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Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by De Gruyter April 23, 2021

Numerical Study to Understand the Distortion Behavior of a Weight-Reduced Counter Gear*

Numerische Studie zum Verständnis des Verzugsverhaltens eines gewichtsreduzierten Vorgelegerads
J. Kagathara and T. Lübben

Abstract

Objectives in the field of lightweight construction can be achieved by changing the component design, among other things. However, a design suitable for production would have to be taken into account, since serious distortion problems can occur after the final heat treatment due to reduced stiffness or asymmetries in the mass distribution. To illustrate this problem area, case hardening experiments using the example of a weight-reduced counter gear made of 20MnCr5 were carried out and have shown significantly different distortion behavior depending on the geometry and process parameters. However, it is difficult or even impossible to understand such a distortion behavior only through experiments, since many different variables can be responsible for dimensional and shape changes. In this context, a simulation tool can be very helpful to identify important variables that cause dimensional and shape changes and to understand the associated processes. This paper attempts to answer some open questions that arise from experiments on distortion behavior through simulations. ◼

Kurzfassung

Bestimmte Ziele im Bereich des Leichtbaus können u.a. durch eine Änderung der Bauteilgestaltung erreicht werden. Dabei ist jedoch eine fertigungsgerechte Auslegung zu berücksichtigen, da nach der abschließenden Wärmebehandlung gravierende Verzugsprobleme durch eine reduzierte Steifigkeit oder Asymmetrien in der Massenverteilung auftreten können. Zur Aufzeigung dieses Problemfeldes wurden Einsatzhärtungsversuche am Beispiel eines gewichtsreduzierten Vorgelegerads aus 20MnCr5 durchgeführt, die je nach Geometrie und Prozessparameter ein deutlich unterschiedliches Verzugsverhalten gezeigt haben. Es ist jedoch schwierig bis nahezu unmöglich, ein solches Verzugsverhalten nur durch Experimente zu verstehen, da viele verschiedene Variablen für Maß- und Formänderungen verantwortlich sein können. In diesem Zusammenhang kann ein Simulationswerkzeug sehr hilfreich sein, um wichtige Variablen zu identifizieren, die Maß- und Formänderungen verursachen und um die damit verbundenen Prozesse zu verstehen. In diesem Beitrag wird versucht, einige offene Fragen, die sich aus Experimenten zum Verzugsverhalten ergeben, durch Simulationen zu beantworten. ◼


* Lecture held at the HeatTreatingCongress, HK 2020, 21.-22. October 2020, online


Acknowledgments

This work has been funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) via the German Federation of Industrial Research Associations (AiF). The authors wish to acknowledge the BMWi and the AiF for their financial support of the project “Size and shape changes of lightweight construction gears II” (AiF 19875). Furthermore, the authors would like to thank the industrial partners for the provision of material and machining of the original gears. Last but not least many thanks to the members of the project-accompanying working group for their valuable support of this project.

Danksagung

Diese Arbeit wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert. Die Autoren bedanken sich beim BMWi und der AiF für die finanzielle Unterstützung des Projektes „Maß- und Formänderungen von Leichtbauzahnrädern II“ (AiF 19875). Darüber hinaus danken die Autoren den Industriepartnern für die Bereitstellung des Materials und die Bearbeitung der Originalzahnräder. Nicht zuletzt gilt der Dank den Mitgliedern des Projektbegleitenden Arbeitskreises für die wertvolle Unterstützung dieses Projektes.

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The following discussion ensued/Folgende Diskussion ergab sich im Anschluss

Keßler: When you introduced the tilt angles, you always took a 2D view for simplification. How uniform are these tilt angles in the experiment when I look at it around the entire circumference?

Kagathara: On some slides, you can see the comparison between experiment and simulation (editor‘s note: see Figure 16). We can see that there are bigger differences, which can be attributed to the heat transfer coefficient. For G1 and G4, the heat transfer coefficient was measured during the experiment and changes in the geometry can also be seen.

