Profilkorrektur hochelastisches Umfeld
FVA 127 X | IGF-Nr. 21248 N
Methode zur Erkennung und Vermeidung von Eingriffsstörungen im hochelastischen Umfeld
Die Kenntnis über die exakten Kontaktbedingungen im Zahneingriff ist die Grundlage zur Auslegung effizienter Verzahnungskorrekturen, die sich direkt auf das Trag- und Anregungsverhalten von Stirnradverzahnungen auswirken. Die exakte Bestimmung der Verlagerung der Berührlinien unter Last ist bisher nur mit zeitaufwendigen, kommerziellen Kontaktfindungsalgorithmen möglich. Durch den hohen Modellierungsaufwand und das notwendige Expertenwissen ist der industrielle Einsatz allerdings nur in Ausnahmefällen sinnvoll.
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, die etablierte FE-basierte Zahnkontaktanalyse STIRAK zur Berücksichtigung der Berührlinienverlagerungen unter Last zu erweitern. STIRAK bietet momentan, neben kommerziellen Voll-FE-Ansätzen, die exakteste Methode zur Berücksichtigung sämtlicher Verformungsanteile aus dem Zahnkontakt sowie deren Wechselwirkungen aufeinander. Der Vorteil der Berechnungseffizienz von STIRAK liegt unter anderem in der Vorberechnung der Berührlinien begründet, wobei eine Berührlinienverlagerung sowie die Verlängerung des Eingriffsgebiets unter Last vernachlässigt wird.
Die in diesem Forschungsprojekt umgesetzte Methode bietet die Möglichkeit, eine Veränderung des Kontaktbereichs, wie er insbesondere für nachgiebige Werkstoffe oder große Verlagerungen auftritt, in der Berechnung zu berücksichtigen. Außerdem wurde eine Methode bereitgestellt, mit der der Betrag und die Länge einer notwendigen Profilrücknahme FE-basiert ermittelt werden kann, da gerade der Kontaktbeginn sowie die Vermeidung eines vorzeitigen Zahneintritts für das Anregungsverhalten sowie die Tragfähigkeit entscheidend sind. Im Bild sind die Problemlage sowie die Zielsetzung des Forschungsprojekts dargestellt.
Das Forschungsprojekt, untergliedert in fünf Arbeitspakete, stellt eine Methode bereit, mit der die Berechnung des Einflusses von Achslageabweichungen sowie Mikrogeometrien auf das Einsatzverhalten einer Stirnradverzahnung quasistatisch möglich ist, wobei die tatsächliche Berührfläche und Verlängerung der Eingriffsstrecke abgebildet wird. Auf diese Weise kann die Berechnungsgenauigkeit für eine präzisere Auslegung gesteigert werden. Darüber hinaus wurde, basierend auf diesem Kontaktansatz, eine Vorgehensweise entwickelt, mit der Profilkorrekturen zur Vermeidung eines vorzeitigen Zahneingriffs durchdringungsbasiert ausgelegt werden können. Dies stellt eine unabhängige Auslegungs- und Kontrollmöglichkeit dar und ist für beliebige linear-elastische Werkstoffe möglich. So können, basierend auf der Mikrogeometrie der Stirnräder, individuell erforderliche Rücknahmebeträge ermittelt werden, um unerwünschte Folgen des vorzeitigen Zahneintritts abzuwenden.
Der methodischen Entwicklung wurde eine umfangreiche Reihe an Validierungsmessungen nachgeschaltet, bei der neben quasistatischen Drehfehlermessungen ebenso dynamische Körperschalluntersuchungen zum Anregungsverhalten durchgeführt wurden, wobei neben einer Prüfverzahnung ebenso eine Serienverzahnung aus dem Elektromobilität eingesetzt wurde. Durch statische Messungen des Zahnein- und -austritts wurde außerdem für die Prüfverzahnung die Realüberdeckung charakterisiert. Die Prüfstandsuntersuchungen zeigen die Eignung der Profilkorrekturauslegungsmethode sowie hinsichtlich der Akustik und Überdeckung die Abbildungsgüte des Kontaktberechnungsansatzes auf.
Das IGF-Vorhaben IGF-Nr. 21248 N der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages mit den Mitteln der IGF gefördert.
