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Leichtbau Neues Konstruktionsverfahren macht Zahnräder um 60 % leichter

Redakteur: Katharina Juschkat

Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, mit dem Zahnräder leichter und schneller gefertigt werden können. Die Idee: Das Zahnrad wird nicht mehr am Stück aus einem Material aufgebaut.

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Leichtere Zahnräder aus verschiedenen Rohstoffen in drei Varianten (Zahnradkörper aus Aluminium, v.l.): Zahnradkörper mit zylindrischer Innenkontur, Zahnradkörper mit Keilwellenverzahnung, Zahnradkörper direkt auf die Prüfwelle gefügt. Vorne: Prüfwelle für statische und dynamische Festigkeitsuntersuchungen.
Leichtere Zahnräder aus verschiedenen Rohstoffen in drei Varianten (Zahnradkörper aus Aluminium, v.l.): Zahnradkörper mit zylindrischer Innenkontur, Zahnradkörper mit Keilwellenverzahnung, Zahnradkörper direkt auf die Prüfwelle gefügt. Vorne: Prüfwelle für statische und dynamische Festigkeitsuntersuchungen.
(Bild: IFU Stuttgart)

Wissenschaftler der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) haben eine neue Methode entwickelt, mit der Zahnräder schneller und um 60 Prozent leichter gebaut werden können. Die neuen Bauteile wie auch die Prozessketten sind anwendungsoffen.

Zahnrad aus drei Teilen

Der Clou der leichten Zahnräder: Sie werden nicht aus einem Stück geschaffen, wie sonst üblich, sondern werden aus einzelnen Teilen gebaut. Die Wissenschaftler dahinter haben auch die entsprechenden Prozessketten für die Produktion erarbeitet.

Die Zahnräder bestehen konstruktiv jetzt aus drei Einzelteilen:

  • Zahnkranz
  • Zahnradkörper
  • Welle-Nabe-Anbindung

Bei den gebauten Zahnrädern können lokal unterschiedliche Anforderungen an die Festigkeit berücksichtigt werden. Damit gelang den Forschern auch die Gewichtsreduzierung, ohne auf die Funktionalität verzichten zu müssen.

Die drei Einzelteile haben unterschiedliche Aufgaben und damit unterschiedliche Anforderungen an den Werkstoff. Der Zahnradkörper, der das Drehmoment aufnimmt oder weiterleitet, die Anbindung des Rades an die Welle und der Zahnkranz, der aufgrund der hohen Drehmomente und Kontaktdrücke, die auf ihn einwirken, besonders belastbar und verschleißfest sein muss. Die Forscher haben daher für den Zahnkranz einen hochfesten Werkstoff gewählt, der für den Zahnradkörper wiederum nicht notwendig war.

Wie die leichten Zahnräder hergestellt werden

In einem ersten Verfahren fügten die Wissenschaftler kreisrunde, zu Paketen gestapelte Scheiben aus Blech in den auf 200 °C erwärmten Zahnkranz ein. Der thermische Fügeprozess ist nicht neu, wohl aber die Verwendung paketierter Blechzahnradkörper.

Bei einer zweiten Variante wurde ein Stahl- bzw. ein Aluminiumkörper ohne Erwärmung in den Zahnkranz hineingepresst. Auch dieses Umformfügeverfahren ist für die Zahnradproduktion neu. Es benötigt zwar mehr Kraft als das konventionelle Schmieden eines einteiligen Zahnrads und die Umformwerkzeuge verschleißen erwartungsgemäß schneller. Gegenüber dem Paketieren wird jedoch die Energie für die Erhitzung auf 200 Grad eingespart. So ist das Kaltfließpressen – in diesem Fall das Querfließpressen – trotzdem deutlich energieeffizienter als bisherige Verfahren.

Robert Meißner, Projektmitarbeiter am IFU Stuttgart, erklärt: „Es hatte bereits vorher Ansätze für gebaute Zahnräder gegeben. Aber das Verfahren ist nun wirtschaftlicher, weil wir mehrere Arbeitsgänge zu einem zusammengeführt haben.“

Links ist der Zahnkranz und das scheibenartige Rohteil vor dem Umformfügeprozess und rechts nach dem Umformprozess zu sehen.
Links ist der Zahnkranz und das scheibenartige Rohteil vor dem Umformfügeprozess und rechts nach dem Umformprozess zu sehen.
(Bild: IFU Stuttgart)

Neue Verfahren in der Simulation getestet

Die neuen Herstellungsverfahren wurden mittels Simulationen entwickelt, die die lokal unterschiedlichen Anforderungen an die Festigkeit des Bauteils berücksichtigten. Zunächst simulierten die Forscher die Umformung eines Kolbenbolzens und in einem zweiten Schritt stellten sie die Belastung des Bauteils am Computer nach.

Außerdem konnten die Forscher feststellen, dass einzelne Fertigungsschritte der bisherigen Prozessketten für die Produktion des Kolbenbolzens überflüssig sind. Dadurch konnte die Produktionszeit für den Kolbenbolzen um mehr als 30 Prozent reduziert werden.

In der Simulation konnte auch die Gewichtsreduzierung berechnet werden. Beim Kolbenbolzen waren das vier Prozent. Prof. Mathias Liewald, Leiter des IFU Stuttgart und einer der Projektleiter, erklärt: „Wenn man bedenkt, dass Kolbenbolzen seit hundert Jahren immer wieder optimiert wurden, ist das, relativ betrachtet, ein erstaunliches Ergebnis.“ Möglich machte diese erneute Gewichtsreduktion eine spiralförmige anstelle der bislang zylindrischen Innenkontur, die durch Abstreckgleitziehen hergestellt wurde.

Mithilfe dieses weiterentwickelten Kaltumformverfahrens konnte die Festigkeit des weichgeglühten Rohmaterials für den Kolbenbolzen um 38 Prozent erhöht werden.

Anwendung der leichten Zahnräder

Einsatzmöglichkeiten für die neuen Zahnräder sind im Automobilbau, aber auch für leichtere Getriebe bei Motorrollern oder E-Bikes denkbar. So kann der optimierte Kolbenbolzen in jedem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen, aber auch in ganz anderen Anwendungen, wie zum Beispiel in kurzen Wellen in E-Motoren oder Achselementen in Fahrwerken. „Die Begrenzung liegt vor allem in der Länge des Rohrs“, stellt Meißner klar. „Eine wirtschaftlichere Produktion sollte sich durch die reduzierte Produktionszeit ergeben, was schließlich zu sinkenden Fertigungskosten führt.“

Doch nicht nur die Bauteile sind anwendungsoffen: Das weiterentwickelte Herstellungsverfahren mittels Abstreckgleitziehen eignet sich nicht nur für die Kolbenbolzen-Produktion. Es könne auch weitere gewichtsreduzierte hohle Bauteile damit hergestellt werden, etwa Gehäusen oder Gewindehülsen.

Die Forscher haben in einem interdisziplinären Team zusammengearbeitet. Beteiligt waren unter anderem Umformtechniker, Verfahrensentwickler und IT-Experten. An den Forschungsarbeiten haben verschiedene Institute gearbeitet:

  • IFU Stuttgart
  • IWT Bremen
  • ISF Dortmund
  • IUL Dortmund
  • Utg München
  • Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) München

(ID:46967702)