AWT-Info / HTM 01-2021

Leibniz-IWT mit Millionenförderung für die Entwicklung der Energieeffizienzsteigerung im Industriebestand

Erfreuliche Nachrichten für die Wärmbehandlung des Leibniz-IWT: das Teilprojekt „Energieeffi ziente Wärmebehandlung“, mit dem die IWT-Abteilung innerhalb des Verbundvorhabens „ETAimBestand – Technologie- und Methodenbaukasten zur Energieeffizienzsteigerung im Bestand der Metall verarbeitenden Industrie“ beteiligt ist, wird nach aktuellem Beschluss mit rund 1,5 Millionen Euro gefördert. Das Verbundprojekt steht unter der Federführung des PTW der TU Darmstadt und setzt sich zum Ziel, Lösungen zu entwickeln, welche eine schnelle, flächendeckende und wirtschaftliche Verbreitung von Energieeffi zienztechnologien in der deutschen Industrielandschaft ermöglichen, die für die Erreichung der Klimaziele dringend benötigt werden.

Das im November aufgenommene Projekt „ETAimBestand“ verfügt über eine geplante Laufzeit von drei Jahren und eine Fördersumme von rund 10 Millionen Euro. Die Förderung erfolgt im Rahmen des siebten Energieforschungsprogramms der Bundesregierung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Der Projektträger Jülich (PTJ) übernimmt die Betreuung.

Je nach Anwendungsfall und Systemgrenze können im deutschen Industriebestand Energieeinsparpotentiale zwischen 25 bis 40 % des Gesamtenergiebedarfs gehoben werden. Jedoch ist der Maßnahmentransfer mit einer hohen Komplexität sowie vielen technischen und organisatorischen Hürden verbunden. Im regulären Betrieb ohne externe Begleitung werden daher meist nur die „Low Hanging Fruits“ zur Steigerung der Energieeffizienz ausgeschöpft. Eine flächendeckende Ausschöpfung auch der komplexen, systemischen Energieeffi zienzpotenziale im deutschen Industriebestand ist jedoch unbedingt erforderlich, um die ambitionierten Klimaziele der Bundesregierung erreichen zu können.

In dem Teilprojekt „Energieeffi ziente Wärmebehandlung“ sollen alle Ofenkomponenten, Bauformen und Verfahrensabfolgen bezüglich Effizienzsteigerung überprüft und daraus Maßnahmen für Anlagen im Bestand abgeleitet werden. Der Schwerpunkt liegt auf Anlagen zum Nitrieren und Nitrocarburieren. Aspekte wie Prozessabgasverwertung, Abwärmenutzung und –minimierung sollen durch technische Neuerungen, konstruktive und strömungstechnische Maßnahmen sowie Modifikationen im Verfahrensablauf in den Bestand einfl ießen. Der Aufbau eines Expertensystems für die energieeffiziente Konstruktion im Ofenbau soll den Konstrukteur bereits im CAD System unterstützen, Wärmebrücken zu identifi zieren, zu vermeiden und zu optimieren, so dass bereits in einem sehr frühen Stadium der Ofenanlage eine Energieeffizienzklasse zugeordnet werden kann.

Die Beteiligung von AWT-Firmenmitgliedern an diesem Projekt ist ausdrücklich erwünscht. Interessenten können sich bei Herrn Klümper-Westkamp melden.

Kontakt

Leibniz Institut für Werkstoff orientierte Technologien

Dr.-Ing. Heinrich Klümper-Westkamp

Tel.: +49 421 218 51315

hkw@iwt-bremen.de

Nitrieren und Nitrocarburieren für Praktiker

Nitrieren und Nitrocarburieren ist ein zentrales Thema, wenn es im Verkehrsmittelbau und im Maschinenbau um die Leistungssteigerung von Bauteilen und Komponenten geht. In zunehmendem Maße wird das Verfahren neben den primären Anwendungsbereichen der Festigkeitssteigerung und Verschleißminderung auch in Verbindung mit der Nachoxidation als umweltschonende Korrosionsschutzbehandlung eingesetzt. Neue Anwendungsentwicklungen für austenitische Stähle sowie für die Mikrozerspanbarkeit mit Diamantwerkzeugen zeigen, dass das Potential noch lange nicht ausgeschöpft ist.

