Zwei Zahnräder: einmal vor und einmal nach dem Umformprozess.

Links ist der Zahnkranz und das scheibenartige Rohteil vor dem Umformfügeprozess und rechts nach dem Umformprozess zu sehen. Bild: IFU Stuttgart

| von Götz Fuchslocher

Zahnräder neu zu denken, ist ein Anliegen der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik - kurz WGP. Im Rahmen der Initiative Massiver Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) zeigen die Wissenschaftler der WGP auf, dass Zahnräder bis zu 60 Prozent leichter gebaut werden können und sich die Produktionszeit einzelner Teile um ein Drittel reduzieren lässt.

Diese anwendungsübergreifenden Forschungsergebnisse konnten wir erzielen, weil wir innerhalb der WGP breit aufgestellt sind und interdisziplinär arbeiten können“, sagt Mathias Liewald, Leiter des IFU Stuttgart und einer der Projektleiter. Für dieses Projekt hätten unter anderem Umformtechniker, Verfahrensentwickler und IT-Experten an einem Strang gezogen, so der Experte.

Gewichtsreduktion um 60 Prozent

Die Wissenschaftler haben demnach nicht nur sogenannte „gebaute Zahnräder“ entwickelt, sondern zugleich entsprechende Prozessketten für deren Produktion geschaffen. Die Zahnräder wurden konstruktiv in zwei beziehungsweise drei Einzelteile aufgebrochen: den Zahnkranz, den Zahnradkörper und die Welle-Nabe-Anbindung, erläutert Liewald. „Mithilfe weiterentwickelter Produktionsverfahren haben wir dann sogenannte gebaute Zahnräder produziert, bei denen lokal unterschiedliche Anforderungen an die Festigkeit berücksichtigt wurden. Das wiederum hat uns ermöglicht, das Gewicht der Zahnräder drastisch zu reduzieren.

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“, berichtet Liewald.

Die Gewichtsreduktion um 60 Prozent bei gleichbleibender Funktionalität wird dem WGP zufolge durch die Kombination unterschiedlicher Materialien im Vergleich zum üblicherweise monolithisch aufgebauten „Vollkörper“-Zahnrad möglich. In einem ersten Verfahren fügten die Forscher kreisrunde, zu Paketen gestapelte Scheiben aus Blech in den auf 200 Grad Celsius erwärmten Zahnkranz ein. Neu sei dabei zwar nicht der thermische Fügeprozess, wohl aber die Verwendung paketierter Blechzahnradkörper.

Bei Variante zwei wurde ein Stahl- beziehunsgweise ein Aluminiumkörper ohne Erwärmung in den Zahnkranz hineingepresst. Es benötige zwar mehr Kraft als das konventionelle Schmieden eines einteiligen Zahnrads und die Umformwerkzeuge verschleißen erwartungsgemäß schneller, gegenüber dem Paketieren werde jedoch die Energie für die Erhitzung auf 200 Grad eingespart. So sei das Kaltfließpressen – in diesem Fall das Querfließpressen – trotzdem deutlich energieeffizienter als bisherige Verfahren, hört man vom WGP.

Fertigungszeit für Kolbenbolzen 30 Prozent kürzer

Die neuen Herstellungsverfahren wurden mittels Simulationen entwickelt, welche die lokal unterschiedlichen Anforderungen an die Festigkeit des Bauteils berücksichtigt hätten. In der virtuellen Welt habe sich gezeigt, dass einzelne Fertigungsschritte der bisherigen Prozessketten für die Produktion des Kolbenbolzens überflüssig seien, heißt es dazu. Dem WGP zufolge konnte dadurch die Produktionszeit für den Kolbenbolzen um mehr als 30 Prozent reduziert werden. Zu guter Letzt hätten die Forscher mittels Computer noch die maximale Gewichtsreduzierung berechnet. Bezogen auf den Kolbenbolzen waren das vier Prozent.

Die optimierten Kolbenbolzen können laut WGP in jedem Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen, aber auch in ganz anderen Anwendungen, wie etwa in kurzen Wellen in E-Motoren oder Achselementen in Fahrwerken. Wie Experte Liewald betont, sind nicht nur die Bauteile anwendungsoffen: „Das weiterentwickelte Herstellungsverfahren mittels Abstreckgleitziehen eignet sich nicht nur für die Kolbenbolzen- Produktion, sondern zur Herstellung von gewichtsreduzierten hohlen Bauteilen, wie Gehäusen oder Gewindehülsen insgesamt."

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