Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Programmsystem zur fertigungsgerechten, automatisierten und FE-basierten Optimierung der Zahnfußtragfähigkeit von Stirnrädern entwickelt und validiert. Das Programmsystem ermöglicht die abgesicherte Steigerung der Zahnfußtragfähigkeit aller Stirnradgeometrien und leistet somit einen praxisrelevanten Beitrag zur kontinuierlichen Steigerung der Leistungsdichte in der Antriebstechnik.
Mit Hilfe der im Programmsystem implementierten Methodik zur Zahnfußoptimierung können erstmals Zahnfußgeometrien gefunden werden, die den bisher verfolgten Weg der zweidimensionalen Optimierung der Zahnlücke verlassen. Dies beinhaltet insbesondere die erstmalige freie Optimierung des Kopfes eines Werkzeugbezugsprofils und die dreidimensionale Lückenoptimierung, die weitere Tragfähigkeitspotenziale bietet. Darüber hinaus wird die Zahnradfertigung bereits bei der Optimierung durch die Verwendung fertigungsgerechter Parametrierungsmethoden, die profilierende, wälzende und freiformende Prozesse umfassen, erstmals als Randbedingung berücksichtigt.
Die Grundlage für die Entwicklung des Optimierungssystems stellte die Qualifizierung der Beanspruchungsberechnung der FE-STIRNRADKETTE, sowie die erfolgreiche Überprüfung der Überführbarkeit des Festigkeitsnachweises aus der FKM-Richtlinie mit lokalen Spannungen auf die Beanspruchungen des Zahnrads durch Laufversuche dar. Bei der Konzipierung und Implementierung des Zahnfußoptimierungssystems rhoOpt wurde der Fokus auf eine praxisnahe, effiziente und fertigungsgerechte Umsetzung gelegt. Zur Abbildung des Zahnkontakts und des Zahnradumfelds wird die am WZL entwickelte FE-basierte Zahnkontaktanalyse FE-STIRNRADKETTE verwendet. Je nach zugrunde liegendem Fertigungsverfahren wird die Zahnlücke oder das Werkzeugbezugsprofil durch einen kubischen B-Spline erzeugt. Zur Validierung des Optimierungssystems wurde eine praxisnahe Schrägverzahnung ausgelegt, rechnerisch optimiert, gefertigt und auf einer neuartigen Schrägverzahnungsaufnahme für Pulsatoruntersuchungen auf ihre Dauerfestigkeit geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass mit Hilfe der Methode signifikante Tragfähigkeitspotenziale gehoben werden können.
Weiterhin wird eine neuartige Auslegungsmethodik auf der Grundlage der Antizipation einer Zahnfußoptimierung bei der Wahl der Makrogeometrieparameter einer Verzahnung vorgestellt, die noch einmal deutliche Verbesserungen des gesamten Einsatzspektrums bezüglich Leistungsdichte und Geräuschanregung liefern kann.