Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss langwelliger Verzahnungsfehler durch Fertigung und Montage auf das Anregungsverhalten von Stirnrädern im Hochdrehzahlbereich

Im beantragten Vorhaben ist die FE-basierte Zahnkontaktanalyse derart zu erweitern, dass die Berechnung, Analyse sowie Optimierung von Stirnradgetrieben ganzheitlich möglich wird. Somit wird eine Methode bereitgestellt, welche die Berücksichtigung veränderlicher Kontaktbedingungen über dem Zahnradumfang und somit den Einfluss langwelliger Verzahnungsfehler ermöglicht.

Die Ansätze der FE-basierten Zahnkontaktanalyse sind im Vorhaben so zu erweitern, dass die Zahneingriffe in einem FE-Modell über eine komplette Überrollung für individuelle Kontaktverhältnisse berücksichtigt werden können. Durch diese Erweiterung der FE-Modellierung sollen Einflüsse wie bspw. Teilungsfehler, Taumel sowie Rundlauffehler abgebildet werden können.

Bestehende Schnittstellen werden so erweitert, dass neben einer synthetischen auch eine messtechnische Vorgabe von Abweichungen möglich ist. Auf diese Weise wird die Berücksichtigung der Abweichungen über den Umfang in der Zahnkontaktanalyse ermöglicht. Es werden darüber hinaus in einer Virtuelle Produktion die prozessabhängige Fertigungsstreuungen berücksichtigt und wirtschaftliche sowie funktionale Toleranzfelder abgeleitet. Eine Validierung der erweiterten Methode erfolgt auf Basis von Prüfstandsuntersuchungen.

Nach Abschluss des Vorhabens existiert durch die Einbindung der Zahnkontaktanalyse in die FVA-Workbench eine Methode, die es erlaubt, das Einsatzverhalten unter Berücksichtigung realer Fertigungs- und Montagebedingungen zu analysieren sowie zu optimieren.

Insbesondere KMU profitieren von dieser Weiterentwicklung der FE-basierten Zahnkontaktanalyse, da sie ein leistungsfähiges Auslegungstool besitzen, dass ihnen eine ressourceneffiziente Auslegung von schnelllaufenden Getrieben in einem frühen Entwicklungsstadium erlaubt. Zusätzlich liefern die Untersuchungen auf dem Prüfstand neue Erkenntnisse zum dynamischen Einfluss auf das Einsatzverhalten von schnelllaufenden Getrieben.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel des Forschungsvorhabens lag darin, zunächst ein tiefergehendes Verständnis der Kontaktbedingungen infolge der langwelligen Abweichungen aufzubauen und anschließend die FE-STIRNRADKETTE um die Abbildbarkeit dieser Abweichungen zu erweitern, sodass eine Berechnung des Anregungsverhaltens ermöglicht wird.

Durch die Erweiterung der Zahnkontaktanalyse besteht nun die Möglichkeit einer virtuelle Einflanken-Wälzprüfung auf Basis der genormten Kenngrößen. Die für die erfolgreiche Validierung dieser Erweiterung notwendigen Prüfstandsuntersuchungen konnten den Einfluss von langwelligen Abweichungen auf das Anregungsverhalten belegen und zeigten in Abhängigkeit der Abweichung charakteristische Einflüsse auf die Anregung der Drehordnungen. Weiterhin sind in diesem Vorhaben Toleranzgrenzen basierend auf den ermittelten Zusammenhängen und der maximal zulässigen Drehfehlerschwankung und somit auf dem resultierenden Anregungsverhalten abgeleitet worden. Somit können nun anhand von Isolinien der Drehfehleramplituden in Abhängigkeit geometrischer Verzahnungsgrößen die zulässige Abweichungen ermittelt werden.

Mit den in diesem Vorhaben gewonnen Erkenntnissen konnte das Wissensdefizit hinsichtlich einer Methode zur Berücksichtigung und Abbildung veränderlicher Kontaktbedingungen über dem Zahnradumfang durch Fertigungs- und Montagefehler im Auslegungsprozess oder im nachgelagerten Fertigungsprozess geschlossen werden. KMU können die entwickelte und mit einer Vielzahl an Versuchsergebnissen abgesicherte Methode zusammen mit den im Vorhaben gewonnen Erkenntnissen hinsichtlich des Einflusses langwelliger Verzahnungsfehler auf das Einsatzverhalten direkt nutzen. Daraus können Prozesse und Werkzeuge, insbesondere für das Verzahnungsschleifen und die Getriebemontage, bedarfsgerecht gestaltet werden, sodass das Auslegungsziel nicht in der Verengung der Toleranzfelder liegt, sondern durch die abgeleiteten funktionalen Toleranzen erreicht wird.