Um die Behandlung des Nitrierens und vor allem des Nitrocarburierens in der Bandbreite der Möglichkeiten verschiedenartiger Randschichten einzustellen und reproduzierbar zu realisieren, ist sowohl eine grundlegende Kenntnis der metallurgischen Vorgänge als auch der praktischen thermodynamischen Verfahrensabläufe notwendig. Umfassender Sensoreinsatz und Regelungen sind für den Praktiker wichtig, um enge Zielvorgaben sicher zu erreichen.

Ziel des Seminars ist die Vermittlung der grundlegenden Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Wärmebehandlung und Randschichteigenschaften. Schwerpunktmäßig wird die Gasnitrocarburierung im Praxisteil behandelt. Durch die Einbeziehung der Referenten wird ein intensiver Erfahrungsaustausch ermöglicht.

Anmeldung

AWT-Mitglieder: 450 €

Gebühr für den 2. Teilnehmer*: 250 €

Persönliche AWT-Mitglieder bzw. Mitarbeiter eines

AWT-Mitgliedunternehmens geben bei der Anmeldung

bitte die AWT-Mitgliedsnummer an.

Sonstige Teilnehmer: 500 € / 2. Teilnehmer*: 270 € Anmeldung unter seminare@awt-online.org / +49 421 5229339

Leistungsumfang

Vorträge und interaktiver Austausch mit den Referenten auf

der AWT-Konferenz-Plattform, die Seminarunterlagen und

das Teilnahmezertifikat in elektronischer Form. Die Bedingungen

für AWT-Seminare finden Sie unter awt-online.org

Online-Seminar

Mi, 10. März 2021, 08:30 – 13:00 Uhr

Do, 11. März 2021, 8:30 – 13:00 Uhr

Leitung:

Dr.-Ing. Dr. Heinrich Klümper-Westkamp

Programm

1. Grundlagen des Nitrierens und Nitrocarburierens – Übersichtsvortrag und Einführung in die Thematik Dr.-Ing. Dr. H. Klümper-Westkamp, Leibniz-IWT, Bremen

2. Öfen, Medien, Verfahren – Typische Verfahrensabläufe und -parameter in verschiedenen Anlagentypen Dr. J. Crummenauer, Oerlikon Metaplas GmbH

3. Messen und Regeln – Gezielt und reproduzierbar Nitrierabläufe automatisieren K.-M. Winter, Nitrex Metal Inc.

4. Reinigung vor dem Prozess – Arbeitshilfen und Hinweise für die Bauteilreinigung N. N.

5. Qualitätssicherung, Prüfen – Verbesserte Ergebnisse mit Qualitätssicherung erreichen Dr.-Ing. Dr. H. Klümper-Westkamp, Leibniz-IWT, Bremen

6. Sicherheit, Fehler, Schäden – Nitrierfehler vermeiden, Anlagen und Prozesssicherheit optimieren Dr.-Ing. S. Hoja, Leibniz-IWT Bremen

Aus der Praxis – wir zeigen, worauf es ankommt!

• Anlagenkomponenten

• Ergebnisbeurteilung

• Behandlungsende, Nachbehandlung

• Reinigung

• Chargierung

• Prozessstart

• Prozesskontrolle

*Teilnahmegebühr für mehrere Teilnehmer aus einem Unternehmen auf Anfrage. Preis für 2. Person zzgl. ges. USt.

Irrtümer, Druckfehler und Änderungen vorbehalten. Die AWT behält sich vor, ein Seminar aus wichtigem Grund abzusagen.

Maß- und Formänderungen von Leichtbauzahnrädern

AiF-Nr.: 19875 N

Obmann: Dr.-Ing. Axel Majorek

beteiligte Unternehmen: Aichelin Holding GmbH, ALDVacuum-Technologies GmbH; Cenit AG; Daimler AG; Georgsmarienhütte GmbH; Hanomag Lohnhärterei GmbH; HärtereiTechnotherm GmbH & Co. KG; Heess GmbH & Co. KG; maptec landau GmbH; Renk AG Augsburg; Tandler Zahnrad- undGetriebefabrik GmbH & Co. KG; VTN Witten GmbH; WittmannHärterei GmbH & Co. KG; ZF Friedrichshafen AG

Forschungsstelle: Leibniz-Institut

für Werkstofforientierte Technologien IWT

Projektleiter: Thomas Lübben

Sachbearbeiter: Jwalant Kagathara, Thomas Lübben

Forschungsvereinigung: AWT e. V.