Keßler: In your diagram (editor‘s note: see Figure 16), scatter ranges are given at least for some quantities, for example for „gear-rim-angle-experiment-radial“. I suspect that these scatter ranges come from measurements at different circumferential angles.

Kagathara: Not in this case. We did the experiments with five components each. The scattering ranges result from these five components.

Keßler: At how many points in the circumferential direction of a wheel was the angle determined?

Supplement to this answer by Mr Lübben:

In circumferential direction the respective radii or z-values were measured at about 250 circumferential angles. From these, local mean values were calculated in each case. These values were then used to determine the tilt angle for each component as shown. However, Prof. Keßler is right: it would have been possible to determine the tilt angle for each of the approx. 250 circumferential angles and would then also have obtained a local dependence of the tilt angle. Since our simulation cannot take this dependence into account with either the 2D or the 3D model, we did not do this.

Heuer: What is the influence of the charging on the distortion? Lübben: We always used five geometry of each variant in one batch. We always documented exactly at which position which part was in which orientation and in this system, there was of course scatter, which was also supported by the error bars that Mr Kagathara showed. But there was no preferential position.

Keßler: Als Sie die Kippwinkel eingeführt haben, haben Sie vereinfachend immer eine 2D-Betrachtung vorgenommen. Wie gleichmäßig sind diese Kippwinkel im Experiment, wenn ich das um den gesamten Umfang betrachte?

Kagathara: Auf einigen Folien kann man den Vergleich zwischen Experiment und Simulation erkennen (Anm. d. Red.: siehe Bild 16). Wir können sehen, dass es doch größere Unterschiede gibt, was auf den Wärmeübergangskoeffizienten zurückführen ist. Für G1 und G4 wurde während des Experiments der Wärmeübergangskoeffizient gemessen und es sind auch Änderungen in der Geometrie zu erkennen.

Keßler: In Ihrem Diagramm (Anm. d. Red.: siehe Bild 16) werden zumindest für einige Größen, zum Beispiel für „Zahnkranz-Winkel-Experiment-Radial“, Streubereiche angegeben. Ich vermute, dass diese Streubereiche aus Messungen an verschiedenen Umfangswinkeln kommen.

Kagathara: In diesem Fall nicht. Wir haben die Experimente jeweils mit fünf Bauteilen durchgeführt. Aus diesen fünf Bauteilen ergeben sich die Streubereiche.

Keßler: An wie vielen Stellen in Umfangsrichtung eines Rades wurde der Winkel bestimmt?

Nachtrag zu dieser Antwort durch Herrn Lübben:

In Umfangsrichtung wurden die jeweiligen Radien bzw. z-Werte etwa an 250 Umfangswinkeln gemessen. Daraus wurden jeweils lokale Mittelwerte berechnet. Diese Werte dienten dann wie gezeigt der Kippwinkelbestimmung für jedes Bauteil. Prof. Keßler hat aber recht: Man hätte die Kippwinkelbestimmung auch für jeden der ca. 250 Umfangswinkel machen können und hätte dann zusätzlich eine Ortsabhängigkeit des Kippwinkels bekommen. Da unsere Simulation weder mit dem 2D- noch mit dem 3D-Modell diese Abhängigkeit berücksichtigen kann, wurde darauf verzichtet. Heuer: Wie sieht der Einfluss der Chargierung auf den Verzug aus? Lübben: Wir haben immer fünf Teile für eine Geometrievariante in einer Charge verwendet. Wir haben jeweils genau dokumentiert, an welcher Position welches Teil in welcher Orientierung lag und in dieser Anlage gab es selbstverständlich Streuung, was auch die Fehlerbalken untermauert haben, die Herr Kagathara gezeigt hat. Es gab aber keine Vorzugsposition.

Diskussionsteilnehmer:

Prof. Dr.-Ing. habil. Olaf Keßler, Universität Rostock,

Dr.-Ing. Volker Heuer, ALD Vacuum Technologies, Hanau

Published Online: 2021-04-23
Published in Print: 2021-04-30

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