Austempered Ductile Iron (ADI) is widely implemented to achieve lightweight and optimized components in power transmissions (e.g., internal gear in planetary stages), by substituting steel castings or a combination of Ductile Iron and steel-assembled structures. In this paper, the contact fatigue of two ADI grades (ADI J/S900-8; ADI J/S1200-3) is investigated by disk-on-disk tests. The disk-on-disk contact is an analogy model of the tooth contact and represents the tribological conditions at a specific point on the path of contact. The experimental results cover the endurance limit as well as the short time fatigue behavior for both ADI variants. In addition, the pitting characteristics and microstructural changes are analyzed in order to get a further understanding of the fatigue behavior of ADI.

As a result of the enhanced of load-carrying capacity with regard to pitting and tooth root breakage, generation of tooth flank fractures became more frequent. This type of damage differs from existing fatigue damages on the tooth flank in that crack initiation takes place below the case hardened surface layer and the tooth breaks in the area of the active tooth flank. An isolated investigation of tooth flank fractures is currently not possible because there is no analogy test rig available that can reproduce both, the compressive stress due to Hertzian contact flattening as well as the tensile stress due to tooth bending. For this reason, a test rig concept is being developed, manufactured and put into operation in the DFG research project “Analogy test rig for tooth flank fractures”, which allows the generation of tooth flank fractures in absence of other damage types. This report deals with the commissioning of the WZL-Double Pulsator as well as first test results. The FE model of the analogy test rig is validated by measuring tooth root strains with strain gauges and comparing them with the calculated strains. Finally, the commissioning is carried out and first tests are performed.

Zusammenfassung In der Getriebetechnik, insbesondere bei Hochdrehzahlanwendungen, nimmt die Nachfrage nach hoher Leistungsdichte kontinuierlich zu. Neben der Optimierung der Zahnform gibt es großes Potenzial in neuen Werkstoffen und speziell optimierten Wärmebehandlungen. In diesem Bericht wird die Wälzfestigkeit von drei Testvarianten unterschiedlichen Materials und unterschiedlicher Wärmebehandlung untersucht. Die höchste Lastwechselzahl wird durch eine carbonitrierte Variante des 14NiCrMo13-4 mit über 50 % Restaustenitgehalt erreicht. Neben der Auswertung des höchsten Tragfähigkeitspotenzials liegt der Fokus auf der detaillierten Analyse der Grübchenschäden und deren Vergleich mit lokalen Spannungskomponenten. Unabhängig von Material und Wärmebehandlung kann der Grübchenschaden in eine Ermüdungs- und eine Restbruchzone unterteilt werden. Beide Bereiche können anhand des Schadensbildes und der Ausbruchtiefe voneinander unterschieden werden. Die Tiefe der Restbruchzone korreliert mit der maximalen Vergleichsspannung nach von Mises. Im Gegensatz dazu kann die Tiefe der Ermüdungszone durch die zeitabhängige Änderung der Hauptnormal- und Hauptschubspannungen erklärt werden. Das Zentrum der Ermüdungszone ist in der gleichen Tiefe wie die Überlagerung der zeitlich unterschiedlichen maximalen Hauptnormal- und Hauptschubspannungen. Die Kombination der Schadensmerkmale mit der Auswertung der lokalen Hauptspannungen erweitert das physikalische Verständnis der Rissbildung und bildet die Basis für weitere Verbesserungen.