Projektbegleitender Fachausschuss:

FA 15 (Maß- und Formänderung)

Zielsetzung und Lösungsweg

Im Rahmen des Projektes sollte die im Vorgängerprojekt (17995 N) entwickelte Methode zur Ableitung der Verkippungs-ISO-Linien bei gewichtsreduzierten Zahnradgrundkörpern anhand eines exemplarischen Beispiels aus der Teilegruppe „Zahnräder mit langer Nabe und Versatz zwischen Zahnkranz und Nabe“ in die Praxis überführt werden (s. Bild 1, links).

Bild 1

Querschnitt des ausgewählten Zahnrads (links), gewichtsreduzierte Variante mit charakteristischen Abmessungen (rechts)

Im Detail waren folgende Fragestellungen zu beantworten:

• Können die numerischen Untersuchungen auch bei einem realen Zahnrad unter Vernachlässigung der Verzahnung mit einem 2D-Modell (deutlich geringere Reichenzeit) durchgeführt werden, da die Verzahnung einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Grundkörperverzug hat?

• Wie sensitiv sind die Verkippungen von Zahnkopf und Zahnrad für Variationen der Härtbarkeit und des Kohlenstoffprofils?

• Wie muss die Umwandlungsmodellierung modifiziert werden, um mindestens die korrekten Trends der Maß- und Formänderungen vorhersagen zu können?

• Können für komplexere Zahnräder mit asymmetrischer Massenverteilung Isolinien-Darstellungen der Verkippungen aus Regressions-Analysen von Simulationen gewonnen werden?

• Wie groß ist das Kompensationspotential der geometrischen Gestaltung der Querschnittsübergänge für die Verkippungen?

Zur Beantwortung dieser Fragen wurde durch systematische Geometrievariationen untersucht, welche Auswirkungen Gewichtsreduzierungen eines Vorgelegerads auf die Maß- und Formänderungen nach dem Einsatzhärten haben. Diese Arbeiten wurden in enger Verknüpfung von experimentellen und numerischen Untersuchungen durchgeführt. Auf der experimentellen Seite wurden neben geometrischen Aspekten auch der Einfluss der Größen Fertigungseigenspannungen, Härtbarkeit, C-Profil und Abkühlprozess untersucht. Zur Klärung der Frage, ob auch in diesem Projekt die Simulationen mit axialsymmetrischen 2D-Modellen durchgeführt werden können oder ob hier aufgrund eines expliziten Einflusses der Verzahnung 3D-Simulationen durchgeführt werden müssen, wurden vergleichende Untersuchungen zwischen gewichtsreduzierten Zahnrädern mit und ohne Verzahnung durchgeführt.

Zur Vorbereitung der numerischen Untersuchungen wurden Arbeiten zur Ermittlung des temperatur- und ortsabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) und des Umwandlungsverhaltens durchgeführt. Ferner wurden umfangreiche Kalibrierungs- und Validierungsarbeiten durchgeführt. Im numerischen Bereich wurden zyklische Randbedingungen zur Modellierung von Schrägverzahnungen programmiert. Nach einer leider nur partiellen Validierung wurde dieses Modell in enger Kombination mit experimentellen Arbeiten für die Evaluation des Kompensationspotentials von modifizierten Querschnittsübergängen

eingesetzt. Letztlich wurde es zur Erlangung eines tieferen Verständnisses der Verzugsentstehung durch die komplexen Wechselspiele von Geometrie und den thermischen und umwandlungsbedingten Dehnungen angewendet.

