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Kunststoff Puls

Thermokamerabild von Kunststoffzahnrädern bei konstanter Last und unterschiedlichen Frequenzen

Entwicklung einer Prüfmethode zur Bestimmung der Zeitschwellfestigkeit von Kunststoffzahnrädern mittels Pulsatorversuchen

Die Festigkeitswerte von Zahnrädern werden in der Regel anhand experimenteller Lebensdauerversuche bestimmt. Dabei gilt es grundlegend zwischen der Zahnfuß und Zahnflankentragfähigkeit zu unterscheiden. Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit erfolgen überwiegend an Pulsatorprüfständen. Versuche zur Zahnflankentragfähigkeit werden hingegen an Laufprüfständen durchgeführt.

Der Pulsatorversuch stellt dabei das insgesamt wirtschaftlichere Prüfverfahren dar. Insbesondere für Stahlwerkstoffe hat sich deshalb der Pulsatorversuch zur Bestimmung von Zeitschwellfestigkeiten durchgesetzt. Mit dem FVA Forschungsvorhaben 563 I ist zudem eine Richtlinie vorhanden, die ein standardisiertes Vorgehen bei Pulsatorversuchen für Stahlzahnräder beschreibt. Für diese liegen außerdem abgesicherte Korrelationswerte zwischen Pulsator und Laufversuch vor.

Die Anwendung dieser Faktoren bei Kunststoffzahnrädern führt jedoch nach Heym zu deutlichen Abweichungen. Schwierigkeiten bereitet dabei vor allem das im Vergleich zu Stahl unterschiedliche Materialverhalten von Kunststoff. Aufgrund des viskoelastischen Materialverhaltens im Kunststoff kommt es unter zyklischer Belastung zu einer Eigenerwärmung innerhalb des Werkstoffs. Bereits durchgeführte Voruntersuchungen an der Forschungsstelle zeigen, dass die Dämpfung und folglich auch die Zahntemperatur von der Pulsatorlast sowie der Prüffrequenz abhängen. Zusätzlich neigen Kunststoffe aufgrund ihres um den Faktor 100 geringeren E-Moduls zu einer verhältnismäßig hohen Zahnverformung unter Last. Dadurch tritt eine maßgebliche Änderung des Biegehebelarms auf. Dies führt im Allgemeinen zu einer Reduzierung der auftretenden Zahnfußspannung. Durch die hohen Zahnverformungen kann mit den herkömmlichen planparallelen Pulsatorbacken der Kraftangriffspunkt nur ungenau und schwer reproduzierbar eingestellt werden.

Versuche zur Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern finden aufgrund der genannten Schwierigkeiten deshalb bislang überwiegend in Laufversuchen statt. Die Eignung des Pulsatorversuchs zur Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit mit einem Vorgehen nach FVA Forschungsvorhaben 563 I ist hingegen für Zahnräder aus Kunststoff noch nicht vollständig geklärt. Um die Vorteile des Pulsatorversuchs auch für Kunststoffzahnräder nutzbar zu machen, ist eine auf die spezifischen Materialeigenschaften von Kunststoff abgestimmte standardisierte Prüfmethode erforderlich. Damit soll eine Möglichkeit zur schnellen, effizienten und kostengünstigen Ermittlung von Materialkennwerten bzw. der Zahnfußtragfähigkeit thermoplastischer Werkstoffe geschaffen werden.

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