ISO 6336 – Ein Normenwerk zum standardisierten Tragfähigkeitsnachweis von Zahnrädern

Bildquelle: FZG, TU München

Schadensarten an Stahlzahnrädern, deren Tragfähigkeitsberechnung in ISO 6336 genormt ist

Zahnräder sind zentrale Maschinenelemente zur Übertragung von Leistung und Bewegung und finden Anwendung in industriellen Getrieben, Fahrzeug- und Nutzfahrzeugantrieben, Robotik- und Automatisierungssystemen sowie in Maschinen und Anlagen des Energiesektors, etwa in Windenergieanlagen und elektrischen Antriebssträngen. Im Betrieb sind sie hohen Belastungen ausgesetzt und müssen dauerhaft zuverlässig funktionieren. Zur Auslegung und Tragfähigkeitsbewertung von Stahlzahnrädern steht mit der ISO 6336 eine international anerkannte Normenreihe zur Verfügung. Der Artikel gibt einen Überblick über deren Entwicklungsgeschichte und aktuelle Inhalte.
 

Ursprünge und Umfang der ISO 6336 zur Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern

Zahnradgetrieben unterschiedlichster Anwendungen ist gemeinsam, dass die eingesetzten Zahnräder nicht vorzeitig infolge von Schäden ausfallen dürfen. Diese Anforderung muss auch bei stetig steigenden Leistungsdichten zuverlässig erfüllt werden. Der Tragfähigkeitsnachweis zur Vermeidung von Schäden an Stahlzahnrädern erfolgt typischerweise auf Grundlage der Norm ISO 6336. Die darin enthaltenen Berechnungsmethoden werden im Rahmen einer kontinuierlichen Zusammenarbeit internationaler Expertinnen und Experten fortlaufend weiterentwickelt. Dies ermöglicht Ingenieurinnen und Ingenieuren weltweit eine zunehmend präzise und zugleich ressourcenschonendere Auslegung von Zahnrädern.

Die Abbildung zeigt die sechs Schadensarten Grübchen, Zahnfußbruch, Zahnflankenbruch, Fressen, Grauflecken und Verschleiß an Stahlzahnrädern anhand von Einzelfotografien mit Angabe ihres jeweiligen Teils in ISO 6336.

Bildquelle: FZG, TU München

Abb. 1: Schadensarten an Stahlzahnrädern und deren zugehöriger Teil in ISO 6336 zur Tragfähigkeitsberechnung mit zusätzlichen, erforderlichen Teilen zur Durchführung der Tragfähigkeitsberechnung

Aus Bestrebungen zur Vereinheitlichung einer Zahnradtragfähigkeitsberechnung entstanden vor über 60 Jahren erste nationale Normen. Die bekanntesten Vertreter sind hierbei die DIN 3990 (Deutschland) und die AGMA 218.01 (heute ANSI/AGMA 2001, USA). Die Ursprünge der heute etablierten ISO 6336, mit erster Ausgabe in 1996, sind dabei vorrangig auf die DIN 3990 von 1987 zurückzuführen. Als erste Hauptschadensarten wurden dort die klassischen Ermüdungsschäden Grübchen und Zahnfußbruch definiert, welche auf einer Spannungsberechnung auf Basis der Hertz’schen Pressung für Grübchen und einer Biegenennspannung für Zahnfußbruch beruhen.

Auf dieser Basis konnten die Schadensarten Grübchen und Zahnfußbruch durch Einsatz optimierter Schmierstoffe, Werkstoffe und Wärmebehandlungsprozesse zuverlässig vermieden werden. Die gleichzeitige Steigerung der Leistungsdichte führte jedoch dazu, dass die Grenzen anderer Schadensarten, wie beispielsweise Grauflecken und Zahnflankenbruch, erreicht werden können. Neben der Weiterentwicklung der Berechnungsmethoden zu Grübchen und Zahnfußbruch wurden demzufolge Berechnungsmethoden zu weiteren Schadensarten definiert und in die ISO 6336 aufgenommen. Abb. 1 zeigt den heutigen Umfang der ISO 6336 zu den Berechnungsmethoden.

