Milieuvriendelijker mobiliteit heeft niet in de laatste plaats te maken met minder brandstof- of elektriciteitsverbruik. Dat is weer afhankelijk van het gewicht van de voertuigen, scooters of e-bikes. Wetenschappers van de Wissenschaftliche Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) in Frankfurt am Main hebben bijvoorbeeld aangetoond dat tandwielen tot zestig procent lichter kunnen worden uitgevoerd.
Het onderzoek gebeurde in het kader van het initiatief Massiver Leichtbau van het Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Ook de productietijd voor losse onderdelen kan met een derde worden verminderd.
De onderzoekers waren in staat om deze toepassing overstijgende onderzoeksresultaten te bereiken omdat ze binnen de WGP breed zijn gepositioneerd en interdisciplinair kunnen werken. Voor dit project kwamen onder meer bewerkingstechnici, procesontwikkelaars en IT-experts bijeen.
Het tandwiel opnieuw uitgevonden
De WGP-wetenschappers ontwikkelden niet alleen zogenaamde ‘gemaakte tandwielen’, maar creëerden ook bijbehorende procesketens voor de productie ervan. De tandwielen werden constructief gezien opgedeeld in twee of drie afzonderlijke delen: de tandkrans, het tandwiellichaam en de as-naafverbinding.
Met behulp van doorontwikkelde productieprocessen hebben de onderzoekers vervolgens zogenaamde 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:
- 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
- Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (UTG), samen met de Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), , beide onderdeel van de Technische Universität München.
De innovatieve tandwielkasten kunnen niet alleen in de automobielbouw worden gebruikt, maar ook in lichtere transmissies zoals scooters of e-bikes.
Gewichtsbesparing van 60%
De gewichtsvermindering van 60% met dezelfde functionaliteit wordt mogelijk gemaakt door de combinatie van verschillende materialen in de ‘opgebouwde’ tandwielen, vergeleken met de uitvoering uit vol materiaal. Normaal gesproken zijn tandwielen monolithisch: gemaakt van één materiaal als een enkel werkstuk. 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.
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.
Ook dit proces is 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.
Lichtere en goedkopere zuigerpennen
De nieuwe fabricageprocessen werden ontwikkeld met behulp van simulaties die rekening hielden met de lokaal verschillende eisen aan de sterkte van het onderdeel. Eerst simuleerden de wetenschappers de vervorming van een zuigerpen.
In een tweede stap simuleerden ze de belasting van het onderdeel op de computer. De virtuele wereld toonde ook aan 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 dertig procent worden verkort.
Tenslotte berekenden de onderzoekers de maximale gewichtsreductie met behulp van een computer. Wat betreft de zuigerpen was dat vier procent. Als u bedenkt dat zuigerpennen honderd jaar lang keer op keer zijn geoptimaliseerd, is dat relatief gezien een mooi resultaat. De nieuwe gewichtsvermindering werd mogelijk gemaakt door een spiraalvormige in plaats van de voorheen cilindrische binnencontour, die werd geproduceerd door strijken en glijden.
Koude vervorming
Met behulp van het geavanceerde koude vervormingsproces werd 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 verschillende toepassingen, zoals in korte assen in elektromotoren of aselementen in chassis.
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.
Maar niet alleen de onderdelen overstijgen de toepassing. Het geavanceerde 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 een grote verscheidenheid aan voertuigen aanzienlijk gewicht kan worden bespaard.