Grübchentragfähigkeit PM Zahnrad
FVA 788 II | IGF-Nr. 01|F21851 N
Methode zur Berechnung der Grübchentragfähigkeit randschichtverdichteter pulvermetallurgischer Stirnradverzahnungen
Pulvermetallurgisch hergestellte Zahnräder zeichnen sich neben einer kostengünstigen und zugleich ressourceneffizienten Fertigung durch eine hohe Formgenauigkeit aus. Die dem Werkstoff inhärente Porosität mindert jedoch die Beanspruchbarkeit, sodass im Allgemeinen von einer gegenüber schmelzmetallurgisch hergestellten Zahnrädern verminderten Grübchentragfähigkeit
auszugehen ist.
Das Vorhaben hat diesen Aspekt sowohl aus experimenteller als auch numerischer Perspektive adressiert. Poröse Zahnräder aus Fe-0,85Mo wurden zunächst durch Kaltwalzen randschichtverdichtet und anschließend unterschiedlichen Einsatzhärtungen unterzogen. Im Zwei-Wellen-Verspannungsprüfstand wurde schließlich ein Zuwachs der Grübchentragfähigkeit für steigende Einsatzhärtetiefen ermittelt, wobei vergleichbare Festigkeiten zu einer schmelzmetallurgischen Variante aus dem Einsatzstahl EN16MnCr5 festgestellt wurden. Hierbei wurde für die pulvermetallurgischen Versuchszahnräder eine optimale Einsatzhärtetiefe von 0,4*Modul identifiziert.
Diese experimentell gewonnenen Erkenntnisse konnten durch eine im Rahmen des Projektes erarbeitete Berechnungsmethodik numerisch abgebildet werden. Ausgehend von einer Wärmebehandlungssimulation sowie einer nachfolgenden Simulation der Belastung der Zähne im Betrieb konnte die lokale Beanspruchung im Zahnrad ermittelt werden. Unter Verwendung eines entwickelten Regressionsmodells zur Beschreibung der Beanspruchbarkeit des Werkstoffes bei gegebener Dichte, Härte und Gefügezusammensetzung sowie einer geeigneten Versagenshypothese wurde die Versagenswahrscheinlichkeit für unterschiedliche Antriebsmomente ermittelt Hierbei wurde eine gute Übereinstimmung sowohl im Hinblick auf die dauerhaft
ertragbare Belastung als auch auf den Ort der Schadensinitiierung festgestellt. Im Zuge der Ermittlung des Regressionsmodells wurden weitergehend neue Erkenntnisse im Hinblick auf die Schwingfestigkeit von Sinterstählen gewonnen.
Die Ergebnisse des Projektes legen dar, dass das Einsatzhärten zum einen eine signifikante Steigerung der Tragfähigkeit von pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern bewirken kann. Zum anderen wird ebenso deutlich, dass das Versagen solcher Komponenten mit Hilfe der erarbeiteten Methode zuverlässig vorhergesagt werden kann, sodass eine gezielte Auslegung und Prozessentwicklung für die Fertigung hochbelastbarer pulvermetallurgischer Zahnräder ermöglicht wird.
Das Vorhaben IGF-Nr. 01|F21851 N der 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.
