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Neues Projekt: FE-Pressverband in STIRAK

PA Berechnung und Simulation | FVA 484 VII

Dominierende Einflussgrößen auf den Spannungszustand am Stirnrad - Quelle: WZL RWTH Aachen

Einfluss von Zylinder- und Kegelpressverbänden auf die Stirnradverzahnung

Durch gesetzliche Vorgaben sowie einem gesteigerten Kundeninteresse an Umwelt und Nachhaltigkeit, liegen die aktuellen Herausforderungen der Antriebstechnik insbesondere im Bereich der  Ressourceneffizienz. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei die Erhöhung der Leistungsdichte durch gesteigerte Materialausnutzung. Hierzu werden unter anderem Radkörper dünnwandig, mit Bohrungen oder anderweitigen komplexen Geometrien ausgeführt. Die Fortschritte im Bereich der additiven Fertigung erlauben eine nahezu beliebige Radkörpergestaltung für die Umsetzung optimierter Designvorschläge. Zur Berechnung der Auswirkungen solcher Strukturen auf bspw. die Spannungsverteilung im Zahnfuß sowie das Anregungsverhalten eignen sich insbesondere FE-Berechnungsansätze, da diese die geometrischen und damit auch mechanischen Eigenschaften der Strukturen flexibler abbilden können als analytische Verfahren.

Die Verbindung der Zahnräder mit der Welle erfolgt meist über Schrumpfverbände, häufig in Kombination mit formschlüssigen Elementen. Die Verwendung von Schrumpfverbänden bei der Welle-Zahnrad-Verbindung findet unter anderem ihre Anwendung bei Motorsteuerrädern und Überset-zungsgetrieben in der Automobilindustrie sowie bei Getrieben im Triebstrang von Windenergieanlagen. Zur Auslegung von Welle-Zahnrad-Pressverbänden ist neben einer ausreichenden Zahnfußtragfähigkeit eine ausreichende Fugenpressung zur sicheren Drehmomentübertragung von hoher Bedeutung. Die Beanspruchung gefügter Zahnräder bildet einen mehrachsigen Spannungszustand, resultierend aus verschiedenen Einflussgrößen (vgl. Bild). In einer Welle-Zahnrad-Pressverbindung steht die zahnseitige Beanspruchung, resultierend aus Biegung, Schub und Stauchung, in Wechselwirkung mit den nabenseitigen Einflussgrößen der Radkörpersteifigkeit, der Fu-genpressung und der Fliehkraft. Die induzierte Spannung infolge der Pressverbindung überlagert sich mit der Zahnfußspannung und kann zu einer Minderung der Zahnfußtragfähigkeit führen. Aktuell besteht kein Berechnungsverfahren, welches die Wechselwirkungen aller rele-vanten Einflussgrößen gefügter Zahnräder vollständig beschreibt und die Auslegung von Welle-Zahnrad-Pressverbindungen effizient bewerten kann. Eine etablierte Methode zur Auslegung von Stirnrädern stellt die FE-basierte Zahnkontaktanalyse FE-STIRNRADKETTE (STIRAK) dar. In vorangegangenen Vorhaben wurde die Methode um die Abbildung komplexer Radkörperstrukturen erweitert und kann so bereits den Einfluss der Radkörperstruktur auf den Zahnkontakt abbilden. Die Überla-gerung einer zusätzlichen Fugenpressung infolge einer Welle-Zahnrad-Pressverbindung ist derzeit nicht möglich. Insbesondere die durch die Pressverbindung auftretende Deformation der Verzah-nungsgeometrie und die resultierenden Zahnflankenabweichungen können derzeit nicht effizient bei der Auslegung in Bezug auf das Anregungsverhalten und die Zahnfußtragfähigkeit berücksichtigt werden. Dies führt dazu, dass nicht das gesamte Leichtbaupotential ausgeschöpft werden kann.

Folgende Ergebnisse soll das Projekt liefern:

  • Gesicherte Erkenntnisse bezüglich der Wechselwirkungen zwischen Pressverband und Zahneingriff insbesondere bei komplexer Radkörperstruktur
  • Auslegung von Zahnflankenkorrekturen unter Berücksichtigung von Pressverbänden zur Verbesserung des Einsatzverhaltens
  • Erhöhte Nutzung des Leichtbaupotenzials durch die Reduktion der benötigten Sicherheiten infolge von höherwertigen und gesicherten Berechnungsansätzen
  • Verminderter versuchstechnischer Aufwand
  • Einsparung des Iterationsschrittes zur Vorkorrektur der durch den Schrumpfsitz resultierenden Veränderung der Zahnflankenmikrogeometrie
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