Kunststoff Puls
FVA 932 I | IGF-Nr. 21797 N
Entwicklung einer Prüfmethode zur Bestimmung der Zeitschwellfestigkeit von Kunststoffzahnrädern mittels Pulsatorversuchen
Festigkeitswerte zur Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit von Zahnrädern werden in der Regel anhand experimenteller Lebensdauerversuche ermittelt. Während die Zahnflankentragfähigkeit im Laufversuch untersucht werden kann, ist eine Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit grundsätzlich sowohl im Lauf- als auch im Pulsatorprüfstand möglich. Der Pulsatorversuch stellt dabei aufgrund verschiedener Vorteile das insgesamt wirtschaftlichere Prüfverfahren dar. Versuche zur Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern finden jedoch bislang überwiegend in Laufversuchen statt. Ursache hierfür ist in erster Linie das im Vergleich zu Stahl komplexe Materialverhalten von Kunststoff, wie z. B. die Eigenerwärmung unter Last (siehe Bild links). Die Eignung des Pulsatorversuchs zur Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit ist für Kunststoffzahnräder daher noch nicht vollständig geklärt. Um die Vorteile des Pulsatorversuchs auch für Kunststoffzahnräder nutzbar zu machen, waren umfangreiche Untersuchungen zum Betriebsverhalten von Kunststoffzahnrädern im Pulsator erforderlich, die als Grundlage für die Ableitung einer Prüfmethode dienen und zur schnellen, effizienten und kostengünstigen Ermittlung von Materialkennwerten bzw. der Zahnfußtragfähigkeit thermoplastischer Werkstoffe verwendet werden können.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens erfolgten sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen, die zu einem tieferen Verständnis des Materialverhaltens von Kunststoffzahnrädern beigetragen haben. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode erfolgte zunächst eine detaillierte Betrachtung der Beanspruchungsverhältnisse von Kunststoffzahnrädern im Pulsator unter Berücksichtigung der Zahnverformung, die infolge der niedrigen Werkstoffsteifigkeit signifikant höher ist als bei Stahlzahnrädern. In experimentellen Versuchen wurde des Weiteren die Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern im Pulsator umfassend untersucht. Neben dem thermischen Betriebsverhalten mit umfangreichen Zahntemperaturmessungen bildeten Untersuchungen zur Lebensdauer den zentralen Punkt der experimentellen Versuche. Dabei konnten für den Werkstoff POM sowohl im Lauf- als auch im Pulsatorversuch vergleichbare Schadensbilder festgestellt werden. Des Weiteren zeigt sich wie auch im Laufversuch eine deutliche Abhängigkeit der Lebensdauer von der Zahntemperatur, was sich in einer parallelen Verschiebung der Wöhlerlinie äußert (siehe Bild rechts). Eine direkte Gegenüberstellung der ermittelten Lebensdauer von Pulsator- und Laufversuch unter vergleichbaren Versuchsbedingungen zeigt für den Pulsator einen insgesamt steileren Verlauf der Wöhlerlinie, was besonders im Bereich hoher Lastwechselzahlen zu einer niedrigeren bzw. konservativeren Lebensdauer im Pulsatorversuch führen kann. Trotz der Unterschiede im Verlauf der Wöhlerlinien erscheint der Pulsatorversuch, bei entsprechender Versuchsdurchführung und -auswertung sich grundsätzlich gut für die Bestimmung der Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern zu eignen.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 21797 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
