Viele Teile vondie neuen UntersetzungsgetriebeUndKfz-GetriebeFür dieses Projekt ist nach dem Zahnradschleifen ein Kugelstrahlen erforderlich, was die Qualität der Zahnoberfläche verschlechtert und sogar das NVH-Verhalten des Systems beeinträchtigen kann. Diese Arbeit untersucht die Zahnoberflächenrauheit unter verschiedenen Kugelstrahlbedingungen und an verschiedenen Bauteilen vor und nach dem Kugelstrahlen. Die Ergebnisse zeigen, dass das Kugelstrahlen die Zahnoberflächenrauheit erhöht. Diese wird durch die Bauteileigenschaften, die Prozessparameter und weitere Faktoren beeinflusst. Unter den bestehenden Bedingungen der Serienfertigung ist die maximale Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen 3,1-mal höher als vor dem Kugelstrahlen. Der Einfluss der Zahnoberflächenrauheit auf das NVH-Verhalten wird diskutiert und Maßnahmen zur Verbesserung der Rauheit nach dem Kugelstrahlen werden vorgeschlagen.

Vor diesem Hintergrund werden in diesem Beitrag die folgenden drei Aspekte erörtert:

Einfluss der Parameter des Kugelstrahlprozesses auf die Oberflächenrauheit der Zähne;

Der Verstärkungsgrad des Kugelstrahlens auf die Zahnoberflächenrauheit unter den bestehenden Bedingungen des Chargenfertigungsprozesses;

Auswirkungen erhöhter Zahnoberflächenrauheit auf das NVH-Verhalten und Maßnahmen zur Verbesserung der Rauheit nach dem Kugelstrahlen.

Kugelstrahlen ist ein Verfahren, bei dem zahlreiche kleine Projektile mit hoher Härte und hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche von Werkstücken treffen. Durch den Aufprall der Projektile entstehen Vertiefungen auf der Werkstückoberfläche, die zu plastischer Verformung führen. Die Strukturen um die Vertiefungen herum wirken dieser Verformung entgegen und erzeugen Druckeigenspannungen. Die Überlagerung zahlreicher Vertiefungen bildet eine gleichmäßige Druckeigenspannungsschicht auf der Werkstückoberfläche und verbessert so die Dauerfestigkeit des Werkstücks. Je nach Art der Erzeugung der hohen Geschwindigkeit wird das Kugelstrahlen im Allgemeinen in Druckluft- und Schleuderkugelstrahlen unterteilt (siehe Abbildung 1).

Beim Druckluft-Kugelstrahlen wird Druckluft als Antriebskraft genutzt, um das Strahlmittel aus der Pistole zu versprühen. Beim Schleuderstrahlen treibt ein Motor das Strahlrad an, das das Strahlmittel mit hoher Geschwindigkeit ausstößt. Zu den wichtigsten Prozessparametern des Kugelstrahlens gehören die Sättigungsfestigkeit, die Deckkraft und die Eigenschaften des Strahlmittels (Material, Größe, Form, Härte). Die Sättigungsfestigkeit charakterisiert die Strahlfestigkeit und wird durch die Bogenhöhe (d. h. den Biegegrad des Almen-Prüfkörpers nach dem Kugelstrahlen) ausgedrückt. Die Deckkraft beschreibt das Verhältnis der Fläche der nach dem Kugelstrahlen entstandenen Vertiefungen zur Gesamtfläche des gestrahlten Bereichs. Gängige Strahlmittel sind beispielsweise Stahldraht-, Stahlguss-, Keramik- und Glaskugeln. Die Strahlmittel unterscheiden sich hinsichtlich Größe, Form und Härte. Die allgemeinen Prozessanforderungen für Getriebewellenteile sind in Tabelle 1 dargestellt.

Das Prüfteil ist das Zwischenwellenrad 1/6 eines Hybridprojekts. Die Zahnradstruktur ist in Abbildung 2 dargestellt. Nach dem Schleifen weist die Zahnoberfläche eine Mikrostruktur der Güteklasse 2, eine Oberflächenhärte von 710 HV30 und eine effektive Härtetiefe von 0,65 mm auf – alles innerhalb der technischen Anforderungen. Die Zahnoberflächenrauheit vor dem Kugelstrahlen ist in Tabelle 3, die Zahnprofilgenauigkeit in Tabelle 4 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Zahnoberflächenrauheit vor dem Kugelstrahlen gering und die Zahnprofilkurve glatt ist.

