Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erarbeitung und Absicherung der theoretischen Grundlagen zur Auslegung von Exzenter-Zykloiden-Verzahnungen

Die Exzenter-Zykloiden-Verzahnung zeichnet sich durch einen gesteigerten Wirkungsgrad gegenüber der Evolventenverzahnung aus, der eine Energieeinsparung und eine Emissions-Reduzierung erlaubt. Darüber hinaus bietet die EZ-Verzahnung die Möglichkeit der Bauraumeinsparung durch eine gesteigerte Leistungsdichte und entsprechend reduziertem Materialbedarf. Aktuell liegt keine Auslegungsrichtlinie vor, die eine industrielle Nutzung des Potenzials erlaubt.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer validierten Auslegungsmethode für die EZ-Verzahnung. Aufbauend auf der Auslegungsmethode können die wesentlichen Einflussgrößen der geometrischen Kenngrößen anhand einer Sensitivitätsanalyse ermittelt und für die Optimierung des Einsatzverhaltens verwendet werden. Die Auslegungsmethode wird experimentell abgesichert, sodass aus einer Variantenrechnung Gestaltungsempfehlungen für EZ-Verzahnungen abgeleitet und Anforderungen an die Fertigungsqualität funktional definiert werden.

Im ersten Schritt werden die geometrischen Eigenschaften der EZ-Verzahnung ermittelt und praxistaugliche Kennwerte abgeleitet. Im nächsten Schritt wird die FE-basierte Zahnkontaktanalyse um die Eigenschaften der EZ-Verzahnung erweitert und es wird der Einfluss der geometrischen Kennwerte auf das Einsatzverhalten bestimmt. Basierend auf den Sensitivitätsanalysen wird eine Auslegungsmethode entwickelt, die anschließend anhand von Prototypenversuchen validiert wird.

Die Auslegungsmethode erlaubt die optimierte Gestaltung der EZ-Verzahnung hinsichtlich ihres Einsatzverhaltens. Auf Basis der Methode können praxistaugliche effizient ermittelt werden. Die Dokumentation der Geometrieparameter, die Formulierung einer Auslegungsmethode sowie die Veröffentlichung der Prüfergebnisse ermöglicht besonders KMU, die im Projekt verwendeten Methoden nachhaltig und effizient zu nutzen, um Wettbewerbsvorteile zu sichern.

Ergebniszusammenfassung:

Die Exzenter-Zykloiden Verzahnung (EZ-Verzahnung) stellt eine neuartige Verzahnungsart dar. Bisher existierten keine fundierten theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Auslegung dieser Verzahnungsart. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine parameterbasierte Geometriebeschreibung entwickelt. Darauf aufbauend wurden lastfreie Kennwerte für Verzahnungseigenschaften in Anlehnung an bekannte Größen von Evolventenverzahnungen abgeleitet. Zur Berechnung des Einsatzverhaltens von EZ Verzahnungen wurde die FE-basierte Zahnkontaktanalyse (ZKA) erweitert. Hierzu wurden verschiedene Kontaktberechnungsmethoden verglichen und ein Flächenkontaktansatz implementiert. Die in diesem Vorhaben entwickelte Auslegungsstrategie wurde in zwei verschiedenen Detailtiefen durchgeführt. Einerseits wurde ein geometriebasiertes Vorgehen und auf der anderen Seite eine zweistufige, numerische Auslegungsmethode entwickelt. Zur Absicherung des Einsatzverhaltens unter Verlagerungen wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Diese zeigt, dass die EZ-Verzahnung eine in weiten Bereichen ähnliche Sensitivität gegen Achslageabweichungen wie die Evolventenverzahnung hat. Im Weiteren wurde die Herstellbarkeit der EZ-Verzahnung mit wälzenden Verfahren untersucht. Dabei zeigte sich, dass eine wälzende Fertigung grundsätzlich möglich ist. Die ausgelegten Prüfverzahnungen wurden gefertigt und auf den Prüfständen der Forschungsstellen untersucht. Mit den Ergebnissen konnte die erweiterte FE-basierte Zahnkontaktanalyse für EZ-Verzahnungen validiert werden.

Insgesamt tragen die Ergebnisse des Vorhabens wesentlich dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit der beteiligten KMU auf dem Gebiet der Sonderverzahnungen insbesondere im Bereich der Exzenter-Zykloiden Verzahnung zu steigern. Die Ergebnisse des Vorhabens helfen allen beteiligten KMU durch die entwickelten Methoden die Verzahnungsauslegung für EZ-Getriebe zu ermöglichen.