'Lichtere tandwielen sneller geproduceerd' • Metaal Magazine
Nieuws

‘Lichtere tandwielen sneller geproduceerd’

De tandwielkrans met gestapelde plaatstalen schijven vóór (links) en ná het verbindingsproces (rechts) (foto: IFU Stuttgart).

Tandwielen kunnen tot 60% lichter worden uitgevoerd. Ook kan de productietijd voor afzonderlijke losse onderdelen met een derde worden verminderd. Dat melden wetenschappers van het Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) in Frankfurt. Lichtere onderdelen kunnen het gewicht van voertuigen verminderen en dat is weer een van de mogelijkheden om mobiliteit te verduurzamen.

De WGP-wetenschappers ontwikkelden niet alleen ‘geconstrueerde tandwielen’, maar creëerden ook bijbehorende procesketens voor de productie ervan. De tandwielkasten kunnen worden toegepast in transmissies van auto’s, maar ook in lichtere versies, bijvoorbeeld voor scooters of e-bikes.

Meerdere materialen en onderdelen

De gewichtsvermindering van 60% met dezelfde functionaliteit wordt mogelijk door meerdere materialen te gebruiken, waar tandwielen normaal gesproken monolithisch zijn, dus uit één materiaal/één onderdeel bestaan.

De tandwielen zijn nu constructief gezien opgedeeld in 2 of 3 afzonderlijke delen: de tandkrans, het tandwiellichaam en de as-naafverbinding. De tandkrans moet bijzonder veerkrachtig en slijtvast zijn. Dat sterke materiaal was weer niet nodig voor de tandwiellichaam.

Staal en aluminium

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 plaatstalen schijven voor tandwiellichamen.

In variant twee werd een stalen of aluminium tandwiellichaam zonder verwarming in de tandkrans geperst. Ook dit proces is bijzonder bij de productie van tandwielen.

Het vereist wel meer kracht dan het conventioneel smeden van een tandwiel uit één stuk. Ook slijten de persgereedschappen sneller, maar vergeleken met de gestapelde pakketten wordt de energie voor verwarming tot 200°C bespaard.

Energiezuiniger

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

De nieuwe fabricageprocessen werden ontwikkeld met behulp van simulaties die rekening hielden met de lokaal verschillende eisen aan de sterkte van het onderdeel.

Drie varianten van gekoppelde tandwielen met aluminium tandwiellichamen:
Tandwiellichaam met een cilindrische binnencontour (links);
Tandwiellichaam met spiebanen (tegelijk geproduceerd tijdens het verbindingsproces) (midden); en
– Tandwiellichaam aan de testas (rechts).
Op de voorgrond een testas voor het testen van statische en dynamische sterktes (foto: WGP).

Twee stappen

Eerst simuleerden de wetenschappers de vervorming van een zuigerpen. In een tweede stap simuleerden ze de belasting van het onderdeel op de computer.

Virtueel werd ook aangetoond dat individuele productiestappen in de voorgaande procesketens voor de productie van de zuigerpen overbodig zijn. Hierdoor kon de productietijd voor de zuigerpen met meer dan 30% worden verkort.

Spiraalvormige binnencontour

Tenslotte berekenden de onderzoekers de maximale gewichtsreductie met behulp van een computer. Wat betreft de zuigerpen lag dat op 4%. Dit werd mogelijk door een spiraalvormige binnencontour (in plaats van een cilindrische binnencontour die gangbaar is), die werd geproduceerd door strijken en glijden.

Met behulp van het geavanceerde koude vervormingsproces is de sterkte van de zachtgegloeide grondstof voor de zuigerpen met 38% verhoogd.

De geoptimaliseerde zuigerpennen kunnen in elke verbrandingsmotor worden gebruikt, maar ook in totaal andere toepassingen, zoals in korte assen in elektromotoren of aselementen in chassis.

Lagere productiekosten

De belangrijkste beperking zit in de lengte van de buis. Een zuinigere productie moet resulteren in een kortere productietijd, wat uiteindelijk leidt tot lagere productiekosten.

Het nieuwe productieproces is niet alleen geschikt voor het maken van zuigerpennen, maar ook voor de fabricage van holle componenten met gereduceerd gewicht, zoals behuizingen of draadhulzen als geheel. Dit betekent dat op verschillende plaatsen in diverse voertuigen een aanzienlijk gewicht bij onderdelen kan worden bespaard.

Het onderzoek vond plaats in het kader van het initiatief Massiver Leichtbau van het  Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi).

Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik 

De WGP-onderzoekers zijn breed gepositioneerd en kunnen interdisciplinair werken. Voor dit project kwamen onder meer bewerkingstechnici, procesontwikkelaars en IT-experts bijeen.

De 5 WGP-instituten die betrokken zijn bij het onderzoekswerk zijn: Institut für Umformtechnik (IFU), Stuttgart; Institut für Spanende Fertigung (ISF), Dortmund; Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL), Dortmund; Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT), Bremen en Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (UTG), samen met de Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), die beide onderdeel uitmaken van de Technische Universität München.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven