Geometrieeinfluss Zahnflankenbruch

Separierte Analyse der Biege- und Kontaktpressungseinflüsse auf die Zahnflankenbruchgefahr von Stirnrädern

Infolge der stetigen Optimierung von Zahnrädern im oberflächennahen Bereich kommt es vermehrt zu Zahnflankenbrüchen. Die Schadensart Zahnflankenbruch hat ihren Rissausgang typischerweise im Zahnvolumen unter der gehärteten Randschicht an einer Fehlstelle im Material. Wesentliche Einflussgrößen auf die Zahnflankenbruchtragfähigkeit sind die Einsatzhärtetiefe, die Kernhärte, Eigenspannungen und die Materialreinheit. Weiterhin bestimmen die Primär- und Sekundärbeanspruchung im Zahnflankenkontakt die Zahnflankenbruchgefahr.

Die geometrischen Einflussgrößen auf die Zahnflankenbruchtragfähigkeit sind derzeit unzureichend erforscht. Daher hatte das zugrunde liegende Forschungsvorhaben die Analyse der geometrischen Einflüsse auf die Zahnflankenbruchtragfähigkeit als Zielsetzung.

Zur Erreichung der Zielsetzung wurden im Rahmen des Vorhabens verschiedene Arbeitspakete abgearbeitet. Im ersten Schritt wurde die FE-basierte WZL-Zahnflankenbruchtragfähigkeitsberechnung um eine lokale Feinvernetzung im zahnflankenbruchkritischen Bereich des Zahnvolumens erweitert. Die lokale Feinvernetzung ermöglicht die rechenzeit- und speichereffiziente Berechnung von Einflusszahlen im Rahmen des Programmablaufs der FE-Stirnradkette. Mit dieser Erweiterung werden auch großmodulige Zahnräder mit hohen Verzahnungsbreiten effizient ohne Einbußen bei der Ergebnisgüte der für die nachgelagerte Flankenbruchberechnung notwendigen Spannungstensor-Zeitverläufe berechenbar. Nach Implementierung der Schnittstelle zwischen FE-Stirnradkette und Zahnflankenbruchberechnung wurde ein Methodenträger mit grafischer Benutzeroberfläche entwickelt, welcher der Industrie zugänglich gemacht wurde. Eine anschließend durchgeführte simulative Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der geometrischen Einflüsse auf die Zahnflankenbruchtragfähigkeit bildete die Basis für die Auslegung verschiedener Prüfverzahnungsvarianten. Die Prüfverzahnungen wurden im Anschluss am WZL gefertigt und auf dem Zwei-Wellen-Verspannungsprüfstand mit Achsabstand a = 200 mm am WZL experimentell untersucht. Bei den durchgeführten Versuchen zeigte sich, dass der Einfluss der Materialeigenschaften auf die Zahnflankenbruchtragfähigkeit den Einfluss der Geometrie überwiegt. Durch metallografische Analysen konnte in der Nachrechnung der Prüfverzahnungen mit der entwickelten Methode und gemessenen Eingabegrößen gezeigt werden, dass die Einsatzhärtetiefe CHD550 und die Kernhärte HVK die Zahnflankenbruchtragfähigkeit erheblich steigern. Weiterhin liegt eine wesentliche Einflussgröße in der Berechnungsmethode in der Wahl der Fehlstellenverteilungsfunktion und ihrer Parametrierung. Im Ergebnis zeigte sich, dass die Methode sensitiv auf veränderliche Materialeigenschaften reagiert und somit eine sehr gute Kenntnis der Eingabegrößen für eine präzise Zahnflankenbruch-Tragfähigkeitsberechnung voraussetzt.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 01|F21613 Nder Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.