Lokale Zahnfußtragfähigkeit von Stirnrädern bei Biegewechsellast

Die Biegewechselbeanspruchung im Zahnfuß führt zu einer deutlichen Minderung der Zahnfußtragfähigkeit. Bestehende Untersuchungen haben v.a. in Pulsatorversuchen die Biegewechsellast von Geradverzahnungen fokussiert und globale Einflussfaktoren für die Biegewechsellast formuliert bzw. bestätigt. Die Anwendbarkeit dieser Formulierungen auf Schrägverzahnungen ist nicht verifiziert. Durch die Einführung eines Schrägungswinkels ergeben sich im Vergleich zu Geradverzahnungen variable Spannungsverhältnisse über der Zahnbreite. Die hieraus resultierenden Beanspruchungskonfigurationen entsprechen nicht dem aus Geradverzahnungen bekannten, über der Zahnbreite konstanten Beanspruchungsfall, sodass eine direkte Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Schrägverzahnungen erschwert ist.

Zur Beschreibung des Einflusses der Biegewechsellast auf die Zahnfußtragfähigkeit von Schrägverzahnungen ist daher eine isolierte Betrachtungsweise erforderlich, in der nur dieser Beanspruchungsfall unter Ausschluss weiterer Einflussgrößen untersucht wird. In dem Forschungsvorhaben „Lokale Zahnfußtragfähigkeit von Stirnrädern bei Biegewechsellast“ wurde im Speziellen der Schrägungswinkeleinfluss auf die Ausprägung lokaler, über der Zahnbreite veränderlicher Zahnfußspannungen unter Wechsellasteinfluss simulativ und experimentell untersucht. Hierzu wurde mit einem innovativen Biegewechsellastprüfstand ein neuartiges Prüfkonzept zur isolierten Untersuchung des Wechsellasteinflusses eingesetzt.

Es wurden drei Prüfverzahnungen ausgelegt und gefertigt, die den Schrägungswinkeleinfluss auf die örtliche Biegewechselfestigkeit isoliert betrachtbar machen. Die Berechnung der örtlichen Spannungsverteilungen auf der Zug- und Druckseite der Verzahnung wurde anhand der Erweiterung einer etablierten FE-basierten Zahnkontaktanalyse (STIRAK) durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Zahnfußspannungsberechnung von STIRAK durch eine DMS-Messkampagne mit verschiedenen Mikrogeometrien, die auf ein schrägverzahntes Stirnrad aufgebracht wurden, erfolgreich validiert. Das gesetzte Ziel des Forschungsvorhabens ist ein lokaler Berechnungsansatz für die Zahnfußtragfähigkeit von Zahnrädern unter Biegewechsellast, insbesondere für Schrägverzahnungen, der erfolgreich entwickelt werden konnte. Der durch die Zahnfußtragfähigkeitsuntersuchungen am Biegewechsellast-Verspannungsprüfstand validierte Berechnungsansatz ermöglicht es, die im Zahnfuß vorliegenden lokalen Zahnfußspannungen in einen normfähigen Wechsellastfaktor zu überführen, sodass dieser in künftigen Auslegungen im Rahmen der Berechnungsvorschriften nach ISO 6336 genutzt werden kann.

Die Zahnfußtragfähigkeitsuntersuchung zeigt weiterhin, dass die betrachteten Schrägverzahnungsvarianten ein von den bisher untersuchten Geradverzahnungen abweichendes Wechsellasttragfähigkeitsverhalten haben. Zu betragsmäßig höheren Drehmoment- und Zahnfußspannungsverhältnissen nimmt die Tragfähigkeitsminderung einen degressiven Verlauf an, der bei der betrachteten Geradverzahnung nicht festgestellt werden konnte, siehe Detail A im Bild. Damit konnte neben dem Werkstoffeinfluss ebenfalls ein Geometrieeinfluss auf die Mittelspannungsempfindlichkeit nachgewiesen werden. Eine Parameterstudie bestätigt weiterhin die nichtkonstante Wechsellastempfindlichkeit von Verzahnungen in Abhängigkeit des Schrägungswinkels. Die Ergebnisse dieses Vorhabens stellen erstmals eine beträchtliche Datenbasis zur Wechsellast-Zahnfußtragfähigkeit von schrägverzahnten Stirnrädern dar und liefern die Werkzeuge für weitergehende, detaillierte Betrachtungen der Zahnfußtragfähigkeit bei Biegewechsellast für unterschiedliche Werkstoffsysteme sowie Zahnradgeometrien.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18085 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.