Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Tragfähigkeit und Verlustleistung poliergeschliffener Zahnräder geringer Oberflächenrauheit

An moderne Getriebe werden stetig steigende Anforderungen hinsichtlich Leistungsdichte bei gleichzeitig erhöhtem Kostendruck gestellt. Zusätzliche Veredelungen an Zahnflanken, wie z. B. das in FVA 521 I/II untersuchte Kugelstrahlen und Gleitschleifen, sind in der Lage, die erhöhten Leistungsanforderungen zu erfüllen. Insbesondere im Bereich der Serien- bzw. Großserienfertigung sind diese Verfahren jedoch oft nicht wirtschaftlich anwendbar. Neuere Entwicklungen im Bereich der Schleiftechnik erlauben durch ein Verzahnungsschleifen mit elastisch gebundener Scheibe („Polierschleifen“) die Erzeugung feiner Oberflächen ohne zusätzliche Investitionen in neue Maschinen oder Anlagen.

Ziel des hier beantragten Vorhabens ist eine wissenschaftlich abgesicherte Untersuchung des Tragfähigkeitspotentials feinstgeschliffener bzw. polierter Zahnräder sowohl bei Standardreferenz- als auch bei praxisnahen Betriebsbedingungen. Hierfür sind umfangreiche experimentelle Untersuchungen zur Zahnflanken- sowie zur Zahnfußtragfähigkeit geplant. Neben einer experimentellen Absicherung der Tragfähigkeitskennwerte und des Wirkungsgrads poliergeschliffener Verzahnungen liegt der Fokus des Vorhabens zusätzlich auf einer Erweiterung des Kenntnisstands zum Einfluss feiner Zahnflankenoberflächen auf die Zahnradtragfähigkeit.

Die erwarteten Ergebnisse sind insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen von hoher Bedeutung. Diese Unternehmen, die als Fertigungsdienstleister oder Komponentenzulieferer wichtige Einzelleistungen in der Wertschöpfungskette erbringen, können in der Regel aus wirtschaftlichen Gründen keine eigenen Prüfeinrichtungen zur Getriebeoptimierung betreiben und sind somit auf Forschungsergebnisse aus der Gemeinschaftsforschung angewiesen. Die Ergebnisse des Vorhabens liefern einen wichtigen Beitrag für die Nutzung des Polierschleifens als ressourcen- und kosteneffiziente Maßnahme zur Steigerung der Zahnflankentragfähigkeit.

Ergebniszusammenfassung:

Es konnte belegt werden, dass mit zunehmend feinen Oberflächenrauheiten eine Erhöhung der Zahnrad- Grübchentragfähigkeit einhergeht. Beim Vergleich der polier- und gleitgeschliffenen Zahnradvarianten zeigt sich, dass durch Polierschleifen vergleichbare oder sogar höhere Tragfähigkeitskennwerte realisierbar sind. Basierend auf diesen Ergebnissen wird abgleitet, dass die im Rahmen der Vorgängervorhaben erweiterten Berechnungsverfahren auch auf poliergeschliffene Zahnräder anwendbar sind. Anhand von Versuchen wurde bestätigt, dass die Erkenntnisse zum positiven Einfluss der feinen Zahnflankenoberflächen grundsätzlich auf praxisnahe Schrägverzahnungen übertragbar sind. Zudem hat sich gezeigt, dass der arithmetische Mittenrauwert Ra sowie insbesondere die gemittelte Rautiefe Rz für die Beurteilung von Zahnflankenoberflächen geeignet sind. Des Weiteren wurde festgestellt, dass zur Realisierung des Tragfähigkeitspotenzials von Kugelstrahlverfahren in Kombination mit Polierschleifen oberflächeninduzierte Schäden durch vorzeitigen Eingriff oder geometrische Unstetigkeiten ausgeschlossen werden müssen. In den Pulsatorversuchen wurde festgestellt, dass hochfein bearbeitete Zahnfußrundungen zu keinem nennenswerten Einfluss auf die Zahnfußtragfähigkeit führen, sofern die geometrischen, metallographischen und röntgenographischen Eigenschaften der Zahnräder vergleichbar sind. Das Wirkungsgradverhalten von unterschiedlich endbearbeiteten Zahnrädern ist von den Betriebsbedingungen und dem daraus resultierenden Schmierungszustand abhängig. Für die poliergeschliffene Zahnradvariante zeigen sich insbesondere in Bereichen mit niedrigen resultierenden mittleren Verzahnungsreibungszahlen Effizienzvorteile gegenüber konventionell geschliffenen Zahnrädern.

Anhand der ermittelten Ergebnisse ist eine Bewertung der Einflüsse aus feinen Zahnflankenoberflächen, insbesondere für poliergeschliffene Zahnräder, auf die Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit sowie das Wirkungsgradverhalten möglich.