Optimierung der Zahnradendbearbeitung: Steigerung der Ressourceneffizienz von Grenzschichten im Zahnflankenkontakt

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200362634

Ansätze zur Steigerung der Ressourceneffizienz von Zahnrädern liegen in der Verlängerung der Lebensdauer sowie in der Reduzierung der Reibung im tribologischen Kontakt. Reibung und Ver-schleiß von Zahnflanken werden durch Grenzschichten beeinflusst, die einen direkten metallischen Kontakt verhindern. Die Eigenschaften der Grenzschicht stellen sich in Abhängigkeit der Vorkonditionierungskette (Endbearbeitung und Einlauf) ein. Im Forschungsvorhaben BR 2905/44-1 werden Potenziale aufgezeigt, mit einer zielgerichteten Endbearbeitung von Zahnradanalogieprüfkörpern die Ermüdungslebensdauer um 30% und den Wirkungsgrad um 10% zu steigern. Eine Übertragung dieser Untersuchungen vom Zwei-Scheiben-Kontakt auf den Zahnflankenkontakt war bisher nicht Gegenstand der Forschung und liegt deshalb im Fokus des beantragten Projekts. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist eine Gestaltungsrichtlinie für die Zahnradendbearbeitung zur zielgerichteten Einstellung fertigungsbedingter Grenzschichten. Die Prozessparameter der Endbearbeitung werden dahingehend optimiert, dass die resultierenden thermischen und mechanischen Energieeinträge die Grenzschichtbildung begünstigen. Eine zielgerichtete Endbearbeitung erlaubt einen geringeren Ressourceneinsatz im Betrieb durch die Minimierung von Reibung und Verschleiß. Der verringerte Energieeinsatz wird in einem lokalen Modell zur Wirkungsgradberechnung unter Berücksichtigung der Grenzschichteigenschaften berechenbar gemacht. Zur Erreichung des Ziels werden Prüfstandsversuche hinsichtlich Tragfähigkeit und Wirkungsgrad an unterschiedlich endbearbeiteten Zahnrädern durchgeführt. Die Endbearbeitung der Zahnräder erfolgt durch das in der Praxis verbreitete kontinuierliche Wälzschleifen. Das WZL verfügt durch aktuelle Forschungsprojekte über Methoden zur Beschreibung der Zerspankräfte und der thermischen Randzonenbeeinflussung beim Wälzschleifen von Verzahnungen. Auf dieser Basis ist der Energieeintrag während des Schleifprozesses beschreibbar und damit eine Möglichkeit gegeben, Rückschlüsse auf die resultierende Grenzschicht zu ziehen. Die mit der Erreichung des Projektziels verbundene Verringerung der Verlustleistung sowie Erhöhung der Lebensdauer von Zahnrädern erlaubt es, Antriebsstränge nachhaltiger und wirtschaftlicher auslegen zu können. Es werden günstige Voraussetzungen zur Ressourcenschonung in der Antriebstechnik geschaffen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1551: Ressourceneffiziente Konstruktionselemente