Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss aus Baugröße, Werkstoff und Randhärtetiefe auf die Zahnfußtragfähigkeit induktiv-gehärteter Stirnräder größerer Baugröße

Induktivhärten stellt ein zur Einsatzhärtung alternatives Wärmebehandlungsverfahren zur Festigkeitssteigerung dar. Es ist vor allem für Zahnräder größere Baugrößen interessant, da hier die Einsatzhärtung an technologische Grenzen stößt. Für induktivgehärtete Verzahnungen größerer Baugröße liegen allerdings bisher nur in sehr begrenztem Umfang Kennwerte zur Zahnradtragfähigkeit vor. Dies macht die Auslegung solcher Verzahnungen schwierig und ungenau. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, für induktivgehärtete Verzahnungen größerer Baugröße Kennwerte zur Zahnfußtrag-fähigkeit zu ermitteln, sowie deren Haupteinflussgrößen zu bestimmen. Des Weiteren sollen gängige Berechnungsmethoden überprüft und ggfs. angepasst werden. Der Lösungsweg umfasst sowohl theoretische als auch experimentelle Ar-beiten. Im theoretischen Teil soll in einer Literaturrecherche der bisherige Stand des Wissens hinsichtlich möglicher Einflussgrößen auf die Zahnfußtragfähigkeit induktivgehärteter Zahnräder dargestellt werden. Im experimentellen Teil erfolgt die Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit anhand der Werkstoffe 42CrMo4 (Haupt-werkstoff), 34NiCrMo6 und C60, der Baugrößen Modul 8 mm, 14 mm und 20 mm, der Randhärtetiefe von 0,15 – 0,35•mn, sowie weiterer Variationsparameter. Mit Hilfe dieser systematischen Untersuchungen werden experimentell abgesicherte Werte für die Zahnfußtragfähigkeit induktivgehärteter Verzahnungen größerer Baugröße erarbeitet. Zusätzlich soll mit diesen Ergebnissen Berechnungsmodelle entwickelt werden, ähnlich denjenigen wie sie für einsatzgehärtete Verzahnungen bereits existieren und eingesetzt werden. Die so erhaltenen Erkenntnisse können folglich direkt umgesetzt werden. Das Forschungsvorhaben liefert somit Ergebnisse zur Zahnfußtragfähigkeit großmoduliger, induktivgehärteter Zahnräder, welche direkt in der praktischen Anwendung umgesetzt werden können. Dies kommt insbesondere kleineren und mittleren Unternehmen zu Gute.

Ergebniszusammenfassung:

Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden maßgebende Einflüsse auf die Zahnfußtragfähigkeit induktiv-gehärteter Zahnräder größerer Baugröße umfassend untersucht und durch die gewonnenen Erkenntnisse bestehende Berechnungsverfahren zur Auslegung der Zahnradtragfähigkeit über den bisherigen Stand des Wissens hinaus erweitert. Insbesondere im Bereich größerer Baugrößen induktivgehärteter Verzahnungen besteht ein erhebliches Interesse aus der Industrie an abgesicherten Kennwerten zur Tragfähigkeit. Die Erweiterung der Tragfähigkeitskennwerte für induktivgehärtete Zahnräder größerer Baugröße ermöglicht die sichere Auslegung der Verzahnungen in modernen Getrieben. Durch die Erhöhung des Grenzwerts für die zulässige Spannung wird das Tragfähigkeitspotential induktiv-gehärteter Verzahnungen nun genauer und zuverlässiger abgebildet. Weiterhin wurden erweiterte Modellansätze zur Berechnung der Zahnfuß- und der Zahnflankentragfähigkeit aufgestellt. Mit den Modellansätzen lässt sich das Tragfähigkeitspotential induktivgehärteter Verzahnungen zuverlässiger vorhersagen. Dies ermöglicht eine Steigerung der Leistungsdichte bestehender Getriebesysteme, wodurch Anpassungen und Neukonstruktionen vermieden werden können. Die Erwartungen an die Tragfähigkeit induktivgehärteter Verzahnungen konnten übertroffen werden. Damit eröffnen sich insbesondere für KMU neue, wirtschaftlichere Wärmbehandlungsmöglichkeiten.

Ein typisches Beispiel für die Nutzung der Forschungsergebnisse ist die Windkraftindustrie. Die erzielten Ergebnisse ermöglichen eine sichere Auslegung induktivgehärteter Verzahnungen in der Praxis. Hierdurch kann die Leistungsdichte der Getriebe erhöht werden. Zudem wird das Risiko von Getriebeausfällen reduziert. Reparaturkosten, die z. B. bei Windkraftanlagen im Offshore-Bereich leicht einen sechsstelligen Betrag erreichen können, werden weitgehend vermieden. Weitere Anwendungsgebiete liegen im Bereich großer,

stationärer Industriegetriebe oder z.B. im Schwermaschinenbau.