Einfluss der Dehnrate auf die Zahnfußtragfähigkeit schnelllaufender Zahnradgetriebe

Diese Dissertation entwickelt eine Methode zur Berechnung der lokalen Dehnrate im Zahnfuß unter Berücksichtigung dynamischer Zusatzlasten. Basierend auf den Erkenntnissen werden eine Prüfverzahnung und ein Prüfstand zur Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit bei hohen Drehzahlen ausgelegt und gefertigt. Mithilfe des Prüfstands wird der Einfluss der Drehzahl auf die Zahnfußtragfähigkeit in Abhängigkeit von der Härte quantifiziert.

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 NG = 109 bis 1010 Lastwechsel. Bisherige Auslegungskennwerte sind in der Regel auf eine Grenzlastspielzahl von NG = 107 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 n1 = 12.000 min 1 ermöglicht. Es wurden Versuche zur Zahnfußtragfähigkeit im VHCF Bereich bei n1 = 3.000 min 1 und n1 = 12.000 min 1 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. Dementsprechend ist die Untersuchung derzeit nur im Laufversuch möglich.