Induktivhärten großer Zahnräder

Einfluss aus Baugröße, Werkstoff und Randhärtetiefe auf die Zahnfußtragfähigkeit induktivgehärteter Stirnräder größerer Baugröße

Zur Steigerung der Tragfähigkeit von Zahnrädern – dies umfasst sowohl den Zahnfuß als auch die Zahnflanke – werden diese in der Regel wärmebehandelt. Das gängigste Verfahren in der industriellen Praxis stellt hierbei das Einsatzhärten dar. Im Zuge der Energiewende, und z. B. aufgrund der immer größeren Transportaufgaben, werden z. B. Windkraftanlagen und Transportschiffe immer größer ausgeführt und die zu übertragenden Leistungen wachsen stetig an, wodurch derzeit auch die Baugröße der eingesetzten Zahnräder zunimmt. Die für diese Baugrößen erforderlichen Einsatzhärtungstiefen (CHD) erreichen dabei eine Größenordnung von mehreren Millimetern. Zur Realisierung sind entsprechend große Wärmebehandlungsanlagen und lange Prozesszeiten nötig. In diesem Zusammenhang stellt das Induktivhärten ein, insbesondere für großmodulige Zahnräder, geeignetes Wärmebehandlungsverfahren dar. Mit dieser Form der Wärmebehandlung sind Härtetiefen bis zu mehreren Zentimetern realisierbar. Des Weiteren wird das Bauteil nur lokal erwärmt, wodurch der gesamte Prozess schneller durchlaufen werden kann und weniger Energie eingesetzt werden muss. Die Kosten können damit insgesamt gesenkt werden. Zudem zeichnet sich das Induktivhärten in der Regel durch geringere Härteverzüge als das Einsatzhärten aus. Dies kann den Aufwand für die oft an den Wärmebehandlungsprozess anschließende, kostenintensive Schleifbearbeitung verringern.

Während für induktivgehärtete Zahnräder kleinerer Baugrößen (Modul mn ≤ 8 mm) bereits in FVA 29 und im Vorgängervorhaben FVA 660 I Untersuchungen durchgeführt wurden, liegen für induktivgehärtete Zahnräder größerer Baugröße (Modul mn > 8 mm) bisher keine zuverlässig abgesicherten Tragfähigkeitskennwerte vor. Ziel des Vorhabens war es deshalb, den derzeitigen Stand des Wissens zum Einfluss maßgebender Einflussparameter auf die Zahnfußtragfähigkeit induktivgehärteter Zahnräder größerer Baugröße zu erweitern. Hierfür wurden wesentliche Einflussgrößen, wie zum Beispiel der eingesetzte Grundwerkstoff, die Randhärtetiefe und der Baugrößeneinfluss, auf die Zahnfußtragfähigkeit induktivgehärteter Zahnräder größerer Baugröße untersucht.

Die Untersuchungen im Rahmen dieses Vorhabens konnten zeigen, dass für die Randhärtetiefe ein optimaler Bereich vorliegt. Der Baugrößeneinfluss für die in diesem Vorhaben untersuchten Varianten fällt, im Vergleich zu den Angaben nach ISO 6336 stärker aus, d.h. mit zunehmender Baugröße ist mit einer stärkeren Minderung der Zahnfußtragfähigkeit zu rechnen. Gleichwohl ist dabei zu beachten, dass die Zahnfußtragfähigkeit insgesamt deutlich höher liegt als die derzeit ausgewiesenen Festigkeitswerte nach ISO 6336. Weiterhin konnte abhängig vom Legierungssystem ein Einfluss auf die Zahnfußtragfähigkeit ausgemacht werden. Die Untersuchungen weiterer Parameter zeigen, dass diese einen untergeordneten Einfluss auf die Zahnfußtragfähigkeit haben. Insgesamt belegen die Untersuchungen, dass die Zahnfußtragfähigkeitskennwerte für induktivgehärtete Verzahnungen unter optimalen Bedingungen deutlich über den Angaben der Werkstoffqualität ME nach ISO 6336 liegen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19630-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.