Eigenspannungsverläufe Flankenbruch

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Erweiterte Berechnung der Flankenbruchgefährdung einsatzgehärteter Zahnräder unter besonderer Berücksichtigung des Eigenspannungszustands in größerer Werkstofftiefe

Laufzeit: 07/2018 05/2021

Motivation

Ein wirtschaftlich relevantes Schadensbild, das bei Zahnrädern auftreten kann, ist der Flankenbruch. Bei schwingenden Beanspruchungen tritt er bei hohen Zykluszahlen in der Werkstofftiefe auf. Der Bruch ist von Eigenspannungen abhängig, die bei der Wärmebehandlung des Einsatzhärtens aufgebaut werden. Aufgrund von örtlichen Unterschieden in den Abkühlungsbedingungen und Phasenumwandlungen entstehen Eigenspannungen im Stahl, die das Auftreten des Schadensbilds Flankenbruch beeinflussen. Für Eigenspannungen in tiefen Bereichen liegen kaum abgesicherte Daten und Ergebnisse vor, da in diesem Fall nur aufwändigen und teilweise nicht abgesicherte Messmethoden anwendbar sind.

Vorgehensweise

  • Durchführung von Wärmebehandlungen für klein- und großmodulige Zahnräder unter variierten Prozessbedingungen (Aufkohlungsprofile, Abschreckmedium) und Charakterisierung der Ergebnisse des Einsatzhärtens (Gefüge, Härte- und Eigenspannungstiefenprofile)
  • Werkstoffcharakterisierung für die Wärmebehandlungssimulation: Ermittlung der Werkstoffdaten des Einsatzstahls 18CrNiMo7-6 in Abhängigkeit von Temperatur, Kohlenstoffkonzentration und vorliegenden Phasen
  • Aufbau und Validierung eines Finite-Elemente Modell zur Simulation der Gefüge- und Eigenspannungsentwicklung beim Einsatzhärten von Zahnrädern
  • Durchführung von simulativen Parameterstudien und Ableitung von Regressionsmodellen zur Vorhersage der Eigenspannungstiefenprofilen in Abhängigkeit der wesentlichen geometrischen und prozesstechnischen Daten einsatzgehärteter Zahnräder
  • Entwicklung von präzisen und normfähigen Rechenverfahren zur Beurteilung des Flankenbruchrisikos in Abhängigkeit von den wärmebehandlungsbedingten Eigenspannungen.
  • Ableitung von Handlungsempfehlungen zur Minimierung der Flankenbruchgefährdung

Ergebnisse

  • Abgesicherte Messdaten der Eigenspannungen in der Bauteiltiefe einsatzgehärteter Zahnräder in Abhängigkeit von geometrischen und prozesstechnischen Bedingungen
  • Umfangreicher Werkstoffdatensatz für den Stahl 18CrNiMo7-6 in verschiedenen aufgekohlten Zuständen
  • FE-Simulationsmodell und praxisnahe Regressionsmodelle zur Berechnung von Eigenspannungstiefenprofile an der Zahnflanke

Projektpartner

  • Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) München
  • Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT) Bremen
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Förderung: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Industrieller Forschungsvereinigungen

  Schematische Merkmale des Schadensbilds Flankenbruch mit primärer und sekundärer Rissbildung und Richtungen des Rissfortschritts, in Anlehnung an [1] Urheberrecht: © Witzig, J.

Schematische Merkmale des Schadensbilds Flankenbruch mit primärer und sekundärer Rissbildung und Richtungen des Rissfortschritts, in Anlehnung an [1]

[1] Witzig, J.: Flankenbruch – Eine Grenze der Zahnradtragfähigkeit in der Werkstofftiefe. Dissertation. Technische Universität München, (2012).