Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterte Berechnung der Flankenbruchgefährdung einsatzgehärteter Zahnräder unter besonderer Berücksichtigung des Eigenspannungszustands in größerer Werkstofftiefe

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Ermittlung der Eigenspannungszustände im Zahnflanken- und Zahnfußbereich einsatzgehärteter Zahnräder auch für größere Werkstofftiefen. Hierbei sollen die wesentlichen Mechanismen, die für die Ausbildung der Eigenspannungen relevant sind identifiziert werden, um zu überprüfen, ob es möglich ist den Eigenspannungsverlauf aus Geometrie-, Werkstoff- und Wärmebehandlungsdaten vorherzusagen.

Leitmotiv ist hierbei das Schadensbild Flankenbruch, welches in größeren Werkstofftiefen initiiert wird. Für diese Tiefenbereiche sind heute die Eigenspannungen so gut wie nicht bekannt. Für die Bewertung des Schadensrisikos durch Versagen an inneren Fehlstellen und zur Klärung neuer Schadensmechanismen (z.B. Fußbrüche aus FVA 556 II) ist die quantitative Ermittlung der Eigenspannungen notwendig. Da die Ermittlung der Eigenspannungen durch Messungen vor allem in größeren Werkstofftiefen sehr aufwändig ist, wird in diesem Vorhaben die Eigenspannungssimulation genutzt.

Ziel ist es hierbei, mögliche Korrelationen zwischen der Geometrie, dem Wärmebehandlungsprozess, dem Werkstoff und dem Eigenspannungszustand zu erarbeiten sowie Standardprofile oder empirische Gleichungen, die das Eigenspannungsprofil beschreiben, abzuleiten.

Darauf basierend werden vorhandene Berechnungsansätze zur Flankenbruchtragfähigkeit auch unter Berücksichtigung von Zugeigenspannungen erweitert und an Hand vorhandener Versuchsergebnisse validiert.

Nach Abschluss des Vorhabens steht somit ein erweiterter Ansatz zur Abschätzung und Simulation von Eigenspannungen bis in große Werkstofftiefen sowie ein erweitertes, normfähiges Berechnungsmodell zur Schadensart Zahnflankenbruch zur Verfügung. Insbesondere für KMUs ergeben sich somit große Wettbewerbsvorteile, da eine zuverlässige Abschätzung einer Flankenbruchgefährdung mit Hilfe der Ergebnisse des Vorhabens bereits früh und mit einfachen Werkzeugen im Auslegungsprozess möglich ist.

Ergebniszusammenfassung:

Insgesamt wurden in diesem Vorhaben eine Vielzahl an Erkenntnissen über die wärmebehandlungsbedingten Eigenspannungen in einsatzgehärteten Zahnrädern gewonnen. Diese sind mannigfaltig und beinhalten neben Erkenntnissen zur Simulation oder Messung auch deren Auswirkungen auf die Flankenbruchtragfähigkeit.

Auf Basis umfangreicher experimenteller Untersuchungen wurde ein Simulationsmodell aufgebaut, das die wärmebehandlungsbedingten Eigenspannungen beim Einsatzhärten vorhersagen kann. Zudem wurde eine Näherungsgleichung abgeleitet, mit der auf Basis der identifizierten Haupteinflussgrößen, der Eigenspannungstiefenverlauf einer Verzahnung nach dem Einsatzhärten abgeschätzt werden kann.

Die simulierten und mit der Näherungsformel abgeschätzten Eigenspannungen wurden anhand von Messungen validiert. Zur Messung der Eigenspannungen in größerer Tiefe wurden geeignete Mess- und Auswertemethoden entwickelt, die zudem zukünftig röntgenografische Eigenspannungsmessungen in größerer Bauteiltiefe ermöglichen.

Durch die Erweiterung des höherwertigen und des praxisorientierten Rechenmodells zur Flankenbruchtragfähigkeit um die Berücksichtigung von Zugeigenspannungen, kann zukünftig ein weiterer maßgebender Einfluss auf die Flankenbruchtragfähigkeit berücksichtigt werden. Somit steht ein erweitertes Rechenmodell mit erhöhter Zuverlässigkeit zur Verfügung, um Verzahnungen gegen die Schadensart Flankenbruch auszulegen.

Die Nachrechnung von verschiedenen Verzahnungen mit Berücksichtigung der Zugeigenspannungen führte zu einem verbesserten Verständnis der Beurteilung des Flankenbruchrisikos anhand des berechneten Anstrengungstiefenverlaufs. Zusätzlich konnten optimale Eigenspannungszustände identifiziert werden und so Empfehlungen zur optimalen Einsatzhärtungstiefe hinsichtlich maximaler Flankenbruchtragfähigkeit erarbeitet werden.