Testplan und Testparameter

Für den Test wurde eine Druckluft-Kugelstrahlanlage verwendet. Aufgrund der Testbedingungen konnte der Einfluss der Eigenschaften des Strahlmittels (Material, Größe, Härte) nicht überprüft werden. Daher wurden die Eigenschaften des Strahlmittels im Test konstant gehalten. Untersucht wurde lediglich der Einfluss der Sättigungsstärke und der Bedeckung auf die Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen. Das Testschema ist in Tabelle 2 dargestellt. Die Bestimmung der Testparameter erfolgte wie folgt: Mithilfe des Almen-Coupon-Tests wurde die Sättigungskurve (Abbildung 3) ermittelt, um den Sättigungspunkt zu bestimmen und so den Druckluftdruck, den Stahlkugelstrom, die Düsenvorschubgeschwindigkeit, den Düsenabstand zum Werkstück und weitere Geräteparameter zu fixieren.

Testergebnis

Die Daten zur Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen sind in Tabelle 3, die Genauigkeit des Zahnprofils in Tabelle 4 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Zahnoberflächenrauheit unter den vier Kugelstrahlbedingungen zunimmt und die Zahnprofilkurve nach dem Kugelstrahlen konkav bzw. konvex wird. Das Verhältnis der Rauheit nach dem Kugelstrahlen zur Rauheit vor dem Kugelstrahlen dient zur Charakterisierung der Rauheitsvergrößerung (Tabelle 3). Die Rauheitsvergrößerung variiert je nach Prozessbedingung.

Chargenverfolgung der Vergrößerung der Zahnoberflächenrauheit durch Kugelstrahlen

Die Testergebnisse in Abschnitt 3 zeigen, dass die Oberflächenrauheit der Zähne nach dem Kugelstrahlen mit verschiedenen Verfahren unterschiedlich stark zunimmt. Um die Auswirkungen des Kugelstrahlens auf die Oberflächenrauheit der Zähne besser zu verstehen und die Anzahl der Proben zu erhöhen, wurden 5 Teile (5 Typen, insgesamt 44 Teile) ausgewählt, um die Rauheit vor und nach dem Kugelstrahlen im Rahmen eines Serienfertigungsprozesses zu untersuchen. Tabelle 5 enthält die physikalischen und chemischen Daten sowie Informationen zum Kugelstrahlprozess der untersuchten Teile nach dem Zahnradschleifen. Abbildung 4 zeigt die Rauheits- und Vergrößerungsdaten der Vorder- und Rückseite der Zähne vor dem Kugelstrahlen. Abbildung 4 zeigt, dass die Oberflächenrauheit der Zähne vor dem Kugelstrahlen im Bereich von Rz 1,6 μm bis Rz 4,3 μm liegt. Nach dem Kugelstrahlen nimmt die Rauheit zu und liegt im Bereich von Rz 2,3 μm bis Rz 6,7 μm. Die maximale Rauheit kann vor dem Kugelstrahlen um das 3,1-Fache erhöht werden.

Einflussfaktoren der Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen

Das Prinzip des Kugelstrahlens zeigt, dass die hohe Härte und die hohe Geschwindigkeit der Strahlmittel unzählige Vertiefungen auf der Werkstückoberfläche hinterlassen, die Druckeigenspannungen verursachen. Diese Vertiefungen erhöhen zwangsläufig die Oberflächenrauheit. Die Eigenschaften der Werkstücke vor dem Kugelstrahlen und die Prozessparameter beeinflussen die Rauheit nach dem Kugelstrahlen (siehe Tabelle 6). In Abschnitt 3 dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Oberflächenrauheit der Zähne nach dem Kugelstrahlen unter den vier Prozessbedingungen unterschiedlich stark zunimmt. In diesem Versuch wurden zwei Variablen untersucht: die Rauheit vor dem Kugelstrahlen und die Prozessparameter (Sättigungsstärke bzw. Bedeckungsgrad). Diese beiden Variablen erlauben es nicht, den Zusammenhang zwischen der Rauheit nach dem Kugelstrahlen und den einzelnen Einflussfaktoren präzise zu bestimmen. Zahlreiche Wissenschaftler haben sich mit diesem Thema befasst und auf Basis von Finite-Elemente-Simulationen ein theoretisches Vorhersagemodell für die Oberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen entwickelt. Dieses Modell dient zur Vorhersage der entsprechenden Rauheitswerte verschiedener Kugelstrahlprozesse.

