Hochfeste Zahnräder durch pulvermetallurgische Herstellungsverfahren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann; Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 200616644

Für die Zahnradfertigung stehen verschiedene Prozessketten zur Verfügung. Eine Prozesskette mit hoher Ressourceneffizienz ist die pulvermetallurgische Fertigung, die aus Matrizenpressen, Sintern, Dichtwalzen und Einsatzhärten besteht. Der Ressourceneinsatz wird durch eine energieeffiziente Fertigung und einen geringen Materialeinsatz minimiert. Die dichtgewalzten PM-Zahnräder weisen bei gleicher Festigkeit ein ca. 10 % geringeres Gewicht gegenüber volldichten Zahnrädern auf. Dies trägt im Betrieb ebenfalls zur Ressourceneffizienz bei. Das hier beantragte Forschungsvorhaben setzt auf eine verbesserte Materialausnutzung und auf eine belastungsgerechte Grenzschicht zur Optimierung der Bauteilgestaltung. Damit geht das Forschungsvorhaben direkt auf die Ziele des Schwerpunktprogramms SPP 1551 Ressourceneffiziente Konstruktionselemente ein. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist die Steigerung der Ressourceneffizienz von Verzahnungen in Fertigung und Einsatz durch eine ganzheitliche Optimierung der pulvermetallurgischen Zahnradherstellung. Dazu soll eine Optimierung von Zahnfußgeometrie und Randschichtdichteprofil durch eine Vorhersage der zu erwartenden Zahnfußfestigkeit erfolgen. Dabei wird unter Berücksichtigung verschiedener Dichteprofile eine optimierte Zahnfußgeometrie bestimmt und die Dauerfestigkeit der Verzahnung berechnet, wobei die in Projektphase 1 erarbeitete Methodik angewendet wird. Durch Vergleich von Experiment und theoretisch ermittelten Werten wird die entwickelte Berechnungsmethodik zur Vorhersage der Zahnfußlebensdauer verifiziert. Weiterhin soll das Potenzial variabler Zahnfußgeometrien bei pulvermetallurgisch hergestellten, oberflächenverdichteten Verzahnungen bewertet werden. Es wird untersucht, welche Verzahnungen noch sinnvoll dichtwalzbar sind. Zusätzlich wird das Potenzial des Kugelstrahlens als alternatives Verdichtungsverfahren beurteilt. Das Kugelstrahlen bietet die Möglichkeit nicht walzbare Geometrien zu verdichten. Ergänzend soll die für den Zahnfuß entwickelte Berechnungsmethodik auf die Beurteilung der Wälzfestigkeit der Zahnflanke erweitert werden. Die ortsaufgelöste Gegenüberstellung von Beanspruchung und Beanspruchbarkeit soll auf den Fall des Hertzschen Kontaktes in einem Material, das durch Dichte- und Kohlenstoffgradienten in der Randschicht gekennzeichnet ist, erweitert werden. Weiterhin soll die Zusammenarbeit im Schwerpunktprogramm SPP 1551 genutzt werden, um ausgewählte Methoden zur Erzeugung von Grenzschichten aus anderen Teilprojekten auf die Prozesskette zur Herstellung von pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern zu übertragen. Es sollen geeignete Verfahren zur Erzeugung optimierter Grenzschichten identifiziert und untersucht werden. Dadurch soll eine weitere Steigerung der Ressourceneffizienz im Einsatz erzielt werden. Anhand von Festigkeitsvergleichen und eines Prozesskettenvergleichs wird abschließend noch ein rechnerischer Nachweis der Ressourceneffizienz erbracht.

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