Erweiterte Schadensanalyse von Grübchenausbrüchen an einsatzgehärteten Zahnrädern

Zusammenfassung

In der Getriebetechnik, insbesondere bei Hochdrehzahlanwendungen, nimmt die Nachfrage nach hoher Leistungsdichte kontinuierlich zu. Neben der Optimierung der Zahnform gibt es großes Potenzial in neuen Werkstoffen und speziell optimierten Wärmebehandlungen. In diesem Bericht wird die Wälzfestigkeit von drei Testvarianten unterschiedlichen Materials und unterschiedlicher Wärmebehandlung untersucht. Die höchste Lastwechselzahl wird durch eine carbonitrierte Variante des 14NiCrMo13-4 mit über 50 % Restaustenitgehalt erreicht. Neben der Auswertung des höchsten Tragfähigkeitspotenzials liegt der Fokus auf der detaillierten Analyse der Grübchenschäden und deren Vergleich mit lokalen Spannungskomponenten. Unabhängig von Material und Wärmebehandlung kann der Grübchenschaden in eine Ermüdungs- und eine Restbruchzone unterteilt werden. Beide Bereiche können anhand des Schadensbildes und der Ausbruchtiefe voneinander unterschieden werden. Die Tiefe der Restbruchzone korreliert mit der maximalen Vergleichsspannung nach von Mises. Im Gegensatz dazu kann die Tiefe der Ermüdungszone durch die zeitabhängige Änderung der Hauptnormal- und Hauptschubspannungen erklärt werden. Das Zentrum der Ermüdungszone ist in der gleichen Tiefe wie die Überlagerung der zeitlich unterschiedlichen maximalen Hauptnormal- und Hauptschubspannungen. Die Kombination der Schadensmerkmale mit der Auswertung der lokalen Hauptspannungen erweitert das physikalische Verständnis der Rissbildung und bildet die Basis für weitere Verbesserungen.

Abstract

In gear technology, especially in turbo applications, the demand on high power density is continuously growing. Apart from optimizing tooth shape, there is great potential in new materials and specifically optimized heat treatments. In this paper, contact fatigue strength of three test variants of different material or heat treatment is investigated. The highest number of load cycles was reached by a carbonitrided variant of 14NiCrMo13-4 with over 50% retained austenite. Besides the evaluation of the highest load capacity potential, the focus rests on the detailed analysis of pitting characteristics and on the comparison with local stress components. Independent on the material and heat treatment process, the pitting damage can be divided into a fatigue and a ruptured zone. Both areas can be separated by appearance as well as the depth of outbreak. The depth of the ruptured zone correlates with the maximum equivalent stress of Mises. In contrast, the depth of the fatigue zone can be explained by the time-dependent change of normal and shear principal stresses. The center of the fatigue zone is in the same depth as the overlapping direction of the maximum normal and shear principal stress. The combination of damage characteristics and the new evaluation of local stress components extends the knowledge of contact fatigue progression and provides a basis for further improvements.