Zahnradfertigung „Gebaute“ Zahnräder machen Motoren und Getriebe leichter

Experten und Expertinnen der WGP (Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik) zeigen, wie man die Antriebskomponente Zahnrad und deren Herstellung neu denken kann...

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Umweltgerechtere Mobilität hat nicht zuletzt mit weniger Kraftstoff- oder Stromverbrauch zu tun. Das wiederum hängt vom Gewicht der betreffenden Fahrzeuge ab. Und dass beispielsweise Zahnräder mit Blick auf Gewichtsersparnis um bis zu 60 % leichter gebaut werden können, beweist man am WGP im Rahmen der Initiative Massiver Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Auch die Produktionszeit einzelner Teile soll sich um etwa ein Drittel reduzieren lassen. „Diese anwendungsübergreifenden Forschungsergebnisse haben wir erreicht, weil wir in der WGP breit aufgestellt sind und interdisziplinär arbeiten können“, stellt Professor Mathias Liewald, Leiter des IFU Stuttgart und einer der Projektleiter, klar. Für dieses Projekt haben, wie es weiter heißt, deshalb unter anderem Umformtechniker, Verfahrensentwickler und IT-Experten an einem Strang gezogen.

So werden Zahnräder neu gedacht

Die Wissenschaftler/innen der WGP entwickelten nicht nur sogenannte „gebaute“ Zahnräder, sondern schufen zugleich entsprechende Prozessketten für deren Produktion. „Die Zahnräder wurden konstruktiv in zwei respektive drei Einzelteile aufgebrochen: den Zahnkranz, den Zahnradkörper und die Welle-Nabe-Anbindung“ erläutert Liewald. „Mithilfe weiterentwickelter Produktionsverfahren haben wir dann gebaute Zahnräder produziert, bei denen lokal unterschiedliche Anforderungen an die Festigkeit berücksichtigt wurden. Das hat uns ermöglicht, das Gewicht der Zahnräder drastisch zu reduzieren“, so Liewald. 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. Die innovativen Zahnräder könnten nicht nur im Automobilbau, sondern vor allem auch in leichteren Getrieben wie bei Motorrollern oder E-Bikes zum Einsatz kommen.

Neue Produktionsverfahren helfen bei der Umsetzung

Die Gewichtsreduktion um 60 % bei gleichbleibender Funktionalität wurde durch die Kombination unterschiedlicher Materialien im „gebauten“ Zahnrad im Vergleich zum monolithischen Typen möglich. „Wir brechen das sonst monolithische Zahnrad in drei Einzelteile auf, wie schon gesagt“, beschreibt auch Robert Meißner, Projektmitarbeiter am IFU Stuttgart, die Innovation. Die Experten haben deshalb für den Zahnkranz einen hochfesten Werkstoff gewählt, der für den Zahnradkörper wiederum nicht notwendig war, heißt es weiter.

In einem ersten Verfahren fügt man kreisrunde, zu Paketen gestapelte Scheiben aus Blech in den auf 200 °C erwärmten Zahnkranz ein. Neu ist dabei zwar nicht der thermische Fügeprozess, wohl aber die Verwendung paketierter Blechzahnradkörper. Bei Variante zwei wurde ein Stahl- beziehungsweise ein Aluminiumkörper ohne Erwärmung in den Zahnkranz hineingepresst. Auch dieses Umformfügeverfahren ist für die Zahnradproduktion eine Innovation. Es benötigt zwar mehr Kraft als das konventionelle Schmieden eines einteiligen Zahnrads und die Umformwerkzeuge verschleißen erwartungsgemäß schneller. Gegenüber dem Paketieren wird jedoch die Energie für die Aufheizung. So ist das Kaltfließpressen – in diesem Fall das Querfließpressen – trotzdem deutlich energieeffizienter als bisherige Verfahren, betonen die Experten. „Es hatte bereits vorher Ansätze für gebaute‘ Zahnräder“ gegeben“, so Meißner, „aber das Verfahren ist nun wirtschaftlicher, weil wir mehrere Arbeitsgänge zu einem zusammengeführt haben.“

Auch die Kolbenbolzen werden leichter und sogar günstiger

Die neuen Herstellungsverfahren wurden mittels Simulationen entwickelt, die die lokal unterschiedlichen Anforderungen an die Festigkeit des Bauteils berücksichtigten. Zunächst simulierte man die Umformung eines Kolbenbolzens und in einem zweiten Schritt stellten sie die Belastung des Bauteils am Computer nach. Es zeigte sich in der virtuellen Welt zudem, dass einzelne Fertigungsschritte der bisherigen Prozessketten für die Produktion des Kolbenbolzens überflüssig sind. Dadurch konnte die Produktionszeit für den Kolbenbolzen um mehr als 30 % reduziert werden.

Zu guter Letzt berechnet man per Computer noch die maximale Gewichtsreduzierung. Bezogen auf den Kolbenbolzen waren das 4 %. „Wenn man bedenkt, dass Kolbenbolzen seit hundert Jahren immer wieder optimiert wurden, ist das, relativ betrachtet, ein erstaunliches Ergebnis“, merkt Liewald an. Möglich machte diese erneute Gewichtsreduktion eine spiralförmige anstelle der bislang zylindrischen Innenkontur, die durch Abstreckgleitziehen hergestellt wurde. Mithilfe dieses weiterentwickelten Kaltumformverfahrens konnte die Festigkeit des weichgeglühten Rohmaterials für den Kolbenbolzen um 38 % erhöht werden. Diese optimierten Kolbenbolzen könnten in jedem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen, aber auch in ganz anderen Anwendungen, wie zum Beispiel in kurzen Wellen in E-Motoren oder Achselementen in Fahrwerken. „Die Begrenzung liegt vor allem in der Länge des Rohrs“, erklärt Meißner. Eine wirtschaftlichere Produktion sollte sich durch die reduzierte Produktionszeit ergeben, was schließlich zu sinkenden Fertigungskosten führt, meint der Experte.

Doch nicht nur die Bauteile seien anwendungsoffen: Das weiterentwickelte Herstellungsverfahren mittels Abstreckgleitziehen eignet sich nicht nur für die Kolbenbolzenproduktion, sondern zur Herstellung von gewichtsreduzierten hohlen Bauteilen, wie Gehäusen oder Gewindehülsen insgesamt. Damit kann also an den unterschiedlichsten Stellen in diversen Fahrzeugen deutlich Gewicht gespart werden, so Liewald.

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