Optimierung des Einsatzverhaltens von Stirnrädern durch maschinell gehämmerte Zahnoberflächen (OptiGear)

 

Geradverzahnte Stirnräder sind Zahnräder mit einer achsparallelen Verzahnung und sind als Funktionsbauteile in PKW-Schaltgetrieben und Industriegetrieben weit verbreitet. In Getrieben werden die Stirnräder so gegeneinander angestellt, dass ihre Zähne bei Rotation aufeinander abwälzen. Da sich in der Regel nur ein bis drei Zähne in Kontakt befinden, kann es bei nicht ausreichend korrigierter Zahnform zu stoßbehafteten Eingriffen im Wälzkontakt kommen, was als Abgleiten bezeichnet wird. Dadurch werden die Zahnflankentragfähigkeit, die Zahnfußtragfähigkeit und die Schwingungsanregung negativ beeinflusst. Bei evolventenverzahnten Stirnrädern wird zwar ein Abgleiten der Zahnflanken minimiert, jedoch kann es über die Einsatzdauer der Stirnräder zu tribologischem Verschleiß der Zahnflankenoberflächen kommen.

Durch die Optimierung des Zahnflankenkontakts unter tribologischen Gesichtspunkten kann sowohl eine Steigerung der Zahnflankentragfähigkeit als auch eine Steigerung der Effizienz eines Stirnradgetriebes erreicht werden. Das MOH ist ein industriell eingesetztes Verfahren zur Oberflächenbehandlung von hochbelasteten Bauteilen. Mit Hilfe des MOH wird eine Einglättung oder Strukturierung der Oberfläche, eine Indizierung von Druckeigenspannungen sowie eine Kaltverfestigung in der Randzone erreicht. Darüber hinaus werden durch MOH-Strukturen die tribologischen Eigenschaften der Oberflächen verbessert. Das MOH ist als Verfahren zur Optimierung von Reibung und Verschleiß des Wälzkontakts hochbelasteter Zahnräder unvollständig erforscht. Die Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen der Prozesskinematik beim Hämmern und der resultierenden Oberflächenstrukturen sowie die Auswirkungen dieser Oberflächenstrukturen auf den elasto-hydrodynamischen Schmierungszustand und die Verschleißbeständigkeit von Wälzkontakten sind nicht bekannt.

In diesem Forschungsprojekt wird zunächst die Modifikation der Oberflächenintegrität von einsatzgehärteten Zahnflanken-Analogieproben aus 16MnCr5 aufgrund der MOH-Bearbeitung untersucht und Ursache-Wirkung-Zusammenhänge zwischen MOH-Prozessparametern und der resultierenden Oberflächenintegrität erklärt. Im Anschluss wird der Einfluss der Randzonenmodifikation auf die Zahnflankentragfähigkeit, Reibung und Verschleiß im Zwei-Scheiben-Prüfstand sowie in numerischen Finit-Elemente-Simulationen untersucht.