Ergebnisse

Die Variationen der Geometrie (s. Bild 2, Details in [5]) mit einer Massereduzierung von bis zu 43,6 % haben gezeigt, dass die Maß- und Formänderungen der Nabe durch die Wandstärke der Nabe dominiert werden. Die ortsabhängigen Radiusänderungen am Zahnkopf können und müssen durch eine quadratische Gleichung beschrieben werden, aus der Kippwinkel/-amplitude, Balligkeit und mittlere Radiusänderung abgeleitet werden können. Der Kippwinkel des Zahnkopfes wird durch die Nabenwandstärke, Stegbreite und Stegposition beeinflusst, die zugehörige Balligkeit ist unter den gegebenen Bedingungen (Schmelze 1, Ölabschreckung mit Gasaufkohlung) nur für die Variante G1 deutlich von Null verschieden. Der Steg sorgt für vergleichsweise kleine Rundheitsabweichungen. Das Zahnrad (Steg + Zahnkranz + Zahn) verkippt in allen untersuchten Fällen in axialer Richtung. Die zugehörige Änderung der z-Koordinate der Zahnradmittellinie lässt sich durch eine Gerade beschreiben. Die Kippwinkel von Zahnrad und Zahnkopf sind einander in den meisten Fällen betragsmäßig sehr ähnlich (Bild 3).

Bild 2

Experimentell untersuchte Geometrievarianten G1 – G5.

Massereduzierung für G1: 8,5 %; G2 + G3: 24,6 %; G4 + G5: 43,6 %

Bild 3

Einfluss der Geometrie auf die Kippwinkel von Zahnrad und Zahnkopf

Die Untersuchungen zum Einfluss der Verzahnung auf den Grundkörperverzug (Details s. [3]) haben ergeben, dass er bei Schrägverzahnung hinsichtlich der Maßänderungen von Nabe und Steg vernachlässigt werden kann. Gleiches gilt für die Form änderungen der Nabe. Für die Maß- und Formänderungen des Zahnkopfes (Bild 4) und für das Kippen von Steg + Zahnkranz + Zähnen muss er hingegen berücksichtigt werden. Ferner kommen die unterschiedlichen Wechselwirkungen der Strömung mit der Verzahnung bei unterschiedlichen Zahnorientierungen für den untersuchten Fall nicht zur Erklärung des abweichenden Maß- und Formänderungsverhaltens in Frage. Die erste Forschungsfrage muss daher mit nein beantwortet werden. Die Simulation des Kippverhaltens in axialer und radialer Richtung erfordert die Verwendung von 3D-Modellen zur korrekten Beschreibung des Verzahnungseinflusses. Die dafür notwendigen zyklischen Randbedingungen konnten erfolgreich programmiert werden.

Bild 4

Einfluss der Verzahnung auf die Radiusänderungen des Zahnkopfs

Fertigungseigenspannungen haben unter den vorliegenden Bedingungen keinen relevanten Einfluss auf die Maß- und Formänderungen der Räder vom Typ G4. Da dieser Typ mit die geringsten Wandstärken hat, kann davon ausgegangen werden, dass diese Aussage auf die anderen Geometrievarianten übertragen werden kann. Bei weiteren Abmessungsreduzierungen wäre obige Aussage zu überprüfen. Für die Simulation kann unter diesen Bedingungen von eigenspannungsfreien Bauteilen ausgegangen werden.

Die Wirkung einer reduzierten Härtbarkeit (Details s. [5]) besteht an der Nabe im Wesentlichen auf den durch den Steg gestützten Bereich. Hier kommt es aufgrund der modifizierten Umwandlungsvorgänge zu deutlich anderen Radiusänderungen. In den Bereichen ober- und unterhalb des Steges gibt es zwar durchaus Veränderungen der Radiusänderungen, die für G5 größer ausfallen als für G4, aber die Breitenänderung der Nabe wird nur um einige μm vergrößert. Dieses Ergebnis ist darauf zurückzuführen, dass die Nabe in diesen Bereichen trotz der reduzierten Härtbarkeit keine nennenswerte Veränderung der Gefügezusammensetzung erfährt. Für Zahnkopf und Zahnrad führt die reduzierte Härtbarkeit für beide Geometrien zu deutlich kleineren Kippwinkeln. Am Zahnkopf ist dies für G4 auf eine nichtlineare Radiusänderung zurückzuführen, im Fall von G5 auf eine in weiten Teilen des Zahnkopfs konstante Änderung (Bild 5).

