Gefügte Stirnräder

Einfluss von Querpressverbänden auf die Zahnfußtragfähigkeit außenverzahnter Stirnradverzahnungen

Für die Auslegung eines Zahnrads hinsichtlich Zahnfußbruch steht dem Konstrukteur mit dem Verfahren nach DIN 3990-3 bzw. ISO 6336-3 eine zuverlässige Methode zur Verfügung.

Üblicherweise sind für die Beanspruchung im Zahnfuß die Zahnfußgeometrie und die Belastung aus der Zahnkraft maßgeblich. Erfordert die Konstruktion den Einsatz von dünnwandigen, reibschlüssig gefügten Zahnkränzen, kann sich eine Beanspruchungskomponente aus der Aufweitung des Zahnkranzes im Zahnfuß überlagern. Zusätzliche Beanspruchungen aus einer Zahnkranzaufweitung sind in der Berechnungsvorschrift nach DIN 3990-3 bzw. ISO 6336-3 nicht vorgesehen und können damit zu einer ungewollten Unterdimensionierung der Verzahnung führen. Des Weiteren kann sich die Verzahnungsgeometrie durch die Verformung des Zahnkranzes verändern und zu einer ungünstigen Lastverteilung oder einem erhöhten dynamischen Anregungsverhalten führen.

Im Rahmen dieses Vorhabens wurden umfangreiche Untersuchungen an gefügten Stirnrädern in einem Schrägungswinkelbereich von 0°…25° durchgeführt. Für die im Versuch dauerfest ertragbaren Belastungen wurde der Spannungszustand im Zahnfuß mittels numerischer Verfahren ermittelt. Die beobachtete Tragfähigkeitsminderung durch eine zusätzliche Spannungskomponente im Zahnfuß aufgrund einer Zahnkranzaufweitung kann durch einen linearen Mittelspannungseinfluss beschrieben werden. Für die untersuchte Verzahnung (18CrNiMo7-6, reinigungsgestrahlt) wurde eine Mittelspannungsempfindlichkeit von rd. 1,2 ermittelt. Mit dem beobachteten Mittelspannungseinfluss wurde ein Faktor YYm in das Berechnungsverfahren nach DIN 3990-3 bzw. ISO 6336-3 eingegliedert. Dieser berücksichtigt die Tragfähigkeitsminderung durch eine aufweitungsinduzierte Kranzspannung im Zahnfuß auf der Festigkeitsseite und ermöglicht eine zuverlässige Auslegung von gefügten Stirnrädern. Für eine optimale Ausnutzung des Tragfähigkeitspotenzials des Werkstoffs ist eine dreidimensionale Betrachtung des Spannungszustands im Zahnfuß zu empfehlen.

Im Rahmen von umfangreichen Vermessungen der Flankengeometrie an gefügten Rädern konnte der Profilwinkel als maßgeblich beeinflusste Größe unter den üblichen Flankenabweichungen identifiziert werden. Mithilfe eines geometrischen Modells wurde eine Berechnungsvorschrift abgeleitet, die eine Kompensation der im Fügeprozess auftretenden Profilwinkeländerung ermöglicht. Die Ergebnisse des Modells wurden an den Ergebnissen der Flankenmessungen validiert.

Mit den im Vorhaben generierten Methoden zur Auslegung hinsichtlich Zahnfußtragfähigkeit und der Kompensation der Profilwinkeländerung im Fügeprozess ist dem Konstrukteur eine ganzheitliche Auslegung gefügter, außenverzahnter Stirnräder unter optimaler Ausnutzung des Tragfähigkeitspotenzials des Werkstoffs möglich.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19484-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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.