Lebensdauererhöhung und Kostensenkung durch die Ermittlung der optimalen Einsatzhärtetiefe an Zahnrädern infolge experimenteller und numerischer Untersuchungen

Für die Auslegung von Verzahnungen ist die Kenntnis über die Zahnfuß- und Zahnflankentragfähigkeit von großer Bedeutung. Speziell die hoch beanspruchten Regionen in der Randschicht des Zahnfußes haben hohen Festigkeitsanforderungen genüge zu leisten. Aus diesem Grund zählt in der Fahrzeugindustrie das Einsatzhärten zu den gängigsten Oberflächenbehandlungen um eine Verbesserung gegen verschiedene Schadens- und Ermüdungsmechanismen zu erzielen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, durch Auffinden der optimalen Einsatzhärtetiefe bei maximaler Tragfähigkeit der Randschicht, Ofenzeit und in weiterer Folge Kosten zu sparen. Nach dem zweiten Fick'schen Gesetz steigt die benötigte Zeit für das Eindiffundieren des Kohlenstoffs in die Bauteiloberfläche mit dem Quadrat der Einsatzhärtetiefe. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Ermittlung der Tragfähigkeit des Einsatzstahles 20MnCr5 unter Berücksichtigung des Einflusses der einsatzgehärteten Randschicht. Hierzu wurden die wichtigsten Materialparameter - die Einsatzhärtetiefe, Härte- und Eigenspannungsverteilung - welche die lokale Tragfähigkeit beeinflussen, analysiert und diskutiert. Durch Umlaufbiegeversuche und Versuche an realen Bauteilen, an FZG-C Zahnrädern, wurden drei unterschiedliche Einsatzhärtetiefen untersucht. Die Geometrie der Umlaufbiegeproben ist gekerbt um eine vergleichbare Kerbformzahl wie in der Zahnfußausrundung der Prüfräder zu erreichen. Die getesteten Zahnräder sind geradverzahnte Stirnräder, einsatzgehärtet mit drei verschiedenen Einsatzhärtetiefen von 0,3; 0,5 und 0,7 mm. Begleitend dazu wurden Umlaufbiegeversuche, analytische Berechnungen nach Norm DIN 3990 Teil 3 und numerische Finite Elemente Simulationen durchgeführt. Um mehr Informationen über den Rissausgang und die Bruchcharakteristik zu erhalten wurden detaillierte Untersuchungen der Bruchflächen ausgeführt. Eine abschließende Diskussion der Ergebnisse liefert den Einfluss der Einsatzhärtetiefe auf die Tragfähigkeit und zeigt den möglichen Weg der Übertragbarkeit von der Probe zum realen Bauteil auf.