Tandwielen lichter door nieuwe productieprocessen

Links de tandkrans en de gestapelde platen vóór het samenvoegproces, rechts het tandwiel na het samenvoegproces. (foto’s: IFU, Stuttgart)

Milieuvriendelijker mobiliteit kan onder meer worden gerealiseerd door voertuigen lichter te maken. Wetenschappers van de Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) in Frankfurt am Main hebben aangetoond dat tandwielen tot zestig procent lichter kunnen worden uitgevoerd.

De ontwikkeling vond plaats in het kader van het initiatief Massiver Leichtbau van het  Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Ook de productietijd voor onderdelen kan met een derde worden verminderd. De onderzoekers konden de toepassing overstijgende onderzoeksresultaten realiseren door de brede oriëntatie en het interdisciplinair kunnen werken binnen de WGP. Voor dit project kwamen onder meer bewerkingstechnici, procesontwikkelaars en IT-experts bijeen.

Nieuwe opbouw tandwielen

De WGP-wetenschappers ontwikkelden niet alleen ‘opgebouwde tandwielen’, maar creëerden ook bijbehorende procesketens voor de productie ervan. De tandwielen werden opgedeeld in twee of drie afzonderlijke delen: de tandkrans, het tandwiellichaam en de as-naafverbinding. Met behulp van doorontwikkelde productieprocessen hebben de onderzoekers vervolgens opgebouwde tandwielen gemaakt, waarbij plaatselijk verschillende sterkte-eisen zijn meegenomen. Dat stelde hun in staat om het gewicht van de tandwielen drastisch te verminderen.

In totaal waren vijf WGP-instituten betrokken bij het onderzoekswerk:

De innovatieve tandwielen kunnen niet alleen in de automobielbouw worden gebruikt, maar ook in lichtere transmissies zoals in scooters of e-bikes.

De gewichtsvermindering van zestig procent met dezelfde functionaliteit werd mogelijk gemaakt door in de ‘opgebouwde’ tandwielen verschillende materialen te combineren, vergeleken met de uitvoering uit vol materiaal. Normaal gesproken worden tandwielen uit één materiaal als een enkel werkstuk gemaakt. De onderzoekers hebben een manier gevonden om het tandwiel op te splitsen in twee of drie afzonderlijke delen:

  • het tandwiellichaam dat het koppel absorbeert of overbrengt
  • de verbinding van het wiel met de as
  • de tandkrans die wegens de hoge koppels en contactdrukken die erop inwerken, bijzonder veerkrachtig en slijtvast moet zijn.

De onderzoekers kozen daarom voor een zeer sterk materiaal voor de tandkrans, maar dat was weer niet nodig voor het tandwiellichaam.

Drie onderdelen van samengestelde tandwielen met tandwiellichamen van aluminium. Links een tandwiel met cilindrische binnencontour. In het midden een tandwiellichaam met spiebanen (gelijktijdig geproduceerd tijdens het verbindingsproces). Rechts een tandwiel dat direct is verbonden met de testas. Op de voorgrond een testas voor statische en dynamische sterktetests.

Nieuwe productieprocessen

In een eerste proces plaatsten de wetenschappers ronde platen staal, gestapeld in pakketten, in de tandkrans, die werd verwarmd tot 200°C. Dit thermische verbindingsproces is niet nieuw, maar wel het gebruik van gestapelde lichamen tandwiellichamen uit plaat. In variant twee werd een stalen of aluminium tandwiellichaam zonder verwarming in de tandkrans geperst. Dit proces is ook een innovatie voor de productie van tandwielen. Het vereist wel meer kracht dan het conventioneel smeden van een tandwiel uit één stuk en de persgereedschappen verslijten sneller, zoals verwacht. In vergelijking met de gestapelde pakketten wordt echter de energie voor verwarming tot 200°C bespaard.

Koude extrusie – in dit geval transversale extrusie – is echter aanzienlijk zuiniger met energie dan voorgaande processen. Er waren al eerder benaderingen voor aldus opgebouwde tandwielkasten, maar het proces is nu zuiniger omdat de onderzoekers verschillende bewerkingsstappen hebben samengevoegd tot één stap.

Tags:,

Commentaar gesloten.