A281

Einfluss des Abschliffbetrags auf die Zahnflankentragfähigkeit

Zusammenfassung des Abschlussberichtes zum Forschungsprojekt

Einfluss des Abschliffbetrags auf die Zahnflankentragfähigkeit        
großmoduliger einsatzgehärteter Zahnräder

(A281 S 24/10199/12)

Laufzeit der Forschungsarbeiten:     1. Januar 2013 – 31. März 2017

Die Tragfähigkeit von Zahnrädern wird maßgeblich durch die Werkstoffeigenschaften beeinflusst. Die lokale Härte wird durch den während der Wärmebehandlung eingestellten Härtetiefenverlauf definiert und dient als Grundlage der Festigkeitsberechnung bei sämtlichen Methoden zur Tragfähigkeitsberechnung. Der Härtetiefenverlauf wird im Stand der Technik durch die Randhärte, die Einsatzhärtetiefe und die Kernhärte beschrieben. Zahlreiche Untersuchungen belegen den Einfluss dieser Härtekennwerte auf die Zahnflankentragfähigkeit. Um schwankenden Abschliffbeträgen zu begegnen, wird in der Praxis häufig ein oberflächennahes Härteplateau angestrebt, um eine hohe Randhärte sicherzustellen. Ein Einfluss der Ausprägung des oberflächennahen Härteplateaus auf die Zahnflankentragfähigkeit in Abhängigkeit des lokal vorliegenden Abschliffbetrags bei konstanter Randhärte und Einsatzhärtetiefe ist bisher nicht erforscht. 

Das Ziel des Forschungsvorhabens war daher die Ermittlung und Beschreibung des Einflusses der durch unterschiedliche Prozessführung in der Wärmebehandlung erzeugten Randzonencharakteristik (v.a. Eigenspannungs- und Härtetiefenverlauf) auf die Zahnflankentragfähigkeit großmoduliger Stirnräder in Verbindung mit unterschiedlichen Abschliffbeträgen. Es wurden Tragfähigkeitsuntersuchungen an Prüfverzahnungen mit unterschiedlichen Abschliffbeträgen durchgeführt und der kritische Schadensmechanismus und die resultierende Dauerfestigkeit bestimmt. Weiterhin erfolgte anhand simulativer Variantenrechnungen eine umfassende Einflussgrößenanalyse, um eine Empfehlung zur Wahl des Härtetiefenverlaufs inklusive Gestaltung des Härteplateaus abzuleiten.

Die Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zeigen einen großen Einfluss des Abschliffbetrags auf den kritischen Schadensmechanismus. Trotz identischer Verzahnungsgeometrie fallen zwei von drei Hauptvarianten (Variante A1 und Variante A3) aufgrund von Zahnflankenbruchschäden aus. Die dritte Hauptvariante (Variante A2) und die beiden Ergänzungsvarianten (Variante A1.2 und Variante A2.2) fallen hingegen aufgrund von Grübchenschäden aus. Die Variante A3 weist den größten Abschliffbetrag und die höchste Tragfähigkeit auf, wobei die vorliegende Werkstoffcharakteristik aufgrund der geringen Härtewerte außerhalb des Erfahrungsbereiches (Materialklassen MQ und ME nach ISO 6336) des Stands der Technik liegt.

Mithilfe eines fehlstellenbasierten Ansatzes zur Berechnung der Zahnflankenbruchtragfähigkeit kann für die Versuchsverzahnung eine hohe Werkstoffanstrengung (A > 0,8) sowohl in Oberflächennähe als auch in höheren Werkstofftiefen nachgewiesen werden. Die Berechnungsergebnisse für die Variante A1 korrelieren gut mit den ermittelten Tragfähigkeiten sowie den ermittelten Rissausgangsorten der Zahnflankenbruchschäden. Die Ergebnisse der grübchenkritischen Varianten A2, A1.2 und A2.2 können mittels des Berechnungsansatzes nach Löpenhaus nachvollzogen werden. Die vorliegende Grübchen- und Zahnflankenbruchgefahr kann somit berechnet werden. Die Vorhersage des kritischen Schadensmechanismus ist jedoch bei der vorliegenden Prüfverzahnungsgeometrie aufgrund der hohen Anstrengung sowohl hinsichtlich Grübchenbildung als auch Flankenbruch für die vorliegenden Versuchsvarianten nicht möglich. 

Die Einflussgrößenanalyse zeigt, dass die Einsatzhärtetiefe den größten Einfluss auf die Zahnflankentragfähigkeit aufweist. Insbesondere in höheren Werkstofftiefen ist weiterhin die Fehlstellengröße und die Kernhärte von entscheidender Bedeutung. Die Werkstoffanstrengung in höheren Werkstofftiefen ist vor allem bei hohen Belastungen kritisch, da die Werkstoffanstrengung im Volumen mit steigender Belastung stärker ansteigt als in Oberflächennähe. Eine Betrachtung der im Volumen wirkenden Sekundärbeanspruchung ist daher bei der Schadensanalyse unabdingbar. 

Als Empfehlung zur Wahl des Härtetiefenverlaufs wird innerhalb der Grenzen der Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit eine möglichst hohe Einsatzhärtetiefe empfohlen (CHD550 = 0,2 mn). Da der Betrag der im Volumen vorliegenden Eigenspannungen maßgeblich von der Differenz zwischen Rand- und Kernhärte abhängt, wird zur Reduktion der zahnflankenbruchkritischen Zugeigenspannungen in hohen Werkstofftiefen die Wahl einer niedrigen Randhärte (HVR < 700 HV1) empfohlen. Die Mindestrandhärte nach ISO 6336 ist dabei jedoch einzuhalten (Materialklasse MQ/ME: HVR > 660 HV1). Die Kernhärte kann durch eine geeignete Werkstoffwahl (Härtbarkeit) und die Wahl des Abschreckmediums beeinflusst werden und sollte für eine möglichst hohe Beanspruchbarkeit in hohen Werkstofftiefen innerhalb der prozesstechnischen Grenzen maximiert werden. Hinsichtlich des Härteplateaus ergeben sich für die Grübchen- und Zahnflankenbruchtragfähigkeit gegenläufige Empfehlungen. Für eine möglichst hohe Grübchentragfähigkeit ist ein ausgeprägtes Härteplateau zielführend. Für eine maximale Zahnflankenbruchtragfähigkeit sollte hingegen ein flach abfallendes Härtetiefenprofil ohne Härteplateau gewählt werden. Ein steigender Abschliffbetrag führt zu einer Reduktion der Tragfähigkeit und sollte daher möglichst klein gewählt werden. Vor allem hinsichtlich der Zahnflankenbruchtragfähigkeit ist eine Verschiebung des Übergangs von Druck- zu Zugeigenspannungen in niedrigere Werkstofftiefen aufgrund eines erhöhten Abschliffbetrags als kritisch zu erachten. Die Empfehlungen sind aus den Berechnungsergebnissen für die vorliegende Prüfverzahnungsgeometrie abgeleitet worden. Eine Übertragbarkeit auf Verzahnungen größerer Abmaße (mn > 10 mm) ist bisher nicht erwiesen.

 Forschungsstelle:

Werkzeugmaschinenlabor WZL der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH)

Forschungsleiter:                         

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Dr. h. c. Dr. h. c. Fritz Klocke 

(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