FE-Pressverband in STIRAK
FVA 484 VII | IGF-Nr. 01|F21898 N
Einfluss von Zylinder- und Kegelpressverbänden auf die Stirnradverzahnung
Die Beanspruchung gefügter Zahnräder resultiert aus einem mehrachsigen Spannungszustand, der sowohl durch die Belastung der Verzahnung als auch durch den Pressverband bedingt ist. Während die zahnseitigen Einflussgrößen abgebildet werden können, erlauben aktuelle Berechnungsverfahren nicht die Berücksichtigung der Fugenpressung bei nicht-rotationssymmetrischen, komplexen Pressverbandgeometrien auf das Einsatzverhalten gefügter Stirnräder. Zwar ist eine konventionelle FE-Berechnung des Pressverbandes prinzipiell möglich, jedoch ist eine recheneffiziente Berechnungsmethode für gefügte Stirnräder, welche die Wechselwirkung des Pressverbandes auf das Einsatzverhalten von gefügten Stirnrädern berücksichtigt, nicht vorhanden. Den genormten Berechnungsverfahren werden vereinfacht tendenziell steife Radkränze zugrunde gelegt, ohne die komplexe Geometrie des Radkranzes und steifigkeitsverändernde Randeffekte zu berücksichtigen. Aufgrund der fehlenden Berücksichtigung von nichtrotationssymmetrischen, komplexen Pressverbandgeometrien auf die Zahnbelastung wird das Leichtbaupotenzial und die Leistungsdichte gefügter Zahnräder unzureichend ausgeschöpft. Um die Leistungsdichte von Stirnrädern zu steigern, wird eine FEBerechnungsmethode entwickelt, die den Einfluss dünnwandiger, geometrisch flexibler Querpressverbände auf die Zahnbelastung abbildet. In Kombination mit dem Vorhaben FVA 127 XI ist zudem eine komplette Überrollung möglich, um unterschiedliche Aufweitungen über den Umfang bei der Berechnung von Stegrädern zu berücksichtigen. Zusätzlich sollen Möglichkeiten zur Steifigkeitsreduktion des elastischen Umfelds bei gleichbleibender Ergebnisgüte realisiert werden. Mit der Berechnungsmethode soll neben dem Einsatzverhalten gefügter Stirnräder zudem die Mikrogeometrieänderung der Zahnflanke infolge des Pressverbandes bereits in der frühen Entwicklungsphase realitätsnah abgebildet werden. Die Methode wurde anhand verschiedener Prüflinge validiert.
Die validierte Berechnungsmethode wurde zur Berechnung des Einsatzverhaltens gefügter Stirnräder auf Serienverzahnungen aus der Industrie angewandt. Zur weiteren Validierung der Berechnungsmethode zur Auslegung von Zahnflankenmodifikationen gefügter Stirnräder wurden die Simulationsergebnisse mit Aufpressversuchen zweier Industrieverzahnungen verglichen. Die Ergebnisse zeigen eine sehr hohe Übereinstimmung. Anhand eines Industriebeispiels wurde zudem eine Parameterstudie durchgeführt, um den Einfluss des Fugendrucks und der Radkranzdicke auf die Zahnfußspannung und den Summendrehfehler eines gefügten Stirnrades simulativ zu untersuchen. Die neue Berechnungsmethode ermöglicht eine quantitative Bewertung des Anregungsverhaltens und der Zahnfußspannung gefügter Stirnräder. Abschließend wurde beispielhaft der Einfluss einer Vorkorrektur auf die Zahnfußspannung und den Summendrehfehler gefügter Stirnräder im Rahmen der neuen Berechnungsmethode anhand einer Serienverzahnung simulativ untersucht. Es konnte festgestellt werden, dass eine mikrogeometrische Vorkorrektur in den betrachteten Betriebspunkten einen positiven Effekt auf die Zahnfußspannungen und das Anregungsverhalten hat. Die Berechnungsmethode befähigt den Auslegenden zur Kenntnis der geänderten Mikrogeometrie infolge des Pressverbandes, sodass eine Mikrogeometrieoptimierung gefügter Stirnräder ermöglicht wird.
Insgesamt wurde das Projekt erfolgreich abgeschlossen und das Projektziel erreicht. Dem Nutzer steht eine validierte Berechnungsmethode zur Verfügung, die das Einsatzverhalten und die Mikrogeometrieänderung gefügter Stirnräder simulativ ermitteln kann.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 01|F21898 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