Bild 5

Einfluss der Härtbarkeit auf die Radiusänderungen des Zahnkopfs (Geometrietyp G5)

Variationen im Aufkohlprozess (Details s. [5]) führen an der Nabe zu deutlich unterschiedlichen Maß- und Formänderungen, die auf keinen Fall vernachlässigt werden können. Insbesondere kann ein überhöhtes Kohlenstoffprofil im Extremfall zu einer Verdopplung der Rundheitsänderungen führen. Die Wandstärkeänderung der Nabe und die Breitenänderungen von Steg und Zahnkopf wachsen und die Balligkeit des Zahnkopfes sinkt mit steigendem Kohlenstoffeintrag. Die Kippamplitude des Zahnkopfes zeigt keinen einheitlichen Trend. Trotz der vergleichsweise großen Modifikationen des Standard C-Profils resultieren daraus nur relativ kleine Veränderungen (maximaler Wert: G4, reduzierte Aufkohlung: +40 μm), (Bild 6).

Bild 6

Kippamplitude und Balligkeit des Zahnkopfs in Abhängigkeit von Geometrie und Aufkohlung

Mit den letzten beiden Untersuchungspaketen konnte die zweite Forschungsfrage beantwortet werden.

Die Abkühlintensität (Details s. [5]) hat einen deutlichen Einfluss auf die Maß- und Formänderungen der Nabe. Kippamplitude und Balligkeit des Zahnkopfs werden ebenfalls deutlich durch den Abschreckprozess beeinflusst, wobei eine Salzbadabschreckung ähnlich gute Werte wie die Ofenabkühlung ergibt. Die Kippwinkel von Zahnrad und Zahnkopf sind auch für die verschiedenen Abkühlprozesse ähnlich. Ausnahme ist die Hochdruck-Gasabschreckung (HDGA), die deutlich kleinere Kippwinkel des Zahnkopfes produziert (Bild 7).

Bild 7

Einfluss des Abkühlprozesses auf die Radius-änderungen des Zahnkopfs (Geometrietyp G4)

Die Vorarbeiten für die numerischen Untersuchungen haben bei der Ermittlung des WÜK an den Geometrietypen G1 und G4 neben der Temperaturabhängigkeit auch eine deutliche Ortsabhängigkeit ergeben. Unter Berücksichtigung dieser Effekte lassen sich die Abkühlverläufe dieser Bauteiltypen bis auf kurze Ausnahmen zu Beginn der Abschreckung mit maximalen Abweichungen zum Experiment von betragsmäßig unter 60 °C berechnen (Details s. [6]).

Zur Erzielung einer besseren Modellgüte für die Bainitbildung wurde in diesem Projekt nicht die Längenänderung von Dilatometerproben, sondern ihre Volumenänderung ermittelt. Weiterhin wurde die Kohlenstoffabhängigkeit der Umwandlung nicht aus dem Datensatz des SFB 570 verwendet, sondern ebenfalls für die vorliegende Schmelze S1 ermittelt (Details s. [6]). Die Untersuchungen haben ergeben, dass die anisotrope Umwandlungsdehnung für diese Schmelze vernachlässigbar klein ist. Die Martensitbildung, die Härte und die Phasenzusammensetzung können mit dem resultierenden Umwandlungsmodell für die Dilatometerproben gut beschriebenen werden. Trotz des deutlich größeren Aufwandes kann die Kinetik der Bainitbildung aber nicht mit ausreichender Genauigkeit modelliert werden. Der derzeitige Erklärungsansatz geht davon aus, dass das Additivitätsgesetz für die Bainitbildung zumindest für die untersuchten Schmelzen in diesem und dem Vorgängerprojekt nicht gilt. Es wurden daher insgesamt drei unterschiedliche Modelle abgeleitet, die im Rahmen der Kalibrierung und Validierung auf Eignung überprüft wurden.

Die Arbeiten zur Kalibrierung und Validierung der Simulation haben gezeigt, dass für das 2D-Modell des Geometrietyps G4 ohne Verzahnung das Kohlenstoffprofil sehr gut berechnet werden kann. Diese Aussage kann auch für die übrigen Geometrien übernommen werden, da der Aufkohlungsprozess über den gesamten Vorhabenszeitraum hervorragend reproduzierbar war. Trotz der Einschränkungen bei der Modellierung der Bainitumwandlung können mit dem Kompromissmodell für die Umwandlung (Kompromiss zwischen genauer Berechnung der Kinetik bzw. der Phasenanteile) in Kombination mit dem orts- und temperaturabhängigen WÜK-Modell für G4 ohne Verzahnung die Phasenzusammensetzung, die Härte, die mittleren Maßänderungen und die ortsaufgelösten Maßänderungen mit ausreichender Genauigkeit vorhergesagt werden. Einschränkungen gibt es allerdings bei den Kippwinkeln und der Maßänderungen des Zahnkranzes. Letzteres Manko kann auf die verwendete Wärmeübergangsverteilung zurückgeführt werden, die an einem verzahnten Teil bestimmt wurde. Eine Übertragbarkeit dieser Aussagen auf andere Geometrien scheint fraglich zu sein, da der WÜK auch durch die Geometrie beeinflusst wird und zudem eine Sensitivitätsstudie eine Empfindlichkeit der berechneten Maß- und Formänderungen für Variationen des WÜK gezeigt hat (s. [6]).

