Dynamik von Zahnradgetrieben - Modellbildung, Simulation und experimentelle Analyse
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- Klaus Gärtner
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1 Dynamik von Zahnradgetrieben - Modellbildung, Simulation und experimentelle Analyse Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) der Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock vorgelegt von Philipp Früh, geb. am 28. November 1978 in Achern aus Ludwigsburg Referent: Korreferenten: Prof. Dr.-Ing. habil. C. Woernle, Universität Rostock Prof. Dr.-Ing. K.-H. Hirschmann, Universität Rostock Prof. Dr.rer.nat. habil. N. Hoffmann, TU Hamburg-Harburg Rostock, 20. Mai 2008
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3 Berichte aus dem Maschinenbau Philipp Früh Dynamik von Zahnradgetrieben - Modellbildung, Simulation und experimentelle Analyse Shaker Verlag Aachen 2008
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Rostock, Univ., Diss., 2008 Copyright Shