Einfluss der Dehnrate auf die Zahnfußtragfähigkeit schnelllaufender Zahnradgetriebe

Zalfen, Moritz Johannes; Oehler, Manuel; Brecher, Christian

doi:10.18154/RWTH-2025-09491

Einfluss der Dehnrate auf die Zahnfußtragfähigkeit schnelllaufender Zahnradgetriebe = Impact of the strain rate on the tooth root strength of high-speed gearboxes

Zalfen, Moritz Johannes^RWTH*

2025

VerantwortlichkeitsangabeMoritz Zalfen

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-308-2

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2025,18

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Oehler, Manuel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09491
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1021138/files/1021138.pdf

Einrichtungen

Projekte

MatCH4Turbo - Material Model of Case-Hardened Steels for Turbo Gear Applications (831832) (831832)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochdrehzahl-Zahnradgetriebe (frei) ; Zahnfußtragfähigkeit (frei) ; Zahnrad (frei) ; gear (frei) ; high speed gearbox (frei) ; load capacity (frei) ; tooth root strength (frei) ; very high cycle fatigue (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Zahnfußtragfähigkeit ist eine Grundvoraussetzung für den sicheren Betrieb eines Getriebes. Die aktuellen Bestrebungen zur Reduktion der Auswirkungen des globalen Klimawandels erfordern die Optimierung der Leistungsdichte, um den Ressourcenbedarf bei der Fertigung und dem Betrieb von Zahnradgetrieben zu reduzieren. In der Folge werden die Betriebsdrehzahlen gesteigert oder die Betriebszeit verlängert. Die geforderte Lebensdauer für die Verzahnungsauslegung übersteigt dadurch häufig Grenzlastspielzahlen von N_G = 10^9 bis 10^10 Lastwechsel. Bisherige Auslegungskennwerte sind in der Regel auf eine Grenzlastspielzahl von N_G = 10^7 Lastwechsel begrenzt. Die Erweiterung der Materialkennwerte auf den VHCF- und UHCF-Bereich bei vergleichbarer Prüfdauer erfordert die Entwicklung von Prüfständen mit höheren Drehzahlen bzw. Prüffrequenzen. Dabei muss der Einfluss der Drehzahl bzw. Dehnrate auf die Zahnfußtragfähigkeit bekannt sein und berücksichtigt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war eine validierte Methode zur Berechnung der lokalen und zeitlichen Beanspruchung sowie der Dehnrate im Zahnfuß für schnelldrehende Antriebsstränge. Das Forschungsziel wurde durch die Validierung des zeitlichen Zahnfußspannungsverlaufs mit im Betrieb gemessenen Zahnfußspannungen erreicht. Auf Grundlage der Methode wurde ein vereinfachtes Verfahren zur Abschätzung der Dehnrate im Zahnfuß entwickelt und eine erstmalige Einordnung der Dehnraten an Zahnrädern in den Stand der Technik vorgenommen. Bei heutigen und zukünftigen Zahnradanwendungen ist demzufolge mit einem Einfluss der Dehnrate zu rechnen. Darauf aufbauend wurde ein Hochdrehzahl-Verspannungsprüfstand entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen, der die Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit bei n_1 = 12.000 1/min ermöglicht. Es wurden Versuche zur Zahnfußtragfähigkeit im VHCF-Bereich bei n_1 = 3.000 1/min und n_1 = 12.000 1/min für unterschiedliche Härtetiefenzustände durchgeführt. Der Vergleich der Zahnfußtragfähigkeit zeigt, dass die Dehnrate in Abhängigkeit von der Härte einen signifikanten Einfluss auf die Tragfähigkeit sowie auf die kritische Schadensart hat. Die Machbarkeitsbewertung eines Analogieversuchs zur Prüfung realitätsnaher Dehnraten im Zahnfuß zeigt, dass heutige Universalprüfmaschinen die notwendigen Prüffrequenzen nicht erreichen können. Dem entsprechend ist die Untersuchung derzeit nur im Laufversuch möglich.

The tooth root strength is a basic requirement for the safe operation of a gearbox, as a tooth root fracture usually leads to total failure. Current efforts to reduce the effects of global climate change require the optimization of power density in order to reduce the resources required for the production and operation of gearboxes. As a result, the operating speeds are being increased or the operating time extended. As a result, the required service life for the gear design often exceeds the limit load cycles of N_G = 10^9 to 10^10 load cycles. Previous design parameters are generally limited to a limit load cycle number of N_G = 10^7 load cycles and are extrapolated using statistical assumptions or safety factors. The extension of the material characteristics to the VHCF and UHCF range with a comparable test duration requires the development of test rigs with higher speeds or test frequencies. The influence of the speed or strain rate on the tooth root strength must be known and taken into account. The aim of the present work was to develop a validated method for calculating the local and temporal stress as well as the strain rate in the tooth root for high-speed drive trains. The originality of the method lies in the transfer of the tooth contact analysis into the time domain to calculate the strain rate in the tooth root, taking into account additional dynamic loads and the quantification of the influence of the strain rate on the tooth root strength of case-hardened gears. The economic and technical relevance lies in the construction of a high-speed test rig for the efficient investigation of the tooth root strength in the VHCF range and at high speeds. Based on the results, a concept of an analogy test for the realization of application-related strain rates was evaluated. The research objective was achieved by validating the calculated tooth root stress in the time domain with strain gauge measurements during operation. Based on the method, a simplified procedure for estimating the strain rate in the tooth root was developed and the strain rates on gears were categorized in the state of the art for the first time. Consequently, an influence of the strain rate can be expected in current and future gear applications. Based on this, a high-speed test rig was developed, constructed and put into operation, which enables the investigation of the tooth root strength at n_1 = 12000 1/min. Tests were carried out on tooth root strength in the VHCF range at n_1 = 3000 1/min and n_1 = 12000 1/min for different hardening depth conditions. The comparison of the tooth root strength shows that the strain rate has a significant influence on the strength and the critical damage type depending on the hardness. The feasibility assessment of an analogy test for testing realistic strain rates in the tooth root shows that today's universal testing machines cannot achieve the necessary test frequencies. Accordingly, the investigation is currently only possible in a running test.

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