Gestaltoptimierung zur Maximierung der Dauerfestigkeit von Bauteilen mit Randschichtverfestigung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Berechnung der Tragfähigkeit von randschichtverfestigten Bauteilen stellt auf Grund der Vielzahl von Einflussfaktoren und der Komplexität ihrer Wirkmechanismen eine große Herausforderung dar. Gleichzeitig besteht sowohl ein hohes wissenschaftliches als auch praktisches Interesse an Berechnungsmodellen, die die Versagensmechanismen in lokal modifizierten Randschichten qualitativ und quantitativ darstellen können. Dies trifft besonders für industriell bedeutende Verfahren zur Randschichtverfestigung zu, wie zum Beispiel dem Einsatzhärten, welches im Fokus der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten Arbeiten stand. In diesem Forschungsvorhaben wurde aufbauend auf den entwickelten Zusammenhängen zur Gestaltoptimierung von randschichtverfestigten Bauteilen ein Berechnungssystem mit dem Namen TRAB3D (Tragfähigkeitsberechnung randschichtbehandelter Bauteile für dreidimensionale Modelle) entwickelt. Es basiert auf dem erweiterten Fehlstellenmodell und wurde für die Verwendung mit Finite-Elemente- Modelle entwickelt. Parallel zu der Entwicklung des Systems TRAB3D wurde im Rahmen des Projektes eine Methodik entwickelt, um die benötigten lokalen Material- und Randschichteigenschaften durch eine Kombination messtechnischer Verfahren und korrelierender Ableitungen zu bestimmen. Eine große Bedeutung kam dabei der Berücksichtigung von Oberflächeneinflüssen zu. Für einsatzgehärtete Zahnräder sind dies im Wesentlichen der Einfluss der Rauheit und der Randoxidation. Um die entwickelten Berechnungsansätze überprüfen zu können, wurde eine umfangreiche Versuchsreihe durchgeführt, in der die Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter geradverzahnter Stirnräder experimentell ermittelt wurde. Dabei wurden in einzelnen Versuchsserien systematisch Einflussfaktoren auf die Tragfähigkeit variiert, zum Beispiel die Zahnfußgeometrie, die Oberflächenbeschaffenheit oder die Einhärtungstiefe. Zusätzlich wurde eine kugelgestrahlte Variante untersucht. Durch umfangreiche messtechnische Untersuchungen der Versuchsräder konnte sichergestellt werden, dass keine unerwünschten Einflüsse, wie zum Beispiel Schleifbrand vorlagen. Gleichzeitig wurden aus diesen Messungen Tiefenverläufe der für die Tragfähigkeitsberechnung benötigten Festigkeitskennwerte abgeleitet. Parallel zu diesen Arbeiten wurde die Zahnfußtragfähigkeit der einzelnen Versuchsräder mit dem System TRAB3D rechnerisch ermittelt. Der Vergleich von experimentell und rechnerisch ermittelten Tragfähigkeitswerten lässt die Schlussfolgerung zu, dass das System die Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder mit guter Genauigkeit rechnerisch erfassen kann. Zusätzlich konnte mit Hilfe von Optimierungsrechnungen einer HKS-Werkzeugaufnahme gezeigt werden, dass die hier entwickelten Ansätze auf beliebige randschichtverfestigte Bauteile übertragbar sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Tragfähigkeits- und fertigungsorientierte Zahnfußoptimierung einsatzgehärteter Stirnräder. Bericht zur 46. Arbeitstagung "Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen" des WZL am 20./21. April 2005, Aachen
Brecher, C.; Zuber, D.
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Endurance and Manufacturing Oriented Shape Optimisation of Case- Hardened Gears. Production Engineering, vol. 13, no. 2, 2006
Brecher, C.; Zuber, D.
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Optimierung der Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder unter Berücksichtigung von Fertigungsrandbedingungen. In: Tagungsband "1. Konferenz für angewandte Optimierung in der virtuellen Produktentwicklung". 21./22.03.2006, Karlsruhe
Brecher, C.; Zuber, D.
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Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit einsatzgehärteter Stirnräder mit unterschiedlichen Randschichteigenschaften und Zahnfußgeometrien. Bericht zur 47. Arbeitstagung "Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen" des WZL am 10./11. Mai 2006, Aachen
Brecher, C.; Zuber, D.
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Rechnerische und experimentelle Untersuchung von Einflussgrößen auf die Fußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder. Dissertation am WZL der RWTH Aachen, erscheint 2007
Zuber, D.
