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Getriebeauslegung

Wie hochreine Stähle bei der Optimierung von Getrieben unterstützen

| Autor/ Redakteur: Gunther Weser / Monika Zwettler

Welche Möglichkeiten sich durch die Verwendung von hochreinen Stählen bei der Auslegung von Stirnrädern eröffnen und was es dabei zu beachten gilt.

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Materialeigenschaften spielen eine immer größere Rolle bei der Getriebeentwicklung. Mit hochreinen Stählen können sowohl Neuentwicklung als auch bestehende Konstruktionen verbessert werden.
Materialeigenschaften spielen eine immer größere Rolle bei der Getriebeentwicklung. Mit hochreinen Stählen können sowohl Neuentwicklung als auch bestehende Konstruktionen verbessert werden.
( Bild: GWJ )

Die Anforderungen an immer kompaktere Getriebe oder immer höhere Leistungsdichte wächst stetig in der Zahnrad- und Getriebeindustrie. Dies gilt sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen. Neben verschiedenen Bauformen von Getrieben oder der optimierten Auslegung mittels Modifikationen stellt sich auch immer wieder die Frage nach dem Werkstoff und dessen Eigenschaften. Es wird deutlich, dass Materialeigenschaften eine immer größere Rolle bei der Getriebeentwicklung spielen. Für kompakte Leistungsgetriebe oder auch Getriebe hoher Tragfähigkeit kommt heute sehr häufig der Einsatzstahl 18CrNiMo7-6 einsatzgehärtet zum Einsatz. Seit einiger Zeit bietet die Firma Ovako Stahl aus Schweden diesen Einsatzstahl in höheren Qualitäten bzw. in hochreinen Ausführungen. Welche Möglichkeiten eröffnen sich damit bei der Auslegung von Stirnrädern und was ist dabei zu beachten?

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Hochreine Stähle integriert

Das Unternehmen Ovako aus Schweden ist Hersteller von Engineering-Stählen, u.a. für die Wälzlager- und Verzahnungsindustrie, und gehört zum japanischen Stahlkonzern Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation. In enger Abstimmung mit Ovako hat GWJ Technology die beiden hochreinen Stähle 159X und 159Q in seine Softwarelösungen zur Verzahnungsbrechnung integriert, d.h. in der Weblösung Eassistant, in der Desktop-Anwendung TBK sowie in der Spezialsoftware Gearengineer für das 5-Achsfräsen von Zahnrädern.

Zusammenhang Stahlqualität und Bauteillebensdauer

Die Stahlqualität hat eine große Auswirkung auf die Lebensdauer des Bauteils. Aus der Erfahrung heraus ist bekannt, dass nichtmetallische Einschlüsse Dauerbrüche initiieren können. Analysiert man die Daten, wird klar, dass ein größerer Defekt eine geringere Spannung benötigt, um einen Dauerbruch zu initiieren im Vergleich zu einem kleineren Defekt.

Vergleicht man die Sauberkeit von konventionellem Stahl und hochreinem Stahl mittels 10 MHz Ultraschallscans, so sind die Unterschiede klar erkennbar. Für konventionellen Stahl beträgt der Schwefelgehalt meist 200 bis 400 ppm (ppm = parts per million). Für die hochreine Ovako-Stahlqualität BQ liegt der Schwefelanteil bei etwa 80 bis 100 ppm. Bei der ultra-hochreinen Ovako-Stahlqualität IQ beträgt der Schwefelanteil nur noch ca. 10 ppm.

Positive Wirkung hochreiner Stähle

159X und 159Q basieren auf dem Einsatzstahl 18CrNiMo7-6. BQ-Stähle (oder auch Wälzlagerstähle) wie der 159X, sind hochreine Stähle, bei denen die Defektgröße reduziert ist. Der Effekt der reduzierten Größe der Einlagerungen macht es für bereits existierende Bauteile möglich, die Lebensdauer zu vergrößern und/oder das übertragbare Drehmoment zu erhöhen.

IQ-Stähle, wie der 159Q, sind hochreine isotropische Stähle mit kleinen und isolierten Einlagerungen. Die Sauberkeit ist mit um- bzw. wiedergeschmolzenem Stahl vergleichbar. Kleine, gleichmäßige Einlagerungen führen zu isotropischen Eigenschaften. IQ-Stahl ist widerstandsfähig gegen hohe Belastungen in alle Richtungen und ideal für komplexe Lastfälle, wie bei Zahnrädern.

