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Zahnfußtragfähigkeit pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder = Tooth Root Bearing Capacity of Gears Made by Powder Metallurgical Manufacturing Processes
2018
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Druckausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-03-29
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-01316
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/713839/files/713839.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Größeneinfluss (frei) ; Pulvermetallurgie (frei) ; Tragfähigkeit (frei) ; Zahnräder (frei) ; hochbelastetes Volumen (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Pulvermetallurgisch hergestellte Zahnräder versagen bei der Prüfung hauptsächlich durch Zahnfußbruch. Trotz nahezu vollständig nachverdichtetem Material in der Zahnfußoberfläche werden unterlegene Tragfähigkeiten gegen die anliegende Biegebelastung nachgewiesen, wenn sie mit konventionell hergestellten Zahnrädern verglichen werden. Hingegen wird die Zahnflankentragfähigkeit als konkurrenzfähig angesehen. Die unterlegenen Zahnfußtragfähigkeiten führen, in Zusammenhang mit fehlenden Auslegungsrichtlinien für pulvermetallurgisch hergestellte Bauteile, dazu, dass pulvermetallurgische Zahnräder nicht standardmäßig in Automobilgetrieben eingesetzt werden. Dies gilt trotz des für Großserienbauteile wie Zahnräder günstigeren und energiesparenderen pulvermetallurgischen Fertigungsprozesses. Um Optimierungspotenziale aufzudecken, wurde die Zahnfußtragfähigkeit von zwei verschiedenen pulvermetallurgisch hergestellten Zahnrädern auf Basis der Schwingfestigkeiten von Laborproben berechnet. Der gewählte Werkstoff ist ein Sinterstahl mit 0,85% Molybdän, der sich für die Zahnradherstellung eignet. Die in der Berechnung berücksichtigten Einflussgrößen sind die Dichte, die Geometrie und der Kohlenstoffgehalt. Sie wurden bei der Herstellung der Proben systematisch in geeigneten Bereichen variiert. Als zusätzliches Ergebnis der Tragfähigkeitsberechnungen ist die Schwingfestigkeit des Werkstoffs in Abhängigkeit von den genannten Einflussgrößen bekannt und kann mit den in der Arbeit enthaltenen Gleichungen und Koeffizienten vollständig beschrieben und zur Berechnung herangezogen werden. Parallel dazu wurden zwei Versuchsreihen der beiden Zahnradvarianten gefertigt und anschließend im Pulsator auf ihre Zahnfußtragfähigkeit hin untersucht, um einen Vergleich mit der Berechnung anstellen zu können. Der relative Fehler zwischen gemessener und berechneter Tragfähigkeit liegt für beide Varianten unterhalb von 5%. Die Berechnungen geben Aufschluss darüber, wie tief der Zahnfuß minimal verdichtet werden muss, um eine optimale Tragfähigkeit zu erreichen. Auch wurden die Anteile an der Tragfähigkeit ermittelt, welche die Fertigungsschritte Nachverdichten, Aufkohlen und Härten unabhängig voneinander erreichen können. Auf Basis der treffsicheren Berechnung konnte abgeschätzt werden, inwieweit eine spannungsmechanische Zahnfußformoptimierung die Zahnfußtragfähigkeit steigern kann.Gears made by powder metallurgical manufacturing processes fail in testing mainly by tooth root fracture. If compared to gears made by conventional manufacturing processes, inferior tooth root bearing capacities against the adjacent bending loads are verified. Even with a nearly fully densified material in the tooth root surface, comparable bending strengths cannot be attained. On the contrary, the bearing capacities of the tooth flank are considered to be competitive. In conjunction with the missing dimensioning guidelines for powder metallurgical components, the inferior tooth root bearing capacities lead to the fact that powder metallurgical gears are not generally used in automotive gearboxes. This applies despite of the lower-priced and energy-saving powder metallurgical manufacturing process, when it comes to mass production parts like gears. To reveal potential for optimization, the tooth root bearing capacity of two different powder metallurgical gears was calculated based on the fatigue strength of laboratory specimens. The material used was a sintered steel with 0.85% molybdenum, which is well-suited for the manufacturing of gears. The influencing variables considered were the density, the geometry and the carbon content. They were systematically varied in the manufacturing of the specimens in appropriate ranges. As an additional result of the calculation of the bearing capacity, the fatigue strength of the material is established. With the equations and coefficients given in this work, it can be described or used for component dimensioning. In parallel, two experimental series of the two gears were manufactured. Subsequently, the tooth root bearing capacity of both gears was tested in a pulsatory test rig for comparison with the calculations. The relative error between calculated and tested bearing capacity was less than 5% for both variants. The calculations provide information on how deep the densification of the tooth root surface has to be for optimal results. Also, the percentages of the tooth root bearing capacity were investigated, which are related to the manufacturing processes densification, carburization and hardening. Thereby, the impact of the manufacturing processes was estimated independently from one another. Based on the applicable calculation it was estimated how much an optimization of the tooth root geometry can improve the tooth root bearing capacity.
OpenAccess: 
PDF
(zusätzliche Dateien)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
print, online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT019591150
Interne Identnummern
RWTH-2018-01316
Datensatz-ID: 713839
Beteiligte Länder
Germany
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