Integrierte Wärmebehandlungssimulation und Berechnung der Fußtragfähigkeit von Sinterzahnrädern

Die klassische Pulvermetallurgie bietet Potenziale zur ressourcenschonenden Herstellung von Zahnrädern mit reduziertem Energieeinsatz. Die verbleibende Porosität nach dem Sintern verringert jedoch die Tragfähigkeit des Sinterzahnrads. Untersuchungen zeigen, dass die Tragfähigkeit von Sinterzahnrädern durch den nachfolgenden Dichtwalzprozess und die Einsatzhärtung signifikant erhöht werden kann. Aktuell basiert die Auslegung der Wärmebehandlung von Sinterzahnrädern auf Untersuchungen an konventionellen Zahnrädern, da spezifische Richtlinien für Sinterzahnräder fehlen. Daher wurde in dieser Arbeit eine integrierte Methode zur Simulation der Einsatzhärtung und der Berechnung der Tragfähigkeit des Sinterzahnrads entwickelt, die den Einfluss des Härteprofils und der Eigenspannungen auf die Tragfähigkeit in Kombination mit der lokalen Dichte berücksichtigt. Durch die entwickelte FiniteElementeModellierung der Wärmebehandlung können die Härte und Eigenspannungen quantitativ in Abhängigkeit von Prozessparametern, z.B. Aufkohlungstemperatur und -dauer sowie Abschreckmedium, beschrieben werden. Das Werkstoffmodell für die Wärmebehandlungssimulation basiert hauptsächlich auf eigenen experimentellen Werkstoffuntersuchungen und teilweise auf die Annahme von Modellparametern aus der Literatur. Im Anschluss an die Wärmebehandlungssimulation wird die Belastung eines Zahnrads gemäß den genormten Prüfstandversuchen zur Ermittlung der Tagfähigkeit modelliert. Dadurch wird die Überlagerung der Last- und Eigenspannungen für verschiedene Belastungen dreidimensional beschrieben. Die Analyse der Überlebenswahrscheinlichkeit des Sinterzahnrads integriert ein Festigkeitsmodell für den Sinterstahl sowie mehrere Versagenshypothesen in einem erweiterten Fehlstellenmodell. Die Tragfähigkeit des Sinterzahnrads entspricht der ertragbaren Belastungsamplitude für eine bestimmte Überlebenswahrscheinlichkeit. Das Simulationsmodell wurde anhand von Bauteilcharakterisierungen validiert und in einer Rechenstudie zur Untersuchung des Einflusses der Wärmebehandlung auf die Tragfähigkeit genutzt. Es wurde gezeigt, dass durch die Simulation Tendenzen beobachtet werden können, die experimentell sehr schwer oder nur mit großem Aufwand identifizierbar sind. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass die Steigerung der Einsatzhärtetiefe die Randeigenspannungen sowie die Tiefe der Druckspannungen an Zahnfuß und -flanke beeinflusst. Leicht höhere Druckspannungen bei zunehmender Einsatzhärtetiefe führten in der Simulation zu einer Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit. Weiterhin zeigte die Simulation der Zahnflankenpressung ein Schadensrisiko sowohl im oberflächennahen Randbereich unterhalb des Wälzkreises als auch im Zahnvolumen etwa parallel zum Verdichtungsprofil der Randschicht.