Härtbarkeit und Zerspanbarkeit hochreiner Stähle

Die Härtbarkeit und Zerspanbarkeit ist ähnlich zu entsprechenden konventionellen Stählen. Da die beiden Stähle 159X und 159Q auf dem 18CrNiMo7-6 basieren, sind sie auch hinsichtlich Härtbarkeit und Zerspanbarkeit vergleichbar zu diesem. Eventuell ist die Bearbeitbarkeit auch besser (abhängig von den eingesetzten Werkzeugen), auf jeden Fall nicht schlechter. Für eine vergleichbare Bearbeitbarkeit ist es wichtig, dass das eingesetzte Werkzeug für hohe Bearbeitungstemperaturen geeignet ist. Verunreinigungen in konventionellen Stählen bewirken kurz abbrechende Späne beim Zerspanen. Durch den sehr geringen Anteil an Verunreinigungen bei hochreinem Stahl gestaltet sich der Spanbruch deutlich schwieriger, die Späne können nicht einfach abbrechen. Dazu muss durch eine schnellere Vorschubgeschwindigkeit und so mit höheren Temperaturen der Span zum Glühen gebracht werden, damit er abbricht.

Durch Änderung der Anteile der Legierungselemente, d. h. Reduzierung von Si, Mn und Cr, welche im Wesentlichen für die innere Oxidation verantwortlich sind, und gleichzeitige Erhöhung von Ni und Mo, welche die Härtbarkeit unterstützen, entsteht ein Stahl mit einer martensitischen Mikrostruktur.

Höhere Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit

Aufgrund deutlich geringerer Verunreinigungen weisen die hochreinen Stähle modifizierte Wöhlerkurven auf. D. h., im statischen Bereich sind beide Stähle vergleichbar mit dem 18CrNiMo7-6. Im Dauerfestigkeitsbereich bietet der 159Q jedoch eine um ca. 30 % höhere Leistungsfähigkeit für die Flankentragfähigkeit und um 60 % höhere Festigkeit für die Zahnfußtragfähigkeit.

Ovako hat verschiedene Tests durchgeführt, um die verbesserten mechanischen Eigenschaften der hochreinen Stähle nachzuweisen. Der Umlaufbiegeversuch zeigt die deutlichen Unterschiede zu konventionellem Stahl. Weitere Versuche, wie z. B. Pulsatortests etc. am WZL Aachen und FZG München, haben die internen Untersuchungen von Ovako bestätigt.

Für bestehende Konstruktionen

Der Stahl 159X weist eine etwas kleinere Leistungssteigerung gegenüber dem 18CrNiMo7-6 auf und eignet sich damit u. a. gut bei notwendiger Verbesserung bereits bestehender Konstruktionen. Das Potential des 159Q lässt sich besonders bei Neuauslegungen nutzen. Dabei kann es von Vorteil sein, den Fokus mit auf eine optimierte Fresstragfähigkeit zu legen. Dadurch ergeben sich in der Regel, neben der höheren Leistungsdichte, bessere Verzahnungswirkungsgrade und somit geringere Verlustleistungen.

Vorteile insbesondere im Dauerfestigkeitsbereich

Um diese hochreinen Stähle für die Tragfähigkeitsberechnung von Zahnrädern zugänglich machen zu können, benötigt man, neben den üblichen Werkstoffkennwerten, insbesondere die Dauerfestigkeiten für Flankenpressung Sigma_Hlim und Zahnfuß-Biegespannung Sigma_Flim.

Es ist jedoch auch noch der von der ISO 6336 abweichende Verlauf der Wöhler-Kurve für diese hochreinen Stähle zu beachten. Im statischen bzw. quasistatischen Bereich sind die hochreinen Stähle nicht besser als die konventionellen Stähle. D. h., die Vorteile kommen erst am Ende (letztes Drittels) des Zeitfestigkeitsbereiches bzw. insbesondere im Dauerfestigkeitsbereich richtig zum Tragen.

Welche Potenziale ergeben sich bei der Auslegung?

Um das Potenzial der hochreinen Stähle zu verdeutlichen, wurde anhand einer Stirnradpaarung sowie einer Planetenstufe jeweils eine Vergleichsberechnung durchgeführt und nachfolgend verglichen. Im ersten Beispiel werden verschiedene Varianten einer Stirnradpaarung betrachtet. Alle vier Varianten wurden so ausgelegt, dass die vorgegebenen Mindestsicherheiten erfüllt sind. Das nebenstehende Bild zeigt die entsprechenden Ergebnisse.

