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1 m&wmmammmmmiämmm\iwm\tmim2 FVA-Nr. 610 I Zahnradstähle weltweit FVA-Heft Nr Tag der Drucklegung: Zahnradstähle weltweit Thema: Referenzwerte zur Zahnradtragfähigkeit moderner Zahnradstähle im - Weltmarkt Erweiterte Literaturauswertung und Definition eines Werk stoff-referenz-prüfverfahrens Überblick: Werkstoffbeschaffung und Getriebefertigung erfolgen zunehmend weltweit. Aus verschiedenen Gründen kann es notwendig sein, alternative Einsatzstähle zu den heute in Deutschland üblichen Einsatzstählen (z.b. 16MnCr5 und 18CrNiMo7-6) zu verwenden. Für die Vielzahl der auf dem Weltmarkt verfügbaren Zahnradstähle liegen allerdings in der FVA bisher nur begrenzt bzw. keine Ergebnisse zu deren Festigkeitskennwerten vor. Es soll daher eine grundlegende Basis zur Be wertung der Zahnradtragfähigkeit moderner und im internationalen Markt verfügbarer Zahnrad stähle sowie neuer Werkstoffentwicklungen erarbeitet werden. Insbesondere ist der Wissens stand zu den Tragfähigkeitskennwerten von Einsatzstählen, die auf unterschiedlichen Legie rungssystemen basieren und die im Weltmarkt eingesetzt werden, zu erweitern. Im ersten Schritt soll hierzu eine erweiterte Literaturstudie und -auswertung durchgeführt werden sowie ein Werkstoff-Referenz-Prüfverfahren zur vergleichenden Beurteilung der Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit Prüfbedingungen" definiert sowie an ausgewählten Stählen erprobt werden. von dokumentierten Zahnradwerkstoffen unter einheitlichen Referenz- Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. FVA-Arbeitskreis: Obmann: FVA-Koordinator: Werkstoffe Dipl.-Ing. Christoph Lehne Dipl.-Ing. Hans-Günter Heil Sachbearbeiter: Projektleiter: Forschungsstelle: Dipl.-Ing. Simone Lombardo Dr.-Ing. Thomas Tobie TU München Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, FZG Leitung: Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl Prof. i. R. Dr.-Ing. Bernd-Robert Höhn Das Forschungsvorhaben wurde aus Eigenmitteln der FVA finanziert. Abschlussbericht FVA

2 FVA-Nr. 610 I Zahnradstähle weltweit Inhaltsverzeichnis Abkürzungen, Zeichen und Einheiten V 1 Forschungsthema Einleitung Ausgangssituation und Stand der Forschung Forschungsziel Lösungsweg Erweiterte Literaturrecherche und -auswertung Festlegung eines FVA-Werkstoff-Referenz-Prüfverfahrens Erprobung des FVA-Werkstoff-Referenz-Prüfverfahrens 4 2 Stand des Wissens Unterschiedliche Legierungskonzepte für Zahnradstähle im Weltmarkt Anforderungen und Kennwerte nach DIN 3990 [9] / ISO 6336 [30] Härtbarkeit und Härtbarkeitsberechnung 6 3 Ergebnisse der erweiterten Literaturrecherche Auswertung der Zahnrad-Norm GOST [28] Bezeichnung russischer Stähle Zahnfußfestigkeit Grübchentragfähigkeit Auswertung der Zahnrad-Norm AGMA 2101 [2] Auswertung weiterer Literaturquellen US-amerikanische Zahnradstähle Japanische Zahnradstähle Italienische Zahnradstähle Französische Zahnradstähle Erweiterte FVA-Werkstoffdatenbank 34 4 Versuchsprogramm, Prüfzahnräder und Festlegung eines FVA-Werkstoff- Referenzprüfverfahrens Auswahl der zu untersuchenden Kandidatenwerkstoffe Voruntersuchungen für die ausgewählten Kandidatenwerkstoffe Prüfzahnräder Werkzeug- und Verzahnungsdaten Dokumentation der Wärmebehandlung Dokumentation der Strahlbehandlung Dokumentation der Hartfeinbearbeitung der Prüfräder Pulsatorversuche zur Zahnfußtragfähigkeit Laufversuche zur Grübchentragfähigkeit 40 Abschlussbericht FVA I

