Butterflies in Verzahnungen

Fallstudie zur Ursache von Butterflies in geprüften Verzahnungen

Im Projekt wurden Butterflies in abgeschlossenen FVA-Forschungsvorhaben gesichtet und systematisch zusammengefasst, um daraus Rückschlüsse auf deren Entstehungsursachen ziehen zu können. Dazu wurde die vorhandene Bilddokumentation abgeschlossener Forschungsvorhaben gesichtete, noch vorhandene Zahnradausschnitte in weiteren Schliffebenen untersucht sowie neue Schliffe angefertigt. Um Aussagen über mögliche Einflüsse aus Werkstoff, Wärmebehandlung, Fertigung, Verzahnungsgeometrie und Betriebsbedingungen auf die Butterfly-Entstehung treffen zu können, wurden geprüfte Verzahnungen aus Forschungsvorhaben mit unterschiedlichen Themenschwerpunkten betrachtet. Die gesichteten Butterfly-Befunde wurden hinsichtlich des Abstands zur Oberfläche sowie der Orientierung der Mittelachse durch die Butterfly-Flügel zur Oberfläche charakterisiert. Anhand von stichpunktartigen, experimentellen Untersuchungen wurde der Einfluss der Randhärte auf die Butterfly-Entstehung untersucht.

Im Rahmen der Sichtung abgeschlossener Forschungsvorhaben konnten Butterfly-Befunde in vielen geprüften Zahnrädern festgestellt werden. Da Befunde in Zahnräder unterschiedlicher Baugröße sowie in Gerade- und Schrägverzahnungen festgestellt wurden, ist ein Einfluss aus der Verzahnungsgeometrie unwahrscheinlich. Sekundäre Wirkzusammenhänge über geometriebedinge Einflüsse auf den Belastungs- und Beanspruchungszustand sind allerdings nicht auszuschließen. Des Weiteren deutet sich eine Abhängigkeit der Auftrittswahrscheinlichkeit und des Wachstums von Butterflies vom Zahnradwerkstoff an. Es konnte gezeigt werden, dass aufgrund der statistischen Verteilung von Einschlüssen und somit der Butterflies nur bedingt zuverlässige Aussagen aus einzelnen Schliffebenen abgeleitet werden können. Die Ausbildung von Butterflies erfolgt prinzipiell an allen Einschlüssen im Stahl und somit gleichermaßen an Sulfiden (Mangansulfid) als auch an oxydischen Verunreinigungen. Da Mangansulfide weitaus häufiger in den Einsatzstählen anzutreffen sind als oxydische Einschlüsse, ist auch die überwiegende Anzahl von Butterflies an Sulfiden entstanden. Auffällig bei der Betrachtung war, dass die Butterflies nicht an allen Sulfiden entstehen. Oft sind Gruppen von Sulfiden im metallografischen Schliff dokumentiert worden, wo nur an einzelnen ein Butterfly entstanden ist. Es ist also zu vermuten, dass die Orientierung des Gefüges bzw. die kristallografische Orientierung des Martensits eine Rolle für die Ausbildung der Butterflies spielt. Die Auswertung der Tiefenlage zeigt eine deutliche Häufung von Butterflies in abgrenzbaren Abständen zur Oberfläche. Der Winkel zwischen der Mittelachse durch die Butterfly-Flügel und der Zahnradoberfläche ordnet sich für einen Großteil der Befunde in einen klar abgrenzbaren Bereich ein. Mithilfe eines Simulationsprogramms zur Berechnung der Oktaederschubspannung und der Drehung des Hauptachsensystems unter Berücksichtigung von Hertz’scher Druck- und Schubbelastung konnte gezeigt werden, dass sich die Orientierungen der Butter-flies und die Tiefenlagen gut in die Bereiche der höchsten Oktaeder-schubspannungen einordnen. Daraus wird abgeleitet, dass der Schubspannungszustand unter der Verzahnungsoberfläche in Folge des Hertz’schen Kontaktes die Entstehung von Butterflies maßgeblich beeinflusst.
Insbesondere Einflüsse aus Werkstoff, Wärmbehandlung und Zahnradfertigung können basierend auf der vorliegenden Datenbasis nur begrenzt zuverlässig beurteilt werden. Hierzu sind weitere experimentelle Untersuchungen nötig.

Das Projekt 612 III der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.