Zahnräder sind Kernkomponenten mechanischer Getriebesysteme und ihre Belastbarkeit bestimmt direkt die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des gesamten Getriebesystems. Die Belastbarkeit von Zahnrädern hängt hauptsächlich von zwei kritischen Aspekten ab: der Ermüdungsfestigkeit beim Kontakt mit der Zahnoberfläche und der Biegeermüdungsfestigkeit am Zahnfuß.

Häufige Getriebeausfallmodi

• Lochfraß auf der Zahnoberfläche: Metallabplatzungen an der Oberfläche durch zyklische Kontaktbeanspruchung.
• Abnutzung der Zahnoberfläche: Anhaftung von Metalloberflächen durch Hochgeschwindigkeits- und Schwerlastbetrieb.
• Abnutzung der Zahnoberfläche: Materialverlust an der Zahnoberfläche durch Reibung.
• Zahnbruch: Verursacht durch Biegeermüdung oder Überlastung.
• Plastische Verformung: Materialfluss auf der Zahnoberfläche bei starker Belastung.

Kernauslegung und Berechnung der Tragfähigkeit

1. Berechnung der Ermüdungsfestigkeit bei Zahnoberflächenkontakt

• σH = Berechnete Kontaktspannung (MPa)
• ZH = Knotenzonenfaktor, ZE = Materialelastizitätskoeffizient, Zε = Kontaktverhältnisfaktor, Zβ = Schrägungswinkelfaktor
• Ft = Tangentialkraft am Teilkreis der Stirnfläche (N)
• b = Zahnbreite (mm), d1 = Teilkreisdurchmesser des Ritzels (mm), u = Übersetzungsverhältnis (u=z2/z1)
• σHP = Zulässige Kontaktspannung (MPa), berechnet als σHP = σHlim·ZN·ZL·Zv·ZR·ZW·ZX/SHmin (σHlim = Kontaktermüdungsgrenze von Testzahnrädern; ZN = Lebensdauerfaktor; ZL = Schmiermittelfaktor; Zv = Geschwindigkeitsfaktor; ZR = Oberflächenrauheitsfaktor; ZW = Kaltverfestigungsfaktor; ZX = Größenfaktor; SHmin = Mindestsicherheitsfaktor)

2. Berechnung der Biegeermüdungsfestigkeit der Zahnwurzel

• σF = Berechnete Biegespannung (MPa)
• mn = Normalmodul (mm)
• YF = Zahnprofilfaktor, YS = Spannungskorrekturfaktor, Yβ = Schrägungswinkelfaktor, YB = Zahnbreitenfaktor
• σFP = Zulässige Biegespannung (MPa), berechnet als σFP = σFlim·YN·YδrelT·YRrelT·YX/SFmin (σFlim = Biegeermüdungsgrenze von Testzahnrädern; YN = Lebensdauerfaktor; YδrelT = Relativer Zahnfußkehlempfindlichkeitsfaktor; YRrelT = Relativer Oberflächenzustandsfaktor; YX = Größenfaktor; SFmin = Mindestsicherheitsfaktor)

Überprüfung der Tragfähigkeit

• Wenden Sie sich an die Prüfung der Ermüdungsfestigkeit: Überprüfen Sie, dass σH ≤ σHP, indem Sie ZH berechnen, ZE bestimmen, Zε berechnen, Zβ berücksichtigen, Ft berechnen, Korrekturfaktoren bestätigen und σH mit σHP vergleichen.
• Überprüfung der Biegeermüdungsfestigkeit: Stellen Sie sicher, dass σF ≤ σFP, indem Sie YF definieren, YS berechnen, Yβ berücksichtigen, YB berechnen, Korrekturfaktoren identifizieren und σF mit σFP vergleichen.
• Überprüfung der besonderen Betriebsbedingungen: Beinhaltet eine kurzfristige Überlastüberprüfung (unter Berücksichtigung der maximalen Momentanlast), eine Stoßlastüberprüfung (Einführung eines dynamischen Lastfaktors), eine Hochtemperatur-Zustandsüberprüfung (unter Berücksichtigung von Materialleistungsänderungen) und eine Hochgeschwindigkeitsüberprüfung bei hoher Last (mit Schwerpunkt auf plastischer Verformung).

Wichtige Einflussfaktoren und Optimierung

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