3 !:v* FVA-Nr. 610 I Zahnradstähle weltweit uvu..;:s;ä k^^ ^r r=:r^,y:ff2?mmmmegmm 4.6 Festlegung eines FVA-Werkstoff-Referenzprüfverfahrens zur Auswertung der Versuchsergebnisse Zahnfußtragfähigkeit Grübchentragfähigkeit 42 5 Untersuchungsmethoden Voruntersuchungen Chemische Analysen Metallografische Untersuchungen Metallografische Dokumentation von Randschicht- und Kerngefügezustand Bestimmung der Randoxidation im metallografischen Schliff Metallografische Dokumentation der ehemaligen Austenitkorngröße Härtemessung und Bestimmung der Härtetiefenverläufe Nachweis der Carbidfreiheit des Randgefüges Röntgenografische Eigenspannungs- und Restaustenitmessungen Untersuchungsmethode für die Pulsatorversuche zur Zahnfußtragfähigkeit Pulsatorprüfstand Berechnung der Zahnfußspannung Bestimmung der Zahnfuß-Dauerfestigkeit o"fiim Experimentelle Ermittlung der Dauerfestigkeit Experimentelle Ermittlung der Zeitfestigkeit Untersuchungsmethode für die Laufversuche zur Grübchentragfähigkeit FZG-Zahnradverspannungsprüfstände Laufversuche zur Grübchentragfähigkeit an Prüfzahnrädern Fehlerbetrachtung 54 6 Forschungsergebnisse Dokumentation und Charakterisierung der verwendeten Werkstoffe (Ergebnisse der Voruntersuchungen) Chemische Zusammensetzung Hersteller, Herstellverfahren, Werkstoffdatenblatt und Werksprüfzeugnisse der hier untersuchten Einsatzstähle Werkstoffeigenschaften im Lieferzustand (Gefüge im Lieferzustand und Auffälligkeiten) Ergebnisse der metallografischen Untersuchungen (Korngröße und Reinheitsgrad) Ergebnisse der Jominy-Versuche Ergebnisse der Voruntersuchungen zu den mechanischen Werkstoffkenn werten (Härtemessungen im Liefer- sowie gehärteten Zustand, Zugversuche und Kerbschlagbiegeversuche) Ergebnisse der Ultraschall-Untersuchungen zur Ermittlung von Fehlstellen im Material Ergebnisse der Wärmebehandlung 61 II Abschlussbericht FVA

4 FVA-Nr Zahnradstähle weltweit v: Dokumentation der Blindhärtung für die Zug- bzw. Kerbschlagbiegeprobe Dokumentation und Parameter der Vorversuche zur Optimierung der Wärmebehandlung an CHD-Proben Dokumentation der der Wärmebehandlungsparameter für die Prüfzahnräder Härtetiefenverläufe, Kern- und Oberflächenhärte der Zahnräder C-Tiefenverläufe der Zahnräder Rand- und Kerngefüge der Zahnräder Ergebnisse der Strahlbehandlung - Restaustenittiefenverläufe Eigenspannungs- bzw Ergebnisse der Zahnradfestigkeitsuntersuchungen Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen zur Flankentragfähigkeit 80 7 Diskussion der Ergebnisse Ergebnisse der erweiterten Literaturrecherche, werkstoffbezogene Zahnradkennwerte Legierungssysteme für die Zahnradherstellung im internationalen Raum Beschaffung von Einsatzstählen im Ausland und Mindestqualitätsanforderungen 7.4 Berechnung und Ermittlung der Härtbarkeit von Einsatzstählen Festlegung des neuen FVA-Werkstoff-Referenzprüfverfahrens, Anwendbarkeit und Einschränkungen Zahnfußtragfähigkeit Grübchentragfähigkeit Ergebnisse der metallografischen bzw. röntgenografischen Untersuchungen für die untersuchten Zahnradwerkstoffvarianten Rand-, Kernhärte und Einsatzhärtungstiefe Randoxidation und Troostitsaum C-Tiefenverläufe und Rand-C-Gehalt Eigenspannungs- und Restaustenittiefenverläufe Ergebnisse der Festigkeitsuntersuchungen Zahnfußtragfähigkeit der Zahnräder aus den ausgewählten Kandidatenstählen Grübchentragfähigkeit der Zahnräder aus den ausgewählten Kandidatenstählen Empfehlungen für den Konstrukteur bzw. für den Zahnradhersteller Beschaffung von Zahnradstählen aus unterschiedlichen Weltregionen Experimentelle Untersuchungen zur werkstoffbezogenen Zahnradfestigkeit Hauptergebnisse für die im Rahmen des Vorhabens untersuchten Zahnradstähle Zusammenfassung Zuverlässige Zahnradkennwerte aus der ausländischen Literatur 102 Abschlussbericht FVA III

5 - mod.:v FVA-Nr. 610 I Zahnradstähle weltweit :*mmm?s*m:v:'h:-^-^c^.is.: ^$rmmmmfflmmmmmmmmmm 9.2 Beschaffung von Einsatzstählen im Ausland und Mindestqualitätsanforderungen 9.3 Eigenschaften, Anwendungsbereiche 9.4 Fazit 10 Literatur und werkstoffmechanische Zahnradkennwerte der ausgewählten Kandidatenstähle Normen und Vorschriften Veröffentlichungen 10.3 Im Rahmen der erweiterten Literaturrecherche untersuchte Veröffentlichungen Ausgewertete Veröffentlichungen Ausgewertete und in der erweiterten FVA-Werkstoff-Datenbank 11 Anhang dokumentierte Veröffentlichungen Zusammensetzung der im Rahmen der Literaturrecherche untersuchten Einsatzstähle 11.2 Prüfradzeichnungen Standard-Laufverzahnung 17/18-mod Standard Pulsator-Verzahnung 11.3 Prüfradgeometrie Werkstoffzeugnisse der untersuchten Einsatzstähle CrMnTi CrMnMo SAE Dokumentation der Untersuchungen zur ehemaligen Austenitkorngröße aller untersuchten Zahnradwerkstoffvarianten Dokumentation der Untersuchungen zur Karbidfreiheit des Randgefüges aller untersuchten Zahnradwerkstoffvarianten Dokumentation der Ergebnisse aller untersuchten Zahnradwerkstoffvarianten Werkstoffvariante aus 20CrMnTi Werkstoffvariante aus 20CrMnMo Werkstoffvariante aus SAE Werkstoffvariante aus 15NiMoCr IV Abschlussbericht FVA

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