Entwicklung einer Prüfmethode zur Bestimmung der Zeitschwellfestigkeit von Kunststoffzahnrädern nach VDI 2736 mittels Pulsator

Forschungsthema

Kurztitel Kunststoff-Puls
Projektbeginn Q2/2021
Förderung FVA-Nr. 932/I, IGF-Nr. 21797 N
Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, BMWK
Kontakt Dr.-Ing. T. Tobie

Projektbeschreibung

Die Festigkeitswerte von Zahnrädern werden in der Regel anhand experimenteller Lebensdauerversuche bestimmt. Dabei gilt es grundsätzlich zwischen der Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit zu unterscheiden. Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit erfolgen überwiegend an Pulsatorprüfständen, wohingegen experimentelle Versuche zur Zahnflankentragfähigkeit an Laufprüfständen durchgeführt werden. Der Pulsatorversuch stellt dabei das insgesamt wirtschaftlichere Prüfverfahren dar. Insbesondere für Stahlwerkstoffe hat sich der Pulsatorversuch zur Bestimmung Zahnfußtragfähigkeit durchgesetzt, die für die anwendungsgerechte Auslegung von Zahnrädern zwingend erforderlich sind. Um die Unterschiede hinsichtlich der Beanspruchung im Pulsator gegenüber dem Laufversuch zu berücksichtigen, liegen für Stahlzahnräder abgesicherte Beiwerte vor, die eine zuverlässige Umrechnung der ermittelten Festigkeitswerte zwischen beiden Prüfmethoden erlauben. Die Anwendung dieser Faktoren bei Kunststoffzahnrädern führt jedoch zu deutlichen Abweichungen. Schwierigkeiten bereitet dabei vor allem das im Vergleich zu Stahl unterschiedliche Materialverhalten von Kunststoff. Eine wesentliche Herausforderung stellt die verhältnismäßig hohen Zahnverformungen unter Last dar, verursacht durch die signifikant niedrigere Steifigkeit von Kunststoffwerkstoffen. Dadurch kommt es zu einer maßgeblichen Änderung des Biegehebelarms des Kraftangriffspunktes unter Last, was zu einer Reduzierung der auftretenden Zahnfußspannung führen kann. Versuche zur Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern finden deshalb aufgrund der genannten Schwierigkeiten bislang überwiegend in Laufversuchen statt. Die Eignung des Pulsatorversuchs zur Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit ist hingegen für Zahnräder aus Kunststoff noch nicht vollständig geklärt. Um die Vorteile des Pulsatorversuchs auch für Kunststoffzahnräder nutzbar zu machen, ist eine auf die spezifischen Materialeigenschaften von Kunststoff abgestimmte standardisierte Prüfmethode erforderlich. Damit soll eine Möglichkeit zur schnellen, effizienten und kostengünstigen Ermittlung von Materialkennwerten und Untersuchung der Zahnfußtragfähigkeit thermoplastischer Kunststoffe geschaffen werden.