Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4522
Main Title: Alternative production methods for drive pinion in heavy duty trucks
Translated Title: Alternative Fertigungsverfahren für das Antriebskegelrad für schwere Nutzfahrzeuge
Author(s): Mohammadzadeh Polami, Samareh
Advisor(s): Rethmeier , Michael
Jüttner, Sven
Referee(s): Rethmeier, Michael
Jüttner, Sven
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das Antriebkegelrad ist im Hinterachsgehäuse des Fahrzeuges angeordnet. Es ist Teil des Achsgetriebes. Durch gezielte Reduzierung des Bauteilgewichts werden Kraftstoffverbrauch und Emissionen verringert. Ein Ansatz hierfür ist, die Komponente als Hohlkörper auszubilden. Hierfür sind effiziente Produktionsprozesse erforderlich. Neben dem Hauptziel der Gewichtsreduktion wird die Erhöhung der Bauteilfestigkeit angestrebt, was die Werkstoffsubstitution für den Antriebsradkegelkopf sowie den Schaftbereich (Welle) zur Folge hat. In diese Arbeit werden zwei bekannte Technologien, das Reibschweißen und der Schleuderguss, als Ersatz des massiv geschmiedeten, homogenen (einteiligen) Antriebskegelrades betrachtet. Die Hohlwelle (Schaftbereich) und der Kegelkopf werden zunächst unabhängig voneinander als Einzelteile aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt und anschließend durch das Reibschweißen miteinander verbunden. Unterschiedliche Geometrievarianten werden ausgeführt und erprobt, wie bspw. das konventionelle Reibschweißen und das neue, sog. aufgleitenden Reibschweißen. Die Festigkeitsberechnung bzw. Simulation der unterschiedlichen Geometrien offenbaren die geeignete Länge und Position der Schweißzone für die aufgleitende Reibschweißvariante. Jedoch detektieren die metallografisch analysierten Mikrostrukturen und zerstörungsfreien Ultraschall-Untersuchungen der Schweißnaht inkohärente Anbindungsbereiche. Weitere Versuche führen zu geeigneten Reibschweißprozessparameter und belegen stabilere Schweißbereiche. Der Schleuderguss als das zweite betrachtete Fertigungsverfahren für das Antriebskegelrad ergibt eine Hohlwelle, an der die Kegelverzahnung unter Verwendung eines Gusssandkerns vorgeformt ist. Dieses Konzept soll durch bi-metallisches Gießen des Antriebskegelkopfs und der Hohlwelle erprobt werden (Verbundguss). Die Ergebnisse zeigen, dass unter Verwendung eines geeigneten Sandkerns das Vorgießen der Spiralverzahnungsgeometrie des Antriebskegelrades prinzipiell möglich ist. Allerdings führt die mangelhafte Ausrüstung der für Gießversuche zur Verfügung stehenden Anlagentechnik zu einer schlechten Verbindungsqualität des Verbundgusses. Es ist davon auszugehen, dass nach dem Gießen des zweiten Werkstoffs an der Grenzschicht zum ersten Oxide gebildet werden. Am Ende dieser Arbeit wird die Dauerfestigkeit der Fügezonen für die alternativ gefertigten Bauteile untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Werkstoff mit der höheren Festigkeit die Dauerfestigkeit der konventionellen Reibungsschweißverbindungen im Vergleich zu allen anderen untersuchten Varianten geringfügig verbessert. Trotz des Gewichtsvorteils für die Komponente, die durch das neue aufgleitende Reibschweißen gefügt ist, zeigt das Antriebskegelrad eine geringere Dauerfestigkeit im Vergleich zu den anderen untersuchten Varianten. Allerdings gibt es die Fragestellung nach der optimalen Lage der Schweißzone. In den Schweißzonenpositionen der aufgleitenden Reibschweißvarianten wird eine geringere beaufschlagte Vergleichsspannung ertragen als in der Position für das konventionelle Stumpfreibschweißen. Die Charakterisierung des Versagens der Verbindung erklärt den außergewöhnlichen Verlauf der Wöhlerlinien für die aufgleitenden Reibschweißvarianten, die nach ihrer Optimierung erheblich verbessert sind.
The drive pinion is located in the rear axle housing of the vehicle. It is part of the axle transmission and by reducing their weight, fuel consumption and emissions decrease. In general, one obvious approach for light-weight design is to create the component as a hollow part, for which efficient production processes are required. Besides satisfying the aim of weight reduction, increasing the load capacity leads to substituting new materials for the bevel and the shaft. Two well-known technologies, friction welding and centrifugal casting are considered for the replacement of the solid-forged homogenous drive pinion. The hollow shafts and the bevel pinions are produced individually (from dissimilar materials) and then joined together by a friction welding technology. A variety of geometries, such as a conventional butt and a new joint-site structure design for friction welding of the drive pinion are tried out. A strength simulation of the various geometries reveals the suitable weld zone length and location for the joint-site structure variant. However, the microstructures and ultrasonic non-destructive investigation of the joints detect incoherent fusion areas for that. Further attempts distinguish the suitable friction welding parameters, visualizing more stable weld zones. Centrifugal casting as the second production technology for the drive pinion gives rise to cast a hollow shaft, in which the bevel gears are pre-formed in a sand core. This concept is supposed to be applicable by bi-metallic casting the bevel and the hollow shaft. The results show that utilizing an appropriate sand core assures pre-casting the spiral gear tooth. However, a lack of practical available equipment leads to a poor joint quality in bi-metallic casting. Probably some oxides are created after casting the second material. This work is ended by addressing the fatigue strength of the different joints for the alternative produced drive pinions. Results show that the higher strength material slightly improves the fatigue strength of the conventional friction welded joints compared to all other variants. Despite the interest in a light weight of the component joined structurally at the site, the joint reveals a lower endurance limit compared to the other variants. However, there is a little discussion on the weld zone position. The weld zone position of the joint-site structure is less endured by the applied equivalent stresses than the position for the conventional friction welding. Characterization of the failure explains the extraordinary behaviors on the S-N curves for the joint-site structure variants, which is remarkably improved after its optimization.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-67994
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4819
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4522
Exam Date: 2-Mar-2015
Issue Date: 24-Aug-2015
Date Available: 24-Aug-2015
DDC Class: 670 Industrielle Fertigung
Subject(s): Antriebskegelrad
Gewichtsreduktion
Reibschweißen
Schleuderguß
Verbundwerkstoff Gießen
Ermüdungsprüfung
Drive pinion
component weight reduction
friction welding
centrifugal casting
bi-metallic casting
fatigue test
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Mohammadzadeh Polami_Samareh.pdf30.54 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.