Basierend auf praktischen Erfahrungen und den Forschungsergebnissen anderer Wissenschaftler lassen sich die Wirkungsweisen verschiedener Faktoren wie in Tabelle 6 dargestellt ableiten. Es zeigt sich, dass die Rauheit nach dem Kugelstrahlen von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird, die gleichzeitig auch die Druckeigenspannungen maßgeblich bestimmen. Um die Rauheit nach dem Kugelstrahlen bei gleichzeitiger Wahrung der Druckeigenspannungen zu reduzieren, sind umfangreiche Prozessversuche zur kontinuierlichen Optimierung der Parameterkombinationen erforderlich.

Einfluss der Zahnoberflächenrauheit auf das NVH-Verhalten des Systems

Zahnradteile sind Bestandteil des dynamischen Getriebesystems, und die Oberflächenrauheit der Zähne beeinflusst deren NVH-Verhalten (Geräusch-, Vibrations- und Rauheitsverhalten). Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bei gleicher Last und Drehzahl eine höhere Oberflächenrauheit zu stärkeren Vibrationen und Geräuschen im System führt; mit steigender Last und Drehzahl nehmen Vibrationen und Geräusche deutlich zu.

In den letzten Jahren haben Projekte für neuartige Getriebe rasant zugenommen und zeigen den Entwicklungstrend hin zu hohen Drehzahlen und Drehmomenten. Aktuell beträgt das maximale Drehmoment unseres neuartigen Getriebes 354 Nm und die maximale Drehzahl 16.000 U/min, zukünftig sollen diese Werte auf über 20.000 U/min steigen. Unter diesen Betriebsbedingungen muss der Einfluss der erhöhten Zahnoberflächenrauheit auf das NVH-Verhalten des Systems berücksichtigt werden.

Verbesserungsmaßnahmen für die Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen

Das Kugelstrahlen nach dem Zahnradschleifen kann die Kontaktfestigkeit der Zahnflanke und die Biegefestigkeit des Zahnfußes verbessern. Ist dieses Verfahren aus Festigkeitsgründen im Rahmen der Zahnradkonstruktion erforderlich, kann die Oberflächenrauheit der Zahnflanke nach dem Kugelstrahlen unter Berücksichtigung der NVH-Eigenschaften des Systems wie folgt optimiert werden:

a. Die Prozessparameter des Kugelstrahlens sollen optimiert und die Zunahme der Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen unter Berücksichtigung der Druckeigenspannung kontrolliert werden. Dies erfordert zahlreiche Prozessversuche und schränkt die Prozessflexibilität ein.

b. Es wird ein kombiniertes Kugelstrahlverfahren angewendet, d. h. nach dem Kugelstrahlen mit normaler Festigkeit erfolgt ein weiterer Kugelstrahlvorgang. Die Festigkeitssteigerung durch den Kugelstrahlvorgang ist in der Regel gering. Art und Größe des Strahlmittels können angepasst werden, z. B. Keramikkugeln, Glaskugeln oder fein geschnittene Stahldrahtkugeln.

c. Nach dem Kugelstrahlen werden weitere Verfahren wie das Polieren der Zahnoberfläche und das Freihonen angewendet.

In dieser Arbeit wird die Oberflächenrauheit der Zähne unter verschiedenen Bedingungen des Kugelstrahlprozesses sowie an verschiedenen Teilen vor und nach dem Kugelstrahlen untersucht. Basierend auf der Literatur werden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

◆ Durch das Kugelstrahlen wird die Oberflächenrauheit der Zähne erhöht, die von den Eigenschaften der Teile vor dem Kugelstrahlen, den Parametern des Kugelstrahlprozesses und anderen Faktoren beeinflusst wird. Diese Faktoren sind auch die Schlüsselfaktoren, die die Druckeigenspannung beeinflussen.

◆ Unter den bestehenden Bedingungen des Chargenfertigungsprozesses ist die maximale Zahnoberflächenrauheit nach dem Kugelstrahlen 3,1-mal so hoch wie vor dem Kugelstrahlen;

◆ Eine erhöhte Oberflächenrauigkeit der Zähne führt zu stärkeren Vibrationen und Geräuschen im System. Je höher Drehmoment und Drehzahl sind, desto deutlicher ist der Anstieg von Vibrationen und Geräuschen.

◆ Die Oberflächenrauheit der Zähne nach dem Kugelstrahlen kann durch Optimierung der Prozessparameter, kombiniertes Kugelstrahlen, zusätzliches Polieren oder Freihonen nach dem Kugelstrahlen usw. verbessert werden. Durch die Optimierung der Prozessparameter des Kugelstrahlens kann die Rauheitsverstärkung voraussichtlich auf etwa das 1,5-Fache begrenzt werden.