Investigation of the influence of material anisotropy on teeth excitation

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel; Professor Dr.-Ing. Berthold Schlecht
• Subject Area: Engineering Design, Machine Elements, Product Development ; Acoustics ; Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins ; Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2015 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 273223221

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Basierend auf der Weiterentwicklung der Verzahnungs-Fertigungstechnologie Kaltwalzen ist es möglich, Laufverzahnungen im Kfz-relevanten Modulbereich herzustellen. Die generative Bauteilherstellung gewinnt in diesem Anwendungsfall ebenso an Bedeutung. Anreiz zur Nutzung dieser Verfahren ist deren Ressourceneffizienz und Flexibilität in der Bauteilgestaltung. Die Untersuchungsergebnisse zeigen eindeutig, dass die durch beide Verfahren bei der Herstellung verursachte Materialanisotropie Auswirkungen auf die makroskopischen Bauteileigenschaften haben kann. Insbesondere die dynamisch relevanten Bauteileigenschaften, Zahnsteifigkeit und -dämpfung, werden beeinflusst, was bei der Auslegung und Simulation berücksichtigt werden sollte. Zur Messung der Steifigkeit, Dämpfung sowie den daraus resultierenden getrieberelevanten Kenngrößen (Drehwegfehler unter Last, Anregungsverhalten) wurden zwei Spezialprüfstände konzipiert und aufgebaut sowie Laufversuche am Verspannprüfstand durchgeführt. Darüber hinaus zeigt eine detaillierte Analyse des Werkstoffgefüges mittels EBSD die Ursachen der Anisotropie kalt massivumgeformter Verzahnungen auf: Die durch den Umformprozess verursachte Vorzugsorientierung der Korn-Kristallgitter. Es werden FE-basierte Methoden aufgezeigt, welche einerseits die Simulation des Umformprozesses ermöglichen sowie andererseits die Implementierung der durch den Umformprozess entstandenen Materialanisotropie in Verzahnungsmodelle beschreiben. Somit sind die Grundlagen für weiterführende Analysen geschaffen, welche über die durchgeführte Grundlagenforschung hinaus anwendungsorientierte Untersuchungen in einem weiteren Feld relevanter Verzahnungsparameter ermöglichen. In Anbetracht des weiten Parameterfeldes evolventischer Verzahnungen ist die durch dieses Vorhaben erzeugte Datenbasis nicht repräsentativ verwendbar. Die weiterführenden Untersuchungen sollten simulativ durchgeführt werden, um eine allgemeingültige und reproduzierbare Berechnungsgrundlage zu schaffen, müssen jedoch durch weitere Versuche validiert werden. Insbesondere im Falle der kaltgewalzten Verzahnungen ist weiterhin zu prüfen, welchen Effekt eine an das Walzen angeschlossene Wärmebehandlung (bspw. Einsatzhärten) auf die Materialanisotropie hat. Im Zusammenhang mit der starken Oberflächenverdichtung während des Walzprozesses und der daraus direkt resultierenden stark erhöhten Festigkeit und hervorragenden Oberflächenqualität ist jedoch ebenso die Verwendung der Verzahnung ohne eine Wärmebehandlung und ohne Verzahnungsschleifen denkbar. Die insb. im Automobilbau üblichen sehr hohen Verzahnungsqualitäten können nach aktuellem Stand der Forschung jedoch durch reines Walzen noch nicht erreicht werden.

Publications

• Advanced material studies for additive manufacturing in terms of future gear application. In: Advances in Mechanical Engineering (2014), Art. 741083, 10 S.
  Bräunig, Jan; Töppel, Thomas; Müller, Bernhard; Burkhardt, Martin; Hipke, Thomas; Drossel, Welf-Guntram
  
• Calculation methodology for determining load-dependent transmission error taking into account material anisotropy in gears produced by forming methods. In: 6th International Conference on Gears 2015, S. 1461 – 1470. 5th to 7th October 2015, Garching, Munich. VDI-Verlag, Düsseldorf 2015
  Bräunig, Jan; Burkhardt, Martin; Hensel, Eric; Zumach, Sebastian; Drossel, Welf-Guntram; Hieckmann, Ellen
  
• Entwicklung und Verifizierung eines Berechnungsmoduls zur Anregungsprognose von Verzahnungen unter Berücksichtigung des anisotropen Materialverhaltens. Technische Universität Chemnitz, Dissertation (2017) ISBN 978-3-95735-074-9
  Bräunig, Jan
  
• Investigations on the influence of anisotropic material properties of gear teeth on their macroscopic behavor. In: International Conference on Gears 2017, S. 659 – 668. Conference in Garching (Munich) on September 13th to 15th, 2017. VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 2017 ISBN 978-3-18-092294-2
  Schlecht, Berthold; Ulrich, Carsten; Bräunig, Jan
  
• Theoretical and experimental investigations on the influence of the microscopic anisotropic material properties of gear teeth on their macroscopic behavior. In: Forschung im Ingenieurwesen, S. 73 – 82. Springer-Verlag GmbH Deutschland 2017
  Schlecht, Berthold; Ulrich, Carsten; Bräunig, Jan
  
• Untersuchung der Zahnsteifigkeit und Materialdämpfung gewalzter sowie generativ gefertigter Verzahnungen. In: Dresdener Maschinenelemente Kolloquium DMK 2017, S. 155 – 169. Tagung am 12. und 13.12.2017, Dresden. Sierke Verlag, Göttingen 2017 ISBN 13:978-3-86844-940-2
  Schlecht, Berthold; Ulrich, Carsten; Bräunig, Jan
  
• Untersuchungen zum Einfluss der Materialanisotropie kaltgewalzter sowie generativ gefertigter Verzahnungen auf deren dynamisches Verhalten. In: GETPRO – Die Zukunft der Getriebeproduktion, S. 176 – 189. 6. Kongress am 28. und 29.03.2017, Würzburg. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V., Frankfurt 2017
  Bräunig, Jan ; Ulrich, Carsten ; Drossel, Welf-Guntram ; Schlecht, Berthold ; Lahl, Mike
  
• Untersuchungsmethoden zur Einflussdarstellung der Materialanisotropie kaltgewalzter sowie generativ gefertigter Verzahnungen auf deren Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften. In: Zagar, B. G. (Hrsg.): 5. Tagung Innovation Messtechnik 2017, S. 29 – 34. Tagung am 11.05.2017 in Wien (Österreich). Shaker Verlag GmbH, Aachen 2017 ISBN 978-3-8440-5163-6
  Schlecht, Berthold ; Drossel, Welf-Guntram ; Ulrich, Carsten ; Bräunig, Jan