Was wäre, wenn beim „neu denken“ selbstverständlich gewordener Bauteile 60% Gewichtsersparnis erreicht wird? Genau das ist einem wissenschaftlichen Team der WGP (Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik) im Rahmen der Initiative Massiver Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit dem Entwurf für eine mehrteilige Konstruktion von Zahnrädern gelungen.
Bisher werden diese Komponenten für unzählige Anwendungen monolithisch gefertigt. Die Ergebnisse der interdisziplinäre Forschungsgruppe zeigen nun, dass Zahnräder aus mehr als einem Teil bis zu 60 % leichter gebaut werden können – und sich die Produktionszeit trotz der einzelnen Teile um ein Drittel reduzieren lässt.
Die sogenannten „gebauten Zahnräder“ bestehen aus zwei bzw. drei Einzelteilen: Zahnkranz, Zahnradkörper und Welle-Nabe-Anbindung. Mit Hilfe weiterentwickelter Produktionsverfahren konnten lokal unterschiedliche Anforderungen an die Festigkeiten berücksichtigt werden. Die Gewichtsreduktion um 60 Prozent bei gleichbleibender Funktionalität wurde durch die Kombination unterschiedlicher Materialien im „gebauten“ im Vergleich zum „Vollkörper“-Zahnrad möglich.
Links ist der Zahnkranz und das scheibenartige Rohteil vor dem Umformfügeprozess und rechts nach dem Umformprozess zu sehen, (Quelle: IFU Stuttgart)
Robert Meißner, Projektmitarbeiter, an einer servo-machanischen Kaltfließpresse mit einem gebauten Zahnrad (Quelle: IFU Stuttgart)
Die schnellere Produktionszeit ist hauptsächlich einem schnelleren Fertigungsverfahren für den Kolbenbolzen zu verdanken. Simulationen der neuen Herstellungsverfahren berücksichtigten ebenfalls die unterschiedlichen Anforderungen an die Festigkeit. Dabei stellten die Forscher fest, dass einzelne Fertigungsschritte der bisherigen Prozesskette überflüssig sind.
Prof. Mathias Liewald, Leiter Institut für Umformtechnik (IFU), Universität Stuttgart, (Quelle: IFU Stuttgart)
„Diese anwendungsübergreifenden Ergebnisse konnten wir erzielen, weil wir innerhalb der WGP breit aufgestellt sind und interdisziplinär arbeiten können. Für dieses Projekt haben unter anderem Umformtechniker, Verfahrensentwickler und IT-Experten an einem Strang gezogen.“
Professor Mathias Liewald, Leiter des IFU Stuttgart und einer der Projektleiter
An den Forschungsarbeiten waren insgesamt fünf WGP-Institute beteiligt: das IFU Stuttgart, das IWT Bremen, ISF und IUL Dortmund und utg München gemeinsam mit der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) München.
Bild oben: Drei Varianten gefügter Zahnräder mit Zahnradkörpern aus Aluminium. Links: Zahnradkörper mit zylindrischer Innenkontur; Mitte: Zahnradkörper mit Keilwellenverzahnung (simultan beim Fügevorgang hergestellt); Rechts: Zahnradkörper direkt auf die Prüfwelle gefügt; Vorne: Prüfwelle für statische und dynamische Festigkeitsuntersuchungen (Quelle: IFU Stuttgart)
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