Vier verschiedene Varianten einer Stirnradpaarung.
Vier verschiedene Varianten einer Stirnradpaarung.
( Bild: GWJ )

  • Die geometrischen Abmessungen, wie Modul, Achsabstand und Zähnezahl, sind bei Variante 1 und Variante 2 identisch. Der Unterschied besteht allerdings in der Wahl des Werkstoffes. Während bei Variante 1 der Werkstoff 18CrNiMo7-6 einsatzgehärtet für Rad und Ritzel zum Einsatz kommt, wird bei der Variante 2 der Ovako-Stahl 159Q genutzt. Als Ergebnis lässt sich bei Variante 2 das Drehmoment von 300 Nm auf 560 Nm erhöhen. Hier kann also bereits durch einen Werkstoffwechsel auf den hochreinen Stahl eine deutliche Leistungssteigerung um fast das Doppelte erzielt werden.
  • Bei Variante 3 und Variante 4 wird nicht nur der Werkstoff geändert, sondern auch die Geometrie angepasst, um eine Bauteilverkleinerung bei gleichbleibender Belastung zu erreichen. Zunächst wird bei Variante 3 nur der Modul von 3 auf 2,25 reduziert. Wie man erkennt, hat sich aufgrund des kleineren Normalmoduls der Achabstand reduziert. Der Wirkungsgrad fällt minimal geringer aus. Er beträgt 98,4684 %.
  • In Variante 4 wird jetzt der Modul weiter auf 1,5 verkleinert und gleichzeitig die Zähnezahlen (z1 = 27, z2 = 89) erhöht. Anschließend wird die Zahnbreite von 40 mm auf 35 mm verringert, die Belastung bleibt gleich. Als Ergebnis weist Variante 4 sogar einen verbesserten Wirkungsgrad von 99,0259 % auf.
  • Auch hinsichtlich der Massen ergeben sich deutliche Unterschiede. Für die Ausgangsvariante 1 ergibt sich mit Modul 3 eine Masse für die Zahnräder von 395 g, mit Variante 3 und einem Modul von 2,25 lässt sich die Masse auf 212 g senken und mit Variante 4 mit Modul 1,5 sogar auf nur noch 144 g.

Variante 1 (mn = 3) vs Variante 3 (mn = 2,25) links dargestellt; Variante 1 (mn = 3) vs Variante 4 (mn = 1,5) rechts dargestellt
Variante 1 (mn = 3) vs Variante 3 (mn = 2,25) links dargestellt; Variante 1 (mn = 3) vs Variante 4 (mn = 1,5) rechts dargestellt
( Bild: GWJ )

Wie sieht es mit den Materialkosten aus?

Um die Frage hinsichtlich der Materialkosten zu beantworten, ist es hilfreich, dies am folgenden Beispiel zu verdeutlichen. Bei einem Hypoidgetriebe wird der Ritzelwerkstoff ausgetauscht. Dies ist eine kostengünstige Alternative und die ganze Konstruktion kann ohne geometrische Änderungen weiter genutzt werden. Betrachtet man das Getriebe aus dieser Perspektive kann man sehr gut einen einfachen Gesamtkostenvergleich ableiten. Es ist festzuhalten, dass hier relative Zahlen verwendet werden, um den Vergleich nachvollziehbarer zu machen. Erfahrungen haben allerdings gezeigt, dass dies sinnvoll und durchaus skalierbar ist für leichte bis schwere Nutzfahrzeuge.

Wie es sich mit den Materialkosten verhält wird anhand eines Hypoidgetriebes gezeigt.
Wie es sich mit den Materialkosten verhält wird anhand eines Hypoidgetriebes gezeigt.
( Bild: Ovako )

Höhere Kosten bei verbesserter Zahnfußbiegespannung

Die Kosten für das montagefertige Ritzel, hergestellt aus konventionellen Stahl, werden auf einen Index-Wert von 100 festgelegt. Der Stahlpreis bezieht sich auf gewalzten Stabstahl inklusive Verschnitt und Legierungszuschläge. Die untenstehende Tabelle zeigt, dass die Kosten für BQ-Stahl und IQ-Stahl zwar leicht höher sind als für konventionellen Stahl, jedoch wird gleichzeitig eine Erhöhung der Zahnfußbiegespannung um 20 % bzw. 64 % erreicht. Hochreiner Stahl bietet daher eine wesentliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit im Dauerfestigkeitsbereich. Dies ermöglicht einzelne Komponenten und Systeme zu verkleinern unter Beibehaltung der Leistung oder auch die Lebensdauer eines vorhandenen Designs zu verlängern.

