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FE-Tragfähigkeitsoptimierung Zahnfuß

FVA 709 II, IGF-Nr. 19233 N

Der fortschreitende Trend zur Gewichtsoptimierung von Getrieben stellt neue Herausforderungen bei der leistungsgerechten Auslegung von Verzahnungen dar. Einen Beitrag zur Steigerung der Tragfähigkeit von Stirnrädern kann die Optimierung der Zahnfußgeometrie für maximierte Zahnfußtragfähigkeit leisten. Bisherige Arbeiten auf dem Gebiet der rechnerischen Zahnfußoptimieren fokussierten sich auf die rechnerische Abbildung und Optimierung des Zahnfußes durch BEM und FEM. Die fertigungsgerechte Gestaltung des Optimierungsprozesses wurde nicht oder nur als Randaspekt behandelt.

Das Ziel dieses Vorhabens war es deshalb, ein integriertes System zur automatisierten, FE-basierten und fertigungsgerechten Optimierung der Zahnfußgeometrie von Stirnrädern zu schaffen und zu validieren. Hierzu wurden zunächst geeignete Parametrierungsmethoden für freie Zahnfußgeometrien erarbeitet, die die gängigen Fertigungsprozesse abbilden. Hierzu zählen profilierende, wälzende und freiformende Fertigungsverfahren. Weiterhin wurden die erfolgreichen Arbeiten am FE-Solver Z88 aus dem Vorgängervorhaben fortgesetzt, um stark von der Referenzkontur abweichende Zahnfußgeometrien effizient zu vernetzen und bewerten zu können. Die durch den Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD der Universität Bayreuth durchgeführten Arbeiten am FE-Solver Z88, der von STIRAK zur Berechnung der Verschiebungseinflusszahlen genutzt wird, ermöglichen es fortan, beliebige, dreidimensional variable Geometrien im Zahnfuß von Stirnrädern nichtkonform zu vernetzen und somit Spannungsberechnungen effizienter zu gestalten. Anschließend wurden die erarbeiteten Parametrierungsmethoden zusammen mit dem WZL-Rechenkern zur FE-basierten Zahnkontaktanalyse STIRAK und des erweiterten FE-Solvers Z88 in dem Rahmenprogramm rhoOpt zur Zahnfußoptimierung integriert, welches optional auch eine Verschleißbewertung von optimierten Bezugsprofilen in der Optimierung ermöglicht.

Am Vorhabensende wurden Validierungsuntersuchungen durchgeführt. Hierzu wurde eine praxisnahe Schrägverzahnung mit vollausgerundetem Bezugsprofil ausgelegt, mit rhoOpt optimiert, gefertigt und auf einer innovativen Pulsatorvorrichtung geprüft. Die Ergebnisse bestätigen die rechnerisch erzielten Tragfähigkeitssteigerungen durch symmetrische und asymmetrische Zahnfußoptimierung. Durch die symmetrische Zahnfußoptimierung des Lückenprofils der Verzahnung konnte eine Tragfähigkeitssteigerung von ΔF50 %,symm = 11,1 % nachgewiesen werden. Für die asymmetrische Optimierung des Zahnfußes wurde eine Tragfähigkeitssteigerung von ΔF50 %,asymm = 13,5 % bestimmt. Damit ist das Optimierungssystem rhoOpt als erfolgreich validiert anzusehen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 19233 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.