AllgemeinesForschungsberichte

ADI-Zahnrad

FVA 822 I | IGF-Nr. 19843-N

Tragfähigkeit und Verfestigungspotenzial von Zahnrädern aus ausferritischem Gusseisen (ADI)

Ausferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI) findet zunehmend Anwendung in Zahnradapplikationen. Gründe hierfür liegen in der Gewichtsreduktion gegenüber Stahl und der optimierten gießereitechnischen Bauteilauslegung. Außerdem werden eine Reduktion der Geräuschemission durch die verbesserte Dämpfung und eine adaptive Verschleißfestigkeit durch eine lastbedingte Kaltverfestigung als Vorteile für Zahnradapplikationen vermutet. Die genannten Vorteile machen ADI insbesondere für Hohlräder in Planetenstufen interessant, da dort eine kombinierte Fertigung von Gehäuse und Hohlrad durchgeführt werden kann. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen für den Werkstoff, beispielsweise vergleichbare Tragfähigkeiten wie Nitrierstähle oder gehärtete Schmiede- oder Gussstähle. Im amerikanischen Raum werden im Normverfahren nach AGMA 2101 Festigkeitskennwerte für ADI verschiedener Güten geliefert, mit denen eine Tragfähigkeitsberechnung und Auslegung ermöglicht wird. Für das im europäischen Raum gängige Normberechnungsverfahren ISO 6336 existieren solche Festigkeitskennwerte nicht. Aus diesem Grund beschäftigte sich das Forschungsvorhaben „ADI Zahnrad“ mit der Ermittlung normkonformer Festigkeitskennwerte zur Anwendung in der ISO 6336.

Anhand umfangreicher Tragfähigkeitsuntersuchungen konnte das Potenzial der Werkstoffgüten ADI 900-8 und ADI 1200-3 ermittelt und anderen Werkstoffsystemen gegenübergestellt werden. Es zeigte sich eine signifikante Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit, wenn das ADI Zahnrad einem Verfestigungsstrahlen unterzogen wird.

Auf diese Weise konnten Zahnfuß Dauerfestigkeiten σF lim im Bereich von Nitrierstählen der Qualität ML bis MQ erreicht werden. Die Grübchen Dauerfestigkeit σH lim lag ebenfalls im Bereich von Nitrierstählen der Qualität ML bis MQ, da für einen neutralen Vergleich der Werkstoffsysteme berücksichtigt werden muss, dass eine Zahnradpaarung aus ADI bei gleichem Drehmoment eine geringere Flankenpressung aufweist, als die identische Zahnradgeometrie aus Stahl (Leistungsdichtekompensation). In dem Forschungsvorhaben konnte gezeigt werden, dass ADI ein interessanter Alternativwerkstoff für die in Hohlrädern gängigen Werkstoffsysteme ist. Für zukünftige Forschungsarbeiten ergeben sich spannende Fragestellungen hinsichtlich einer Optimierung des Fertigungsprozesses beim Vorverzahnen und beim Verfestigungsstrahlen, um die Fertigung effizienter zu gestalten und die Tragfähigkeit weiter zu steigern.

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. für die Bereitstellung der finanziellen Mittel und Förderung des Projekts aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19843-N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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