Optimierung des Einsatzverhaltens von Stirnrädern durch maschinell gehämmerte Zahnoberflächen (OptiGear2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 390969378

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 Zahnflanken- und Fußkontakts unter tribologisch-werkstofftechnischen Gesichtspunkten kann sowohl eine Steigerung der Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit als auch eine Steigerung der Effizienz eines Stirnradgetriebes erreicht werden. Das maschinelle Oberflächenhämmern (engl. Machine Hammer Peening) ist ein industriell eingesetztes Verfahren zur Oberflächenbehandlung von hochbelasteten Bauteilen. Mit Hilfe des maschinellen Oberflächenhämmerns wird eine Einglättung der Oberfläche, eine Indizierung von Druckeigenspannungen sowie eine Kaltverfestigung in der Randzone erreicht. Darüber hinaus werden durch MHP-Strukturen die tribologischen Eigenschaften der Oberflächen verbessert. Das maschinelle Oberflächenhämmern 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. Es bedarf konkreter Grundlagenforschung auf diesem Gebiet, um die tribologischen Wirkmechanismen strukturierter Oberflächen im hochbelasteten Wälzkontakt zu identifizieren, zu quantifizieren und zu erklären. Darauf aufbauend müssen die Wechselwirkungen der gehämmerten Oberflächenstrukturen in Hinblick auf die Zahnflankentragfähigkeit, Reibung und Verschleiß experimentell und numerisch untersucht, verstanden und erklärt werden. Da das maschinelle Oberflächenhämmern ein elasto-plastischer Druckumformprozess ist, muss anschließend die Wechselwirkung zwischen der Kaltverfestigung des Werkstoffs und der Zahnfußbruchtragfähigkeit sowie das plastisch veränderte Zahnprofil untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen