Geometrieeinfluss Zahnflankenbruch

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

Aktuelle Bestrebungen zur effizienten und ressourcenschonenden Fertigung von Zahnradgetrieben verfolgen das Ziel einer Gewichts- und Baugrößenreduktion. Infolge dessen steigt die Leistungsdichte des Getriebes, da entweder höhere Drehmomente/Drehzahlen bei gleicher Baugröße oder gleichbleibende Drehmomente/Drehzahlen über ein kompakteres Getriebe gewandelt werden sollen. Daraus resultieren erhöhte Anforderungen an die Tragfähigkeit der Zahnradstufen. Die Grundvoraussetzung zur Ermittlung der Tragfähigkeit ist die genaue Kenntnis des lokalen Beanspruchungszustandes auf der Zahnflanke und im Zahnfuß. Durch Kenntnis des lokalen Beanspruchungszustandes und seiner Einflussgrößen kann eine Optimierung mit dem Ziel einer Beanspruchungsreduktion durchgeführt werden. Die oberflächennahe Beanspruchung der Zahnflanke wurde in jüngeren Forschungsvorhaben und in der Industrie umfassend untersucht. Es existieren zahlreiche Untersuchungen und Handlungsempfehlungen zur Reduktion der Beanspruchung im Bereich der oberflächennahen Randzone. Gleichermaßen konnte die Beanspruchung des Zahnfußes in den vergangenen Jahren durch gezielte Maßnahmen in der Auslegung und Fertigung reduziert werden (z.B. vollausgerundete oder asymmetrische Zahnfüße, geschliffene/gleitgeschliffene Zahnfüße, Verfestigungsstrahlen etc.). Die Maßnahmen zur Beanspruchungsreduktion im oberflächennahen Bereich der Zahnflanke und im Zahnfuß führten zu einer Verschiebung des Anrisses hin zu hohen Werkstofftiefen und zum vermehrten Auftreten von Zahnflankenbrüchen. Zur Vermeidung von Zahnflankenbrüchen adressieren jüngste Forschungsaktivitäten die Erhöhung der Beanspruchbarkeit in der Werkstofftiefe (z.B. Erhöhung der Werkstoffreinheit, Optimierung der Einsatzhärtetiefe etc.). Da die Rissinitiierung und -ausbreitung beim Zahnflankenbruch jedoch nicht umfassend untersucht sind, ist der Einfluss des Beanspruchungszustandes auf die Entstehung von Zahnflankenbrüchen aktuell nicht bekannt. Insbesondere sind die Einflüsse der HERTZ‘schen Druckbeanspruchung und der nachgelagerten Zugbeanspruchung infolge Zahnbiegung auf die Phasen der Rissinitiierung und -ausbreitung unzureichend erforscht. Es gibt aktuell keine Methode, durch die diese Einflüsse simulativ abgebildet und im Gesamtsystem des Getriebes im Zuge der Auslegung analysiert werden können.