Kosten- und Leistungsänderungen bei Umstieg auf hochreinen Stahl.
Kosten- und Leistungsänderungen bei Umstieg auf hochreinen Stahl.
( Bild: GWJ )

Kostenvergleich am Beispiel einer Stirnrad- und Plantenstufe

In Analogie zum vorherigen Beispiel für den Kostenvergleich wurde dieser auf das Stirnradpaar-Beispiel übertragen. Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich der vier verschiedenen Varianten der Stirnradpaarung hinsichtlich Modul, Drehmoment, Wirkungsgrad, Gewicht und Materialpreis im Überblick. Mit dem hochreinen Stahl 159Q und dem kleinsten Modul wird bei Variante 4 der höchste Wirkungsgrad von 99,0259 % erreicht. Das Gewicht beträgt 144 g, der Materialpreis liegt bei ca. 40 % der Ausgangsvariante 1.

Vergleich von Modul, Drehmoment, Wirkungsgrad, Gewicht, Materialpreis.
Vergleich von Modul, Drehmoment, Wirkungsgrad, Gewicht, Materialpreis.
( Bild: GWJ )

Als weiteres Beispiel wird eine Planetenstufe betrachtet. Zwei Varianten werden betrachtet. In Variante 1 wird für Sonne und die Planeten der Werkstoff 18CrNiMo7-6 verwendet, für das Hohlrad wird 31CrMoV9 nitriert gewählt. Sonne und Planeten werden bei Variante 2 mit dem hochreinen Stahl 159Q von Ovako ausgeführt. Der Werkstoff für das Hohlrad bleibt bei beiden Varianten gleich. Das Drehmoment beträgt jeweils 300 Nm. Die vorgebenen Mindestsicherheiten sind erfüllt.

Zwei verschiedene Varianten einer Planetenstufe.
Zwei verschiedene Varianten einer Planetenstufe.
( Bild: GWJ )

Mit der Werkstoffänderung auf hochreinen Stahl lässt sich die Baugröße der Planetenstufe, unter Beibehaltung der ursprünglichen Belastung von 300 Nm, verkleinern. Um die Planetenstufe noch weiter zu optimieren, lässt sich der Modul schrittweise von 2 auf 1,25 verkleinern, gleichzeitig werden die Zähnezahl der Planeten, der Sonne sowie des Hohlrades erhöht. Schrägungs- und Eingriffswinkel bleiben gleich. Anschließend werden die Zahnbreiten optimiert. Als Ergebnis ergibt sich eine Planetenstufe, die deutlich kleinere Abmessungen besitzt.

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Kleineres Bauteil - weniger Gewicht - reduzierte Kosten

Durch die geringeren Bauteilabmessungen verringert sich auch das Gewicht deutlich. Während bei der ersten Variante das Gewicht bei 2,221 kg liegt, beträgt das Gewicht in der zweiten Variante nur noch 1,328 kg. Das kleinere und kompaktere Design spiegelt sich auch in den Materialkosten wieder. Die Materialkosten für den hochreinen Stahl liegen bei ca. 64 % im Vergleich zu Variante 1.

Variante 1 (mn = 2) vs Variante 2 (mn = 1,25).
Variante 1 (mn = 2) vs Variante 2 (mn = 1,25).
( Bild: GWJ )

Kosten- und Leistungsänderung bei der Planetenstufe.
Kosten- und Leistungsänderung bei der Planetenstufe.
( Bild: GWJ )

Kosten- und Leistungsänderung bei der Planetenstufe.
Kosten- und Leistungsänderung bei der Planetenstufe.
( Bild: GWJ )

Hochreine Stähle eröffnen neue Konstruktionsmöglichkeiten

Generell lässt sich die Zuverlässigkeit von bereits vorhandenen Bauteilen durch den Einsatz hochreiner Stähle erhöhen. Vorausgesetzt die Ursachen für einen möglichen Ausfall sind nicht z. B. schlechte Oberflächen oder Fluchtungsfehler. Neben der Erhöhung der Zuverlässigkeit lässt sich auch die mögliche Belastung bereits vorhandener Bauteile durch den Werkstoffwechsel auf hochreine Stähle, wie z. B. 159Q, erhöhen. Hierbei ergibt sich eine leichte Preissteigerung bei den Materialkosten, die aber den Mehrgewinn an übertragbarem Moment liefert.

Alternativ kann eine Bauteilverkleinerung bei Beibehaltung der ursprünglichen Belastungen erfolgen. Hierbei ergibt sich auf Grund der Reduzierung des Bauteilgewichtes eine entsprechende Verringerung der Materialkosten, wie die vorgestellten Beispiele zeigen. Hochreine Stähle eröffnen somit neue Konstruktions- und Fertigungsmöglichkeiten, die zu einer höheren Leistungsdichte zu gleichen oder niedrigeren Kosten führen können.

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Ergänzendes zum Thema

* Dipl.-Ing. Gunther Weser, Geschäftsführer GWJ Technology GmbH, 38114 Braunschweig

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