A271

Entwicklung eines erweiterten Berechnungsverfahrens zur Ermittlung optimaler Zahnflankentragfähigkeit bis in den Bereich großer Werkstofftiefen - Ergänzungsversuche zur Verifizierung an größeren Zahnrädern

(A271 S 24/10181/2010) Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. November 2011 – 31. August 2012 Im Rahmen vorangegangener Forschungsarbeiten an Zahnrädern traten neben den bekannten Schäden wie Grübchen, Grauflecken und Zahnfußbruch bei bestimmten Bedingungen auch Schäden mit Bruchausgang unterhalb der Bauteiloberfläche, sogenannte Zahnflankenbrüche, auf. Gegenstand des Basisvorhabens A 243 „Entwicklung eines erweiterten Berechnungsverfahrens zur Ermittlung optimaler Zahnflankentragfähigkeit bis in den Bereich großer Werkstofftiefen“ waren daher Untersuchungen zur Entstehung der Schadensart Flankenbruch mit verschiedenen Prüfverzahnungen der Baugröße a = 200 mm bei Modul = 3 mm und Modul = 5 mm, sowie die Entwicklung eines praxisfähigen Berechnungsansatzes zur Vorhersage einer Flankenbruchgefährdung. Dieser Berechnungsansatz sollte im Rahmen dieses Ergänzungsvorhabens an Verzahnungen größerer Baugröße überprüft und validiert werden. Zudem sollte die Schadensentstehung hinsichtlich des Baugrößeneinflusses untersucht werden. Es wurde daher eine Prüfverzahnung der Baugröße Modul = 10 mm ausgelegt und am Großgetriebeprüfstand der 2. Forschungsstelle (IFA, RU Bochum) wurden vier Laufversuche mit je einem Radsatz durchgeführt. Die Verzahnung war dabei so ausgelegt, dass die rechnerische Gefährdung mit den im Basisvorhaben abgeleiteten, erweiterten Modellvorstellungen hinsichtlich Flankenbruch ähnlich zur Gefährdung der Prüfverzahnungen des Basisvorhabens ausfiel. Die rechnerische Sicherheit hinsichtlich Zahnfußtragfähigkeit sowie Grübchentragfähigkeit war für die verwendeten Belastungen ausreichend (SF > 1,2; SH > 1,1). Daher war zu erwarten, dass der hier gewünschte Flankenbruch an den Verzahnungen dieses Ergänzungsvorhabens bei entsprechenden Belastungen auftritt. Mithilfe dieser Verzahnungen sollten Stichversuche im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich gefahren werden und anhand der Ergebnisse die Modellvorstellungen des Basisvorhabens verifiziert und validiert werden. Ein fünfter Radsatz der Prüfverzahnung diente zur metallografischen Untersuchung zu Beginn der Laufversuche an einer ungelaufenen Verzahnung. Hier wurden Werkstoff, Gefügezustand, Wärmebehandlung und Strahlbehandlung durch Messung der chemischen Zusammensetzung, Gefügeuntersuchungen, Härtetiefenverläufe sowie Eigenspannungs- und Restaustenittiefenverläufe überprüft und ausführlich dokumentiert. Außerdem wurden alle Radsätze hinsichtlich ihrer Verzahnungsqualität durch Profil- und Flankenlinienvermessungen sowie hinsichtlich der Rauheit der Zahnflanken überprüft. Die gestellten Anforderungen konnten im Wesentlichen bei allen Radsätzen erfüllt werden. Im Rahmen der vier durchgeführten Laufversuche am Großgetriebeprüfstand kam es bei einem Radsatz zum gewünschten Durchläufer. Hier wurde die kritische Anstrengungsgrenze rechnerisch deutlich unterschritten, womit kein Flankenbruch zu erwarten war und sich im Versuch mit über 50 Millionen Lastwechseln ohne Schäden der Verzahnung die rechnerische Vorhersage bestätigt hat. Die restlichen drei Versuche sind bei unterschiedlichem Drehmoment betrieben worden und unterlagen daher antragsgemäß einer unterschiedlich großen rechnerischen Gefährdung hinsichtlich Flankenbruch im Bereich der kritischen Anstrengungsgrenze von 0,8 und darüber. Bei allen drei Versuchen kam es jedoch zu einem Versagen des Ritzels durch das Abtrennen eines Zahns nach ca. 4 bis ca. 30 Millionen Lastwechseln, dessen Bruchausgang in Zahnlückenmitte bei ca. 2-3 mm Tiefe unterhalb der Bauteiloberfläche zu finden war. Es wurden daher ausführliche Untersuchungen zur Entstehung dieses Schadens durchgeführt, der reproduzierbar an drei Radsätzen unterschiedlicher Belastung aufgetreten ist und sich hinsichtlich des Bruchausgangs deutlich vom bekannten Zahnfußbruch unterscheidet. Die Untersuchungen zeigten, dass als Bereich des Schadensausgangs in allen drei Fällen ein Einschlussnest in ca. 2-3 mm Tiefe vorlag, bei dem es sich nach EDX-Analysen um eine Aluminiumoxid-Verbindung handelt. Zudem wurden die metallografischen Untersuchungen wie Härte-, Eigenspannungs- und Restaustenittiefenverläufe speziell auch im Bereich des Bruchausgangs in Zahnlückenmitte ergänzt und mit den Untersuchungen, die standardmäßig im Bereich der 30°-Tangente an die Zahnfußrundung durchgeführt werden, verglichen. Eine Erklärung zur Schadensentstehung in Zahnlückenmitte konnten diese Untersuchungen nicht liefern, da alle untersuchten Größen in einem üblichen Bereich lagen und vergleichbar mit dem Zustand auf Höhe der 30°-Tangente sind. Infolgedessen wurde mittels FE-Modell der Spannungszustand der Verzahnung im Bereich der Zahnfußrundung sowie Zahnlückenmitte untersucht und ein erweiterter Festigkeitsnachweis durchgeführt. Zum Vergleich wurde zudem eine weitere Verzahnung ähnlicher Baugröße (Modul = 8 mm) mittels FE-Methoden sowie mit dem vereinfachten Festigkeitsnachweis untersucht, die standardmäßig für Grübchentragfähigkeitsuntersuchungen verwendet wird und bei der es bisher zu keinen Schäden des Zahnfußes kam. Auch ein Vergleich der Beanspruchungszustände bzw. Festigkeitsnachweise der hier verwendeten Prüfverzahnung mit der Verzahnung Modul = 8 mm führte zu keiner ausreichenden Erklärung des Schadens der Prüfverzahnung. Die Überprüfung des Berechnungsansatzes aus dem Basisvorhaben sowie die Untersuchung zur Schadensentwicklung Flankenbruch bei großmoduligen Verzahnungen konnte aufgrund der neuartigen Versagensart der Prüfverzahnungen somit nur zum Teil durchgeführt werden. Die durchgeführten Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit einer erweiterten Berechnung der Zahnradtragfähigkeit im gesamten Zahnvolumen unter Berücksichtigung der örtlichen Belastung und der örtlichen Beanspruchung sowie deren maßgeblichen Einflussgrößen, die bisher nur zum Teil bekannt bzw. einer Berechnung zugänglich sind. Forschungsstellen: Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, Lehrstuhl für Maschinenelemente, der TU München (FZG) http://www.fzg.mw.tum.deForschungsleiter:                         Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Kraftfahrzeuge, Ruhr-Universität Bochum (LMGK) http://www.ruhr-uni-bochum.de/lmgk/ Forschungsleiter: Prof. Dr.-Ing. Peter Tenberge (vorgelegt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V. (VDMA) für Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA)) 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