Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Betriebsfestigkeit von Zahnwellen-Verbindungen mit gesinterten Naben

Forschungsziel

Sintern als direktes Fertigungsverfahren für maßhaltige Bauteile ist häufig angewendet. Der Festigkeitsnachweis muss wegen ungenügender Werkstoff- und Berechnungsgrundlagen aktuell aufwändig experimentell erfolgen.

Parallele Proben- und Bauteiluntersuchungen, die bezüglich Werkstoff, Kerbgeometrie und Fertigungsparameter abgestimmt sind, erlauben ein allgemeingültiges Berechnungskonzept für gesinterte Bauteile aufzustellen und am Beispiel von Zahnnaben zu validieren.

Lösungsweg

Es sollen Naben mit zwei Passungen und den sich daraus ergebenden Vorspannungen sowie Werkstoffproben untersucht werden. Mit Hilfe der Werkstoffproben sollen Kennwerte und ein sinterspezifisches Werkstoffmodell abgeleitet werden. Dazu ist geplant:

Literaturrecherche und Aufbau einer Datenbank mit Versuchsdaten, Geometrie- und Dichtemessung, Untersuchung gekerbter und ungekerbter Werkstoffproben mit unterschiedlichen Dichten unter zyklischer Beanspruchung, Naben u. Wellen vermessen (Verzahnungsabweichungen) für die numerische Simulation, Prüfbauteile mit Presssitz fügen, dabei Fügekraft und Nabenaufweitung (DMS) protokollieren, Bauteilversuche zur Ermittlung von Wöhlerdiagrammen u. Gaßnerlinien, R = -1 und R = 0,2, Numerische Simulation der Werkstoff- und Bauteilversuche u. notwendige Faktoren (z. B. Oberflächeneinfluss) rekursiv bestimmen

Angestrebte Erg.

Das Projekt wird in der Literatur vorhandene Werkstoffdaten ergänzen u. ein, auf die Nutzung mit der FKM-Richtlinie ausgerichtetes, Werkstoffmodell zur allgemeinen Beschreibung des Festigkeitsverhaltens von gesinterten Bauteilen liefern. Die Validierung und Anwendungsaufbereitung erfolgt für gesinterte Zahnnaben.

Nutzen für KMU

Der einfache rechnerische Festigkeitsnachweis mit einem abgesicherten sinterspezifischen Werkstoffmodell reduziert den experimentellen Prüfaufwand erheblich u. erlaubt damit auch KMU die Nutzung des, auch in Kleinserien wirtschaftlichen, Sinterns zur werkstoffeffizienten Herstellung von Prod.

Ergebniszusammenfassung:

Die praktische Anwendung von Zahnwellenverbindungen mit gesinterter Nabe erfordert die Durchführung eines experimentellen oder rechnerischen Festigkeitsnachweises. Die Möglichkeit zur rechnerischen Auslegung der Innenverzahnung der gesinterten Profilnabe besteht bisher nicht und wird in diesem Projekt entwickelt.

Der Festigkeitsnachweis für die Profilnaben basiert auf einem allgemeingültigem Festigkeitsnachweis für Bauteile aus Sinterstählen. Hierfür wird der Algorithmus der FKM-Richtlinie für Sinterstähle angepasst. Dazu wird eine Datenbank mit Schwingfestigkeitsversuchen an Werkstoffproben geschaffen. Diese beinhaltet Versuche aus einem umfangreichen Versuchsprogramm und aus der Literatur. Der Umfang der Versuche deckt neben der Kerbschärfe und der Mittelspannungsempfindlichkeit den Einfluss der Bauteildichte ab. Auf Basis der Datenbank werden die Anpassungen am Algorithmus der FKM-Richtlinie vorgenommen. Das geschaffene Berechnungskonzept ermöglicht die Berechnung der Dauerfestigkeit und die rechnerische Bestimmung der Bauteillebensdauer bei konstanter und variabler Amplitude für Sinterstähle bis zu einer Härte von 400 HV.

Zur Übertragung der Anwendung des Berechnungskonzeptes auf Zahnwellenverbindungen mit gesinterter Nabe wurden Schwingversuche an Zahnwellenverbindungen durchgeführt. Es wurden zwei Prüfteilvarianten untersucht, welche sich durch die Passung auf den Zahnflanken unterscheiden. Neben einer Variante mit Schiebesitz wurde eine Variante mit Presssitz untersucht. Zusätzlich zu den Schwingversuchen wurde das Fügeverhalten der Zahnwellenverbindungen mit Presssitz untersucht.

Mithilfe des Forschungsvorhabens konnten Erkenntnisse zum Fügeverhalten sowie zum dynamischen Übertragungsverhalten von Zahnwellenverbindungen mit gesinterter Profilnabe gewonnen werden. Darüber hinaus steht ein Berechnungsvorschlag für die betriebsfeste Auslegung von Sinterbauteilen zur Verfügung.