Stetige Weiterentwicklung und Erarbeitung weiterer Berechnungsmethoden

Gegenüber den Berechnungsmethoden zur Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit gestalten sich die Berechnungen zur Grauflecken- und Zahnflankenbruchtragfähigkeit komplexer, da zur Ermittlung eines aussagekräftigen Ergebnisses in der Tragfähigkeitsberechnung weitergehende Modellannahmen erforderlich sind. Damit einhergehend ist auch eine erhöhte Anzahl notwendiger Eingangsgrößen.
Zur Graufleckentragfähigkeit werden beispielsweise detaillierte Angaben zum eingesetzten Schmierstoff benötigt. Für die Bewertung der Zahnflankenbruchtragfähigkeit wird eine lokale Betrachtung der Anstrengung in der Werkstofftiefe vorgenommen, wobei auch Informationen zu zusätzlichen werkstofflichen Eigenschaften, wie beispielsweise Eigenspannungen, erforderlich sind.
Bei den Normen zur Grauflecken- und Zahnflankenbruchtragfähigkeit handelt es sich derzeit um Technical Specifications (TS; Deutsch: technische Spezifikation), also technisch verbindliche, zur Anwendung vorgesehene Dokumente mit vorläufigem, vor-normativem Charakter, die als Zwischenschritt zur Internationalen Norm dienen.
Eine weitere TS in ISO 6336 bildet die Berechnung der Fresstragfähigkeit. Hierbei liegen nun zwei unterschiedliche Methoden vor, die bereits in der DIN 3990 definiert wurden. Vor der Überführung in die ISO/TS waren die Berechnungsmethoden zu den Schadensarten Fressen und Grauflecken in sogenannten Technical Reports (TR; Deutsch: technischer Bericht) beschrieben.
Damit sind aktuell fünf der sechs Hauptschadensarten von Stahlzahnrädern mit Berechnungsmethoden innerhalb der ISO 6336 erfasst. Nur für die Schadensart Verschleiß liegt bislang noch keine Berechnungsmethode innerhalb der ISO 6336 Reihe vor.

Dargestellt ist ein Zeitstrahl beginnend im Jahr 1985 und endend im Jahr 2026. Am Zeitstrahl sind die wichtigsten Ereignisse der ISO 6336 gekennzeichnet mit erster Auflage in 1996, zweiter Auflage in 2006 und aktuellster Auflage in 2019. In der aktuellen Weiterentwicklung werden Transformationen von technischen Spezifikationen zu den Schadensarten Zahnflankenbruch, Fressen und Grauflecken in vollwertige Normen erwartet.

Bildquelle: FZG, TU München

Abb. 2: Zeitliche Entwicklung der Inhalte der Normenreihe ISO 6336 auf Basis von DIN 3990

Neben den Formelwerken zu den Tragfähigkeitsberechnungen finden sich in der ISO 6336 auch Aspekte zur Betriebsfestigkeitsrechnung sowie Berechnungsbeispiele zur Verwendung der Verfahren. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Ergänzung der ISO 6336 hat dazu geführt, dass die Normenreihe derzeit aus fünf vollwertigen Normen, vier Technical Specifications und zwei Technical Reports besteht. Die zentralen Bestandteile, darunter die Berechnungen zur Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit, liegen bereits in der dritten Auflage vor. Die ISO/TS zu Zahnflankenbruch, Grauflecken und Fressen müssen in Kürze entsprechend den Regularien der ISO entweder in eine vollwertige Norm umgewandelt oder zurückgezogen werden. Es wird angenommen, dass die internationalen Expertinnen und Experten die Umwandlung in vollwertige Normen unterstützen. Abb. 2 greift die zeitliche Entwicklung der Normenreihe ISO 6336 auf.

Entdecke auch unsere Seminare in den Bereichen „Antriebs- und Schwingungstechnik“

Mehr erfahren

Über die Autoren:

Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl ist Leiter der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) sowie Ordinarius am Lehrstuhl für Maschinenelemente der Technischen Universität München. Seit 2016 ist er Convenor der ISO/TC 60/SC 2/WG 6, welche die Teile zur Stirnradtragfähigkeitsberechnung in ISO 6336 betreut.

Dr.-Ing. Thomas Tobie ist Abteilungsleiter an der FZG für den Bereich „Tragfähigkeit Stirnräder“. Zusätzlich ist er in diversen Normungsgremien mit Bezug zur Tragfähigkeit von Stirnrädern vertreten.

Markus Brummer, M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der FZG in der Abteilung „Tragfähigkeit Stirnräder“. Zu seinen Forschungsaktivitäten gehören insbesondere tribologisch bedingte Zahnradschäden.

Unsere Weiterbildungstipps:

Zurück zum Anfang der Seite springen