Technische Universität München, FZG Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme
AllgemeinesForschungsberichte

Polierte Zahnräder

FVA 521 III | IGF-Nr. 20181-N

Tragfähigkeit und Verlustleistung poliergeschliffener Zahnräder geringer Oberflächenrauheit

Im Rahmen des Projektes „Polierte Zahnräder“ wurde der Einfluss unterschiedlicher Endbearbeitungsverfahren auf die Tragfähigkeitseigenschaften von einsatzgehärteten Zahnrädern untersucht. Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Fertigungsverfahren Polierschleifen, durch welches zum Gleitschleifen vergleichbare Oberflächengüten erzeugt werden können. Anhand experimenteller Prüfstandsversuche wurde untersucht, ob ein fertigungsprozessbedingter Einfluss auf die resultierenden Zahnflankentragfähigkeitskennwerte besteht. Zusätzlich wurde in Stichversuchen die Kombinierbarkeit von Kugelstrahlen und Polierschleifen zur weiteren Steigerung der Zahnflankentragfähigkeit geprüft. Neben den Referenz-Geradverzahnungen kamen Schrägverzahnungen in experimentellen Versuchen zum Einsatz, um die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf praxisnahe Anwendungsfälle zu validieren. In ergänzenden Wirkungsgrad- und Pulsatorversuchen wurde der Einfluss der aus unterschiedlichen Endbearbeitungsverfahren resultierenden Rauheitskennwerte auf die Getriebeverluste und die Zahnfußtragfähigkeit überprüft.

Es konnte gezeigt werden, dass mit zunehmend feinen Oberflächenrauheiten eine Erhöhung der Grübchentragfähigkeit einhergeht. Beim Vergleich der polier- und gleitgeschliffenen Zahnradvarianten zeigt sich, dass durch Polierschleifen vergleichbare oder sogar höhere Tragfähigkeitskennwerte realisierbar sind. Basierend auf diesen Ergebnissen wird abgleitet, dass die im Rahmen der Vorgängervorhaben erweiterten Berechnungsverfahren auch auf poliergeschliffene Zahnräder anwendbar sind. Anhand von Versuchen wurde gezeigt, dass die Erkenntnisse zum positiven Einfluss der feinen Zahnflankenoberflächen auf praxisnahe Schrägverzahnungen übertragbar sind, sofern durch geeignete Flankenkorrekturen Schäden aufgrund ungleichmäßiger Lastverteilung verhindert werden. Im Rahmen einer umfangreichen Messstudie hat sich gezeigt, dass der arithmetische Mittenrauwert Ra sowie insbesondere die gemittelte Rautiefe Rz für die Beurteilung von Zahnflankenoberflächen geeignet sind. Kein anderer, der im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Rauheitskennwerte, zeigt das Potenzial zur Verbesserung des Berechnungsverfahrens für den Rauheitsfaktor ZR. Des Weiteren wurde festgestellt, dass zur Realisierung des Tragfähigkeitspotenzials von Kugelstrahlverfahren in Kombination mit Polierschleifen oberflächeninduzierte Schäden durch vorzeitigen Eingriff oder geometrische Unstetigkeiten ausgeschlossen werden müssen. In den Pulsatorversuchen wurde festgestellt, dass hochfein bearbeitete Zahnfußrundungen zu keinem nennenswerten Einfluss auf die Zahnfußtragfähigkeit führen, sofern die geometrischen, metallographischen und röntgenographischen Eigenschaften der Zahnräder vergleichbar sind. Durch Polierschleifen mit geringem Materialabtrag können durch vorheriges Kugelstrahlen allerdings ausgeprägte Druckeigenspannungen in der oberflächennahen Randzone bei gleichzeitig feinen Oberflächenrauheiten und damit erhöhte Zahnfußtragfähigkeiten realisiert werden. Das Wirkungsgradverhalten von unterschiedlich endbearbeiteten Zahnrädern ist von den Betriebsbedingungen und dem daraus resultierenden Schmierungszustand abhängig. Für die poliergeschliffene Zahnradvariante zeigen sich insbesondere in Bereichen mit niedrigen resultierenden mittleren Verzahnungsreibungszahlen Effizienzvorteile gegenüber konventionell geschliffenen Zahnrädern.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 20181-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 Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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