Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Maß- und Formänderungen von Leichtbauzahnrädern II

Im vorliegenden Forschungsvorhaben soll untersucht werden, welche Auswirkung die Gewichtsreduzierung von Zahnrädern mit asymmetrischer Massenverteilung auf die Streuungen der Maßänderungen und die entsprechenden Formänderungen hat. In Abgrenzung zum Vorläuferprojekt sollen reale Bauteile aus der Teilegruppe Zahnräder mit langer Nabe und Versatz zwischen Zahnkranz und Nabe als Ausgangspunkt für die Untersuchungen dienen. Als formstabilisierendes Element sollen dabei die Querschnittsübergänge unter Anwendung der Methode der Zugdreiecke gestaltet werden. Als Störgrößen sollen der Einfluss der Härtbarkeit und des Kohlenstoffprofils auf den Verzug ermittelt werden.

Das Forschungsziel soll durch eine eng miteinander verzahnte experimentelle und numerische Untersuchungsstrategie erreicht werden. Mit dem aufzustellenden und zu validierten Simulationsmodell soll der Einfluss der Querschnittsübergänge auf die Verkippungen von Nabe und Zahnkranz analysiert und idealerweise eine optimale Auslegung identifiziert werden. Darauf basierend sollen die Verkippungen in Abhängigkeit der Abmessungen, die zu Gewichtseinsparungen modifiziert werden können, berechnet werden. Unter Verwendung der im Vorläuferprojekt entwickelten Methodik sollen daraus Isolinien der Verkippungen abgeleitet werden. Weiter soll die zeitliche Verkippungsentwicklung detailliert analysiert und in Korrelation zu den beeinflussenden Größen gesetzt werden, um daraus ein grundlegendes Verständnis der Verkippungsentstehung zu erlangen.

KMU, wie Konstruktionsbüros und kleine Zahnradfabriken, werden durch die neuen Erkenntnisse in die Lage versetzt, verzugsarm härtbare Konstruktionen zu gestalten und Entwicklungszeiten zu reduzieren. KMU, wie Lohnhärtereien, werden in die Lage versetzt, eine Beurteilung des Potenzials einer verzugsarmen Einsatzhärtung von zukünftigen Leichtbaukonstruktionen im Zahnradbereich vorzunehmen und können somit ihre Kunden entsprechend beraten.

Ergebniszusammenfassung:

Die experimentellen Untersuchungen haben zunächst das prinzipielle Verzugsverhalten des verwendeten Vorgelegerads aufgezeigt und eine adäquate mathematische Beschreibung ermöglicht. Die wesentlichen Formänderungen sind die Verkippung des Zahnkopfs in radialer Richtung und die daraus resultierende Kippamplitude sowie die Verkippung des Zahnrads in axialer Richtung. Es wurden Massereduktionen bis 43,6% erreicht.

Die in der Praxis auftretenden Streuungen von Härtbarkeit und Aufkohlung sind für das untersuchte Vorgelegerad von untergeordneter Bedeutung für den Verzug. Variationen des Abschreckprozesses und Geometriemodifikationen zeigen erwartungsgemäß deutliche Einflüsse, die aber bei entsprechender Kombination (gewichtsreduziertes Zahnrad in Kombination mit geringerer Abschreckintensität) zu beherrschbaren Verzügen führen können.

Die Arbeiten zum Einfluss der Querschnittsübergänge haben ein Potenzial zur Reduzierung der Zahnkopfverkippung für Bauteile mit asymmetrischer Steglage aufgezeigt.

Die vorbereitenden experimentellen Arbeiten zur Simulation konnten zeigen, dass unter den gegebenen Bedingungen die Fertigungseigenspannungen keinen Einfluss auf den Verzug haben. Da eine Vernachlässigung der Verzahnung zu deutlich modifizierten Verzügen führen kann, müssen 3D-Simulations-Modelle verwendet werden.

Die vorliegenden bzw. gewählten Ansätze zur Bestimmung und Beschreibung der Bainitumwandlung bzw. des Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) haben sich als nicht ausreichend herausgestellt. Im Fall der Bainitbildung konnte das auf ein grundsätzliches Problem zurückgeführt werden. Für den Wärmeübergang hätte für jede zu simulierende Geometrie der WÜK bestimmt werden müssen. Eine numerische Bestimmung der Isolinien-Darstellung der Verkippung war aufgrund dieser beiden Probleme nicht möglich. Entsprechend konnte die im Vorgängerprojekt entwickelte Methode zur Ableitung der Verkippungs-ISO-Linien bei gewichtsreduzierten Zahnradgrundkörpern nicht in die Praxis überführt werden.