Entwicklung und Validierung von Analogieproben zur Ermittlung von Zahnfußtragfähigkeitskennwerten an hochfesten Einsatzstählen großer Baugröße

Zusammenfassung

Experimentelle Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit werden üblicherweise an geradverzahnten Stirnrädern in Pulsatorversuchen durchgeführt [4, 5, 16]. Hierbei können unter geringem Zeit- und somit auch Kostenaufwand statistisch abgesicherte Festigkeitskennwerte ermittelt werden. Typische Versuchsgeometrien liegen hierbei im Baugrößenbereich Modul m = 3 … 5 mm. In der Literatur ist belegt, dass mit steigender Baugröße (Modul) die Tragfähigkeit werkstoffabhängig abnimmt [16, 25, 26]. Für Verzahnungen großer Baugröße (bei einsatzgehärteten Zahnrädern ab einem Modul von ca. 15 mm) stoßen jedoch weit verbreitete Pulsator-Prüfmaschinen im Kraftbereich bis ca. 250 kN an die Lastgrenzen. Um auch für Verzahnungen im Bereich Modul 20 mm und größer experimentell abgesicherte Festigkeitskennwerte zu ermitteln, sind neue Prüfgeometrien erforderlich.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden über den Ansatz der Finite Elemente Methode (FEM) Analogieproben unterschiedlicher Baugrößen entwickelt, die im kritischen Querschnitt sowohl im Betrag als auch in der Ausrichtung vergleichbare Spannungen wie Prüfräder im kritischen Querschnitt (30°-Tangente) aufweisen. Weiterhin wurden ebenfalls unter Zuhilfenahme der FEM Prüfvorrichtungen entwickelt, die die auftretenden Lasten sicher übertragen können. Die berechneten Analogieproben wurden anschließend gefertigt und auf einem elektromagnetisch erregten Resonanzpulsator Lebensdauerversuche durchgeführt. Die Probenentnahme erfolgte dabei derart, dass der hoch beanspruchte Bereich der Analogieprobe aus dem Bereich des Rohmaterials entnommen wurde, in dem für eine Verzahnung gleicher Baugröße auch der kritische Zahnfußquerschnitt vorliegen würde. Die experimentellen Versuchsergebnisse zur Tragfähigkeit wurden mit Prüfzahnrädern üblicher Geometrie (s. z. B. [6, 21, 25, 26]) der Baugrößen Modul 5 mm und Modul 10 mm verglichen. Es zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung der Versuchsergebnisse an den Analogieproben sowie den zugehörigen Prüfverzahnungen.

Die in dieser Arbeit entwickelte Prüfmethodik stellt somit eine geeignete Vorgehensweise dar, um experimentelle Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit an hoch tragfähigen Werkstoffzuständen großer Baugröße sicher durchzuführen und die ermittelten Festigkeitskennwerte in die Auslegung von (Stirnrad‑)Getrieben einfließen zu lassen.

Abstract

Experimental investigations on the tooth root load capacity are usually carried out on spur gears in pulsator tests [4, 5, 16]. This allows statistically verified strength parameters to be determined at low cost and in a short time. Typical test geometries are in the size range module m = 3 … 5 mm. Literature shows that the load carrying capacity decreases with increasing size (module) depending on the material [16, 25, 26]. For gears of large sizes (for case-hardened gears from a module of approx. 15 mm), however, widely used pulsator test rigs, in the force range up to approx. 250 kN, reach their load limits. Therefore, new test geometries are required in order to determine experimentally verified strength values for gears with a module of 20 mm and above.

As part of this work, analogy specimens of different sizes were developed using the finite element method (FEM), which exhibit comparable stresses in the critical cross-section both in magnitude and in orientation to test gears in the critical cross-section (30° tangent). Furthermore, test fixtures were also developed with the aid of FEM, which can safely transfer the loads that occur. The calculated analogy specimens were then manufactured and endurance tests were performed by using an electromagnetic pulsating test rig. The samples were taken in such a way that the highly stressed area of the analogy sample was taken from the area of the raw material in which the critical tooth root cross-section would also be present for a gear of the same size. The experimental test results were compared with test gears of standard geometry [6, 21, 25, 26] of module 5 mm and module 10 mm. The test results on the analogy specimens and the corresponding test gears were found to be in very good agreement.

The test methodology developed in this work thus represents a suitable procedure for reliably carrying out experimental investigations on the tooth root load capacity of materials with high fatigue strength and specimens of large size. The hereby gained strenght values can be used in designing new gear stages.