Fehlertolerante Flankentopografie

In der Verzahnungsauslegung ist den Auslegungskriterien nach einer ausreichenden Lebensdauer und einem niedrigen Verzahnungsgeräusch Rechnung zu tragen. Zudem ist der Ausschuss in der Fertigung auf ein Minimum zu reduzieren. Dabei stellen insbesondere Kegelradverzahnungen aufgrund der komplexen Kontaktgeometrie und der betriebsabhängigen Eingriffsbedingungen eine Herausforderung in der Auslegung dar. In der Praxis auftretende Abweichungen, resultierend aus dem Fertigungsprozess sowie der Montage der Radsätze, beeinflussen zudem das Einsatzverhalten einer Verzahnung. Eine umfassende Berücksichtigung der zu erwartenden Abweichungen im Auslegungsprozess durch fertigungstoleranzabhängige Variation der Mikrogeometrie sowie der Einbautoleranzen erfolgt bisher nicht.

Der Gegenstand des Forschungsvorhabens „Fehlertolerante Flankentopografie“ war die Entwicklung eines Algorithmus zur Optimierung der Mikrogeometrie von Kegelradverzahnungen, sodass die Verzahnung auch im Toleranzfeld der Fertigungs- und Montageabweichungen sowie bei variierenden Betriebsparametern ein robustes Einsatzverhalten aufweist. Die Berechnungsmethode zur Variantenrechnung sowie die Algorithmen zur Auswertung der Ergebnisse konnten erfolgreich entwickelt werden. Das Berechnungsvorgehen ermöglicht im ersten Schritt die Optimierung der Ritzelmikrogeometrie bei einem reduzierten Variantenumfang, um die Berechnungsdauer auf ein praktikables Maß zu begrenzen.

Weiterhin kann in einem zweiten Berechnungsschritt die Sensitivität der Verzahnungsauslegung bei realistischen Fertigungs- und Montageabweichungen im Rahmen einer virtuellen Produktion bewertet werden. Die Berechnungsmethode sowie das Programm BECAL 5 konnten erfolgreich validiert werden. Hierzu wurde eine Kegelradmesszelle konstruiert und gefertigt, die die Untersuchung des dynamischen Anregungsverhaltens unter Last sowie der lastfreien und lastbedingten Verlagerungen ermöglichte. Die Gegenüberstellung der berechneten und gemessenen Drehfehler unter Last zeigt in der Ausgangsbetrachtung signifikante Abweichungen. Als Grund hierfür wurde die, der Zahnkontaktanalyse vorgelagerte, Verlagerungsberechnung identifiziert.

Die Berechnung der lastbedingten Verlagerungen aus den Biegelinien der Ritzel- und Tellerradachse berücksichtigt derzeit nicht die Verdrehung der Ritzel- gegenüber der Tellerradflanke durch die horizontale Verkippung der Ritzelachse. Die Verdrehung der Ritzel- und Tellerradflanke kann näherungsweise durch eine lastbedingte Spiralwinkeländerung dargestellt werden. Die Berechnung des Drehfehlers unter Last in der FE-basierten Zahnkontaktanalyse ZaKo3D bei Vorgabe der lastbedingten Verlagerungen und Spiralwinkeländerung zeigt eine sehr hohe Übereinstimmung mit den gemessenen Werten. Dabei führt die Verdrehung der Zahnflanken zu einer signifikanten Tragbildverlagerung. In der Folge ist die Zunahme der Gesamtüberdeckung unter Last begrenzt. Die Berechnungsergebnisse bestätigen somit das Defizit in der Berechnung der lastbedingten Verlagerungen.

Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 18450 BG 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.