Die Untersuchungen mittels 3D-Modellen haben ergeben, dass für die Geometrie G4 mit und ohne Verzahnung 3D- bzw. 2D-Modelle praktisch identische Ergebnisse für Nabe und Steg liefern, also die 3D-Modellierung korrekt erfolgte. Die Anwendung auf die Geometrietypen G1, G2, G3 und G5 hat gezeigt, dass unter den gegebenen Bedingungen akzeptable Ergebnisse für die Verkippung nur resultieren, wenn eine am jeweiligen Bauteiltyp ermittelte Wärmeübergangsbeschreibung vorliegt. Aus Plausibilitätsbetrachtungen abgeleitete Modelle sind nicht ausreichend. Die Balligkeit hingegen wird selbst unter diesen idealisierten Bedingungen nicht korrekt berechnet (s. [6]). Dieses Manko ist sehr wahrscheinlich, wie bereits im Vorgängerprojekt, auf die immer noch unzureichende Modellierung der Bainitumwandlung zurückzuführen. Die dritte Forschungsfrage konnte daher nicht beantwortet werden.

Unterm Strich muss aus diesen Ergebnissen gefolgert werde, dass aufgrund des unerwarteten und sehr spät erkannten großen Einflusses des WÜK auf die Verkippung und der nicht erreichten Verbesserung des Umwandlungsmodells eine voll umfängliche Validierung des Berechnungsmodells nicht möglich war. Die vierte Forschungsfrage muss daher zum jetzigen Zeitpunkt mit „nein“ beantwortet werden.

Die daher überwiegend experimentell durchgeführte Analyse des Einflusses der Querschnittsübergänge auf die Verkippung hat ergeben, dass sich die Wirkung der Modifikationen an der Nabe im Wesentlichen auf eine Reduzierung der Rundheitsabweichung beim Typ G5 beschränken. Für Zahnkopf und Zahnrad kann für G5 eine nicht vernachlässigbare Reduzierung des jeweiligen Kippwinkels erzielt werden, wobei die resultierende Reduzierung der Kippamplitude am Zahnkopf bis zu 40 μm beträgt (s. Bild 8). Die Antwort auf die fünfte Forschungsfrage lautet daher: Es wurde ein kleineres Reduzierungspotenzial der Kippwinkel für Geometrien mit stark asymmetrischer Stegposition identifiziert. Es konnten allerdings keine Vorteile für die Querschnittsübergänge nach Mattheck festgestellt werden.

Bild 8

Kippamplitude und Balligkeit des Zahnkopfs in Abhängigkeit von Geometrie und Form der Querschnittsübergänge (Viertelkreise mit Radius 4 mm, 8 mm, 15 mm, bzw. nach Mattheck in vertikaler und horizontaler Ausrichtung)

Die numerischen Analysen konnten im Rahmen des möglichen Untersuchungsumfangs (nur Geometrietyp G4) ebenfalls keine Vorteile für die Übergänge nach Mattheck identifizieren.

Die Studien zur Erlangung eines grundlegendes Verständnisses der Verkippungsentstehung haben für die weitestgehend korrekt simulierbare Geometrievariante G4 gezeigt, dass die Verkippung des Zahnkopfes in radialer Richtung und die Verkippungen von Steg und Zahnkranz in axialer Richtung aus dem Wechselspiel der Asymmetrien in den Verzugspotentialträgern Masseverteilung, Temperaturverteilung und Verteilung der Legierungselemente – hier Kohlenstoff – resultieren. Dabei spielt die Masseverteilung erwartungsgemäß eine zentrale Rolle. Je nach Abmessungen von Nabe, Steg und Verzahnung leisten diese Bereiche Beiträge zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Solange keine Phasenumwandlungen stattfinden, wird das Geschehen von der Verteilung der thermischen Dehnungen in diesen Bereichen diktiert. Solange keine ortsabhängige Kohlenstoffverteilung vorliegt, sind diese proportional zu den Temperaturen. Nach einer Aufkohlung gilt dies nicht mehr, da die thermischen Dehnungen auch proportional zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind, der wiederum vom C-Gehalt abhängt. In dieser Phase kann aber dennoch eine gute Vorstellung des Verkippungsgeschehens aus der Analyse der Asymmetrien dieser drei Bereiche erlangt werden.

