Fußtragfähigkeit einsatzgehärteter Zahnräder unter Berücksichtigung lokaler Materialeigenschaften

Zahnräder gehören als Funktionselemente zur Drehzahl- und Drehmomentübertragung zu den wichtigsten technischen Erzeugnissen des Maschinenbaus. So unterschiedliche Produkte wie zum Beispiel Kraftfahrzeuge, Werkzeugmaschinen, Windenergieanlagen oder Industriegetriebe könnten ohne zuverlässige, leistungsfähige und kostengünstige Zahnradgetriebe nicht ihren heutigen Leistungsstand aufweisen. Gleichzeitig ist zu beobachten, dass die Anforderungen an moderne Getriebe bezüglich hoher Leistung und geringem Bauraum kontinuierlich steigen. Aus diesem Grund sind Getriebekonstrukteure immer öfter gezwungen, vorhandene Sicherheitsreserven in Verzahnungen gegenüber konkurrierenden Anforderungen (z. B. Verkleinerung des Bauraums) zu reduzieren. Daher steigt auch das Interesse an Berechnungsverfahren, die die Tragfähigkeit möglichst genau unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren bestimmen können. Dies betrifft sowohl die Flankentragfähigkeit als auch die Zahnfußtragfähigkeit, die in dieser Arbeit untersucht wird. Die Zahnräder in modernen Leistungsgetrieben sind in der Regel randschichtverfestigt, wobei in den meisten Fällen das Einsatzhärten angewendet wird. Die inhomogenen Festigkeitseigenschaften und die durch die lokalen Gefügeumwandlungen induzierten Eigenspannungen werden jedoch durch konventionelle Berechnungssysteme wie die DIN 3990 (Teil 3) nur unzureichend in Form von global gültigen Bauteilkennwerten berücksichtigt. Eine lokale wirkungsmäßige Betrachtung der Randschichteigenschaften ist nicht möglich, so dass diese Berechnungssysteme lediglich globale Abschätzungen dieser wichtigen Einflussgrößen durchführen können. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Arbeit ein Berechnungssystem entwickelt, welches basierend auf der Methode der Finiten Elemente (FEM) eine lokale Berücksichtigung der Randschichteigenschaften ermöglicht. Über einen speziellen Berechnungsansatz ist das Berechnungssystem außerdem in der Lage, den Einfluss von Oberflächen zu berechnen, die durch Randoxidation strukturell vorgeschädigt sind und erhöhte Rauheiten aufweisen. Dies ist nach dem derzeitigen Stand der Technik nur mit Ungenauigkeiten möglich. Um die benötigten Materialeigenschaften in Form von lokalen Kennwerten interpretieren zu können, werden Ansätze vorgestellt, mit denen diese aus messtechnisch erfassbaren Materialeigenschaften abgeleitet werden können.