Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl, seit 8/2012
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 222306506

Kunststoffzahnräder gewinnen auf Grund ihres geringen Gewichts, ihrer guten Geräuschdämpfung, ihres Trockenlaufvermögens, ihrem geringen Fertigungsaufwand und der ständigen Weiterentwicklung in der Kunststofftechnik in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung. In einem Getriebe bedeutet der Bruch eines Kunststoffzahnrades den sofortigen Totalausfall des Getriebes. Für die Auslegung von Kunststoffverzahnungen steht heute nur die 1996 ersatzlos zurückgezogenen VDI-Richtlinie 2545 zur Verfügung. Die darin enthaltene, an Stahlverzahnungen angelehnte Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit weist Unsicherheiten auf, da kunststoffspezifische Aspekte nicht berücksichtigt werden. Festigkeitswerte existieren zudem nur für sehr wenige Kunststoffe und sind zum Teil sehr veraltet. Auf Grund dieser Unsicherheiten und der Vielzahl von neuen Kunststoffwerkstoffen, ist es notwendig, grundlegende Untersuchungen zum Zahnfußbruchverhalten von Kunststoffzahnrädern durchzuführen. Im Rahmen des Vorhabens soll die Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern analog zu der von Stahlrädern ermittelt werden. Kunststoffspezifische Eigenschaften, die zu einer Abweichung von der DIN 3990 führen, werden dabei genauer untersucht und bewertet. Dazu gehören die kunststoffspezifische Kerbempfindlichkeit, die ausgeprägte und temperaturabhängige Biegeweichheit und die Erwärmung am Zahnfuß durch innere Dämpfung. Da Laufversuche einen nicht vertretbaren Aufwand zur Ermittlung der kunststoffspezifischen Eigenschaften bedeuten, werden Pulsatorversuche durchgeführt, die mit Stichversuchen am Laufprüfstand validiert werden. Am Pulsator wird an vier verschiedenen Zahnfußgeometrien die Kerbwirkung im Zahnfuß untersucht und die temperaturabhängige Zeitschwellfestigkeit von vier in der Antriebstechnik gängigen Kunststoffen bestimmt. Die Versuche werden in einer Baugröße durchgeführt. Darüber hinaus wird in Stichversuchen der Einfluss der Baugröße untersucht. Mit Temperaturmessungen im gepulsten Zahnrad und abgleichenden FEM-Berechnungen werden der Einfluss und die Größe der Erwärmung des Zahnfußes durch die Verformungsenergie abgeschätzt. Der Einfluss des vorzeitigen Zahneingriffs bzw. der verformungsbedingten Vergrößerung der Profilüberdeckung wird in Laufversuchen und mit Hilfe von FEM-Untersuchungen ermittelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Bernd-Robert Höhn, bis 7/2012