Nach Beginn der Phasenumwandlung kommen zusätzliche Volumenvergrößerungen ins Spiel, die den thermischen Schrumpfungen entgegenwirken. Auch für die Verteilungen der Umwandlungsdehnungen ist eine Beurteilung der Asymmetrien zum Verständnis der Verkippungsentwicklungen zielführend. Allerdings macht die Überlagerung von thermischen und umwandlungsbedingten Dehnungen die Erlangung von Erkenntnissen zunehmend komplizierter (s. [6]).

Die ursprünglich als mithilfe der Simulation einfach zu beantworten eingeschätzte Frage „Sind die finalen Kippwinkel von Zahnkopf und Zahnrad nur zufällig ähnlich bzw. gleich?“ (vergl. Bild 3) konnte bislang trotz großen Aufwands nicht uneingeschränkt beantwortet werden. Falls es Gründe gibt, die zu dieser Ähnlichkeit führen, konnten sie bislang nicht identifiziert werden. Die derzeitige Antwort auf diese Frage geht aufgrund des extrem komplexen Zusammenspiels von Geometrie, thermischen und umwandlungsbedingten Dehnungen von zufälliger Gleichheit aus, da eine feste Kopplung von Verzahnung und Steg nicht beobachtet werden konnte.

Zusammenfassung

Die experimentellen Untersuchungen haben zunächst das prinzipielle Verzugsverhalten des verwendeten Vorgelegerads aufgezeigt und eine adäquate mathematische Beschreibung ermöglicht. Die wesentlichen Formänderungen sind die Verkippung des Zahnkopfs in radialer Richtung und die daraus resultierende Kippamplitude sowie die Verkippung von Steg + Zahnkranz + Zahn in axialer Richtung.

Die in der Serienfertigung auftretenden Schwankungen von Härtbarkeit und Aufkohlung sollten für das untersuchte Vorgelegerad eher von untergeordneter Bedeutung für den Verzug sein. Variationen des Abschreckprozesses und Geometriemodifikationen zeigen erwartungsgemäß deutliche Einflüsse, die aber bei entsprechender Kombination (gewichtsreduziertes Zahnrad in Kombination mit geringerer Abschreckintensität) zu beherrschbaren Verzügen führen können.

Die Arbeiten zum Einfluss der Querschnittsübergänge haben ein Potenzial zur Reduzierung der Zahnkopfverkippung für Bauteile mit asymmetrischer Steglage aufgezeigt.

Die vorbreitenden experimentellen Arbeiten zur Simulation konnten zeigen, dass unter den gegebenen Bedingungen die Fertigungseigenspannungen keinen Einfluss auf den Verzug haben. Da eine Vernachlässigung der Verzahnung zu deutlich modifizierten Verzügen führen kann, müssen allerdings 3D-Simulationsmodelle verwendet werden.

Die vorliegenden bzw. gewählten Ansätze zur Bestimmung und Beschreibung der Bainitumwandlung bzw. des Wärmeübergangskoeffizienten (WÜK) haben sich als nicht ausreichend herausgestellt. Im Fall der Bainitbildung konnte das auf ein grundsätzliches Problem zurückgeführt werden. Für den Wärmeübergang hätte für jede zu simulierende Geometrie der WÜK bestimmt werden müssen. Eine numerische Bestimmung der Isolinien-Darstellung der Verkippung war aufgrund dieser beiden Probleme nicht möglich. Entsprechend konnte die im Vorgängerprojekt entwickelte Methode zur Ableitung der Verkippungs-ISO-Linien bei gewichtsreduzierten Zahnradgrundkörpern nicht in die Praxis überführt werden.

„Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.“