden Sie sich an die AVIF