Maß- und Formänderung von Leichtbauzahnrädern

m vorliegenden Forschungsvorhaben wurde durch systematische Geometrievariationen untersucht, welche Auswirkung die Gewichtsreduzierung von Zahnrädern auf die Maß-und Formänderungen nach dem Einsatzhärten hat. Zur Erreichung dieses Ziels wurden experimentelle Untersuchungen und Simulationen einander ergänzend eingesetzt. Der Verzug wurde im Wesentlichen an unverzahnten Grundkörpern untersucht. Diese Festlegung führt zu einer deutlichen Reduzierung des Fertigungs- und Messaufwands, ohne den angestrebten Erkenntnisgewinn deutlich einzuschränken, da der mittlere Verzahnungsverzug im Wesentlichen aus dem Grundkörperverzug resultiert. Zur Charakterisierung dieses Effekts wurde an ausgewählten Varianten eine Verzahnung eingebracht und deren Einfluss untersucht. Die zu untersuchenden Geometrievariationen wurden auf zwei Ebenen systematisiert. Zum einen wurden Untersuchungen an zwei praxisrelevanten Größenklassen durchgeführt. Dazu wurde je ein Typ Schmiederohling mit den Abmessungen typischer Räder aus dem PKW-Bereich (Personenkraftwagen) und einer aus dem NFZ-Bereich (Nutzfahrzeug) gefertigt. Zum anderen wurden für beide Größenbereiche Geometrievariationen mit unterschiedlichen Symmetriegraden untersucht (Bild 1): Bild 1: Schematische Darstellung der unterschiedlichen Symmetrielevel Auf dem Symmetrielevel 1 wurden Stegbreite a und Zahnkranzbreite b mit Massereduzierungen von bis zu 20% variiert. Auf dem Level 2 wurde die Stegposition d verändert und ein verkippter Steg analysiert. Hintergrund dabei war eine Bauraumoptimierung. Ferner wurde der Einfluss von Bohrungen im Steg analysiert (zusätzlich realisierte Masseeinsparung von bis zu 5,3 %). Untersucht wurde die Einsatzhärtung in den Varianten Niederdruckaufkohlung mit Hochdruckgasabschreckung in einer Anlage Bauart ALD Modultherm (nur Größenklasse PKW) und Gasaufkohlung mit Ölabschreckung in einem Mehrzweckkammerofen Bauart Aichelin (PKW und NFZ). Die Chargen bestanden immer aus acht Teilen einer Geometrie, die liegend chargiert waren. Die Abkühlverläufe zur Ermittlung des Wärmeübergangs wurden mittels Datenlogger erfasst, wobei die Versuche im Öl mit einem neu entwickelten Schutzgehäuse der Fa. Phoenix TM durchgeführt wurden. Zur Durchführung der Wärmebehandlungssimulation stand ein umfangreicher Datensatz aus den Arbeiten des SFB 570 zur Verfügung. Das Umwandlungs-verhalten musste allerdings für die hier vorliegende Schmelze bestimmt werden. Weiterhin wurde der Faserverlauf aus den Universalrohlingen in die Modellierung einbezogen, um den Effekt der Verzugspotenzialträger Seigerungen und Gefüge in Relation zum Geometrieeinfluss bewerten zu können. Dieser wurde für beide Rohlingstypen aus Umformsimulationen durch die Firma Kistler Automotive GmbH ermittelt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden die kompletten Wärmebehandlungszyklen für ausgewählte experimentell untersuchte Geometrien simuliert. Die resultierenden Ergebnisse wurden mit den experimentellen Befunden verglichen und bewertet. Dabei zeigte sich, dass selbst unter Variation des Umwandlungsmodells und des Wärmeübergangs die Maßänderungen nicht für alle Geometrietypen korrekt vorhergesagt werden konnte. Allerdings konnte die größte und damit kritischste Formänderung, die Verkippung des Zahnkranzes, ausreichend vorher-gesagt werden. Im nächsten Schritt wurden ausgehend von den experimentell untersuchten Basisgeometrien systematische Geometrievariationen in der Simulation analysiert. Dazu wurden statistische Versuchspläne eingesetzt. Die Zielgrößen dieser Rechnungen waren die Formänderungen wie Verkippung und Balligkeit der äußeren Mantelfläche. Im letzten Schritt wurden die Ergebnisse in Form von Regressionsmodellen, die aus der Analyse der Versuchspläne resultierten, zusammengefasst.