Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Validierte Simulation der Ölströmung und der lastunabhängigen Verzahnungsverluste in Getrieben

Die effiziente und ressourcenschonende Auslegung von Getrieben gewinnt immer mehr an Bedeutung. Lastunabhängige Verzahnungsverluste nehmen einen Großteil der Gesamtleerlaufverluste ein und sind maßgeblich für das Wirkungsgradverhalten. Empirische Berechnungsansätze haben einen sehr eingeschränkten Anwendungsbereich und sind häufig ungenau. Die rechnergestützte Strömungssimulation (CFD) stellt eine gute Alternative zur Berechnung dieser Verluste dar. Zudem lässt sich die Ölströmung simulieren, die die lastunabhängigen Verluste direkt beeinflusst und messtechnisch nur aufwendig zu erfassen ist.

Zielsetzung ist daher, die Getriebeölströmung und die lastunabhängigen Verzahnungsverluste bei verschiedenen Betriebsbedingungen anhand der CFD-Simulation zu untersuchen und am FZG-Leerlaufverlustleistungsprüfstand zu validieren. Dazu werden die lastunabhängigen Verzahnungsverluste gemessen und ein optisch zugängliches Gehäuse konstruiert, mit dessen Hilfe die Ölverteilung anhand von High-Speed-Aufnahmen aufgezeichnet werden kann. Mit dem validierten Simulationsmodell werden Parameterstudien zu relevanten Einflussgrößen durchgeführt, die Ergebnisse physikalisch interpretiert und bestehende Berechnungsansätze verbessert. Die daraus gewonnenen Erfahrungen zur Anwendung der CFD zur Simulation der Getriebeölströmung und der lastunabhängigen Verluste münden in einer Best Practice Guideline.

Mit Hilfe der erzielten Forschungsergebnisse sind industrielle Anwender, insbesondere KMUs in der Lage, ohne großen finanziellen und technischen Aufwand abgesicherte Ergebnisse hinsichtlich der lastunabhängigen Verzahnungsverluste im Getriebe zu erhalten. Zudem wird auf Basis der abgeleiteten Best Practice Guideline deren Einstieg in die CFD erleichtert. Insgesamt können aufwendige und kostenintensive Prüfstandsversuche zu lastunabhängigen Verzahnungsverlusten und zur Ölverteilung eingespart werden. Somit werden neue Maßstäbe für die Qualität, Effizienz und Zuverlässigkeit von Produkten gesetzt.

Ergebniszusammenfassung:

Bei der Entwicklung von Getrieben ist ein tiefes Systemverständnis u. a. über die Getriebeölströmung erforderlich. Anhand der computergestützten Strömungssimulation (CFD) können relevante Informationen bereits früh im Entwicklungsprozess gewonnen und somit eine zielgerichtete Getriebeentwicklung gestärkt werden.

Im Vorfeld des Vorhabens fehlte ein abgesicherter Best Practice, um das Potential der CFD zur Getriebeölströmungssimulation umfänglich zu nutzen. Übergeordnetes Ziel des Projekts war daher die validierte Simulation der Ölströmung und des lastunabhängigen Verzahnungsverlustmoments. Es wurde eine Simulationsmethodik entwickelt, anhand derer die Ölströmung in tauchgeschmierten Getrieben anhand der netzbasierten Finiten Volumen Methode berechnet und ausgewertet werden kann. Weiterhin wurde eine Quantifizierung des quasistationären Zustands der Getriebeölströmung entwickelt, welcher die belastbare Auswertung von Simulationsergebnissen erlaubt. Auf dieser Basis wurde eine umfangreiche Parameterstudie durchgeführt, wobei der Einfluss verschiedener getriebespezifischer Parameter auf die Ölverteilung sowie das lastunabhängige Verzahnungsverlustmoment untersucht wurden. Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen Ergebnissen von einem angepassten Prüfstand gegenübergestellt und validiert. Es wurde ein grundlegendes Verständnis über die Interaktion von Zahnrädern mit Fluiden gewonnen, wobei sich die Relevanz von Druck- und Scherkräften herausstellte.

Die Ergebnisse wurden dem etablierten Berechnungsansatz nach Mauz gegenübergestellt, wobei sich dessen Optimierungspotential insbesondere bei der Abbildung des Viskositätseinflusses auf das Verlustmoment zeigte.

Getriebehersteller profitieren maßgeblich vom gesteigerten Mechanismen- und Methodenverständnis bei der wirtschaftlichen Entwicklung und Herstellung von effizienten Getrieben, wobei ein optimierter Schmiertstoffhaushalt zudem den nachhaltigen Einsatz von Schmierstoffen ermöglicht.