Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Methode zur Berücksichtigung des interaktiven, quasistatischen Steifigkeitsverhaltens benachbarter Eingriffe und Doppelschrägverzahnungen in der Verzahnungsauslegung

Methode zur Berücksichtigung des interaktiven, quasistatischen Steifigkeitsverhaltens benachbarter Eingriffe und Doppelschrägverzahnungen in der Verzahnungsauslegung (Gekoppelte Eingriffe).

Optimiert ausgelegte Verzahnungen können einen Beitrag dazu leisten, Gewicht, Bauraum und Kosten von mehrstufigen Getrieben und Turbogetrieben einzusparen, den Wirkungsgrad zu erhöhen und einen geräuscharmen Lauf zu gewährleisten. Bei gekoppelten Eingriffen werden die Wechselwirkungen zwischen den Eingriffen häufig nicht berücksichtigt.

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Methode zur Berücksichtigung des quasistatischen Steifigkeitsverhaltens von gekoppelten Eingriffen und Doppelschrägverzahnungen in der Verzahnungsauslegung. Anhand des FE-Ansatzes werden Gestaltungs- und Toleranzempfehlungen für gekoppelte Eingriffe abgeleitet. Dazu wird die entwickelte Methode anhand experimenteller Untersuchungen an zweistufigen Getrieben und Doppelschrägverzahnungen abgesichert. Mit der validierten Methode werden Parametervariationen der Verzahnungsmakro- und Mikrogeometrie durchgeführt und ausgewertet. Bei Doppelschrägverzahnungen liegt der Fokus auf der Untersuchung des Apexpunkts und dem Einfluss von Fertigungsabweichungen. Bei gekoppelten Eingriffen wird unter anderem untersucht, welchen Einfluss verschiedene Zähnezahlen haben und welche Getriebestufe das Anregungsverhalten dominiert. Nach Abschluss des Vorhabens können Gestaltungs- und Toleranzempfehlungen für die Verzahnungsauslegung von Doppelschrägverzahnungen und gekoppelten Eingriffen abgeleitet werden, um das Anregungsverhalten zu optimieren.

Insbesondere KMU profitieren von den Gestaltungsempfehlungen, da bereits in einem frühen Entwicklungsstadium das Anregungsverhalten besser abgeschätzt werden kann. Außerdem wird bewertbar, wie eng die Fertigungstoleranzen der verschiedenen Getriebestufen gelegt werden müssen. Zu geringe und gleichzeitig kostenintensive Qualitätsklassen können in der Fertigung vermieden werden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Forschungsvorhaben FVA 788 I (IGF-Nr. 20600 N) wurde eine validierte Methode zur Berücksichtigung des interaktiven, quasistatischen Steifigkeitsverhaltens benachbarter Eingriffe und Doppelschrägverzahnungen in der Verzahnungsauslegung entwickelt. Das Ergebnis der Methode ist die Möglichkeit mithilfe eines entwickelten Methodenträgers eine Vorhersage des Anregungsverhaltens sowohl bei Doppelschrägverzahnungen, als auch bei mehrstufigen Getrieben unter Berücksichtigung der Effekte durch benachbarte Zahneingriffe zu treffen.

Mithilfe von Parameterstudien konnten Einflüsse ermittelt werden, die sich unterschiedlich auf das Anregungsverhalten von Doppelschrägverzahnungen auswirken. Eine Auswahl von Varianten wurde im Anschluss mithilfe des 5-Achs-Fräsverfahrens gefertigt und auf Maßhaltigkeit kontrolliert. Die experimentellen Untersuchungen wurden mithilfe der WZL-Stirnradmesszelle durchgeführt. Bei Untersuchungen zu zweistufigen Getriebe konnte einerseits auf ein Prototypengetriebe zurückgegriffen werden. Abschließend wurde die entwickelte Methode anhand der ermittelten Prüfstandsdaten validiert. Bei den zweistufigen Getrieben konnte eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenem und simuliertem Drehfehlerverlauf festgestellt werden.

Beim Vergleich der Daten zur Doppelschrägverzahnung wurden Tragbildabgleiche bei niedrigen Lasten für unterschiedliche Varianten durchgeführt. Diese zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Variante mit Teilungsversatz zeigt darüber hinaus eine deutliche Reduktion der Drehfehleramplitude der 1. Zahneingriffsordnung gegenüber der Referenzvariante.

Die entwickelte Methode kann zur Unterstützung während des Auslegungsprozesses verwendet werden. Damit ist es in Zukunft möglich, bereits in einem frühen Stadium Anregungseffekte zu berücksichtigen, die durch die Kopplung mehrerer Eingriffe entstehen. Aus der Methode lassen sich Empfehlungen für funktionale Toleranzen für Fertigungsabweichungen bei benachbarten Eingriffen ableiten.