Spannungsreduzierende Geometrieoptimierung kurzfaserverstärkter Kunststoffzahnräder zur Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Oliver Koch; Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545926895

Die Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern ist ein wesentlicher Faktor für deren Lebensdauer. Die Geometrie heute eingesetzter Kunststoffzahnräder ist meist an konventionelle Stahlverzahnungen angelehnt, welche an die Restriktionen abwälzender Fertigungswerkzeuge bei der spanenden Herstellung von Zahnrädern gebunden sind. Die durch den Spritzgussprozess zur Verfügung stehende Gestaltungsfreiheit und das damit verbundene Potential zum Einsatz tragfähigkeitsoptimierter Geometrievarianten ohne fertigungstechnischen Mehraufwand bleiben bislang weitestgehend ungenutzt. Beim Einsatz von faserverstärkten Kunststoffen beeinflusst die Ausrichtung der Verstärkungsfasern maßgeblich die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Kunststoffzahnrades. Die Zusammenhänge zwischen Faserausrichtung und optimaler Gestaltung der Zahnfußrundung zur Tragfähigkeitssteigerung sind aktuell nicht erforscht. Zudem ist der Gültigkeitsbereich der in der Praxis verfügbaren Berechnungsmethoden für optimierte Fußgeometrien und insbesondere die Übertragbarkeit der Berechnungsmethoden und Untersuchungsergebnisse an Stahlzahnrädern auf Kunststoffverzahnungen mit und ohne Faserverstärkung nicht ausreichend bekannt. In diesem Forschungsvorhaben steht die Identifikation von Zahnfußgeometrien für Zahnräder aus faserverstärktem Kunststoff, mithilfe derer sich eine gesteigerte Zahnfußtragfähigkeit erreichen lässt im Vordergrund. Des Weiteren erfolgt eine Quantifizierung der dadurch möglichen Tragfähigkeitssteigerung. Außerdem wird innerhalb des Vorhabens eine Erweiterung der bestehenden Berechnungsmethoden zur zuverlässigen Bestimmung der Zahnfußtragfähigkeit von Zahnrädern aus faserverstärktem Kunststoff entwickelt. Diese soll unabhängig von der Form der Zahnfußausrundung anwendbar sein. Auf Basis einer theoretischen Bewertung unterschiedlicher Geometriekonzepte werden vielversprechende Geometrievarianten detailliert modelliert und untersucht. Dabei steht insbesondere die Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften faserverstärkter Kunststoffe und deren Einfluss auf die Spannungsverteilung im Zahn im Fokus der Untersuchungen. In einem weiteren Schritt werden Prüfräder mit der vielversprechendsten Zahnfußgeometrie aus kurzglasfaserverstärktem PA46 und PEEK gefertigt, um die theoretischen Untersuchungen experimentell zu validieren. Zur Charakterisierung des Verformungsverhaltens und der erzielbaren Tragfähigkeit werden sowohl Pulsator- als auch Laufversuche durchgeführt. Schlussendlich werden bislang nicht berücksichtige Einflussparameter auf die Zahnfußtragfähigkeit in gängige Berechnungsmethoden nach Stand der Technik (wie z. B. VDI 2736) integriert. Nach Durchführung des Forschungsvorhabens liegen damit nicht nur umfassende Erkenntnisse zur idealen Gestaltung der Zahnfußgeometrie faserverstärkter Kunststoffzahnräder vor, sondern Aussagen zur Gültigkeit und den Grenzen der unterschiedlichen theoretischen Berechnungsmodelle sowie der analytischen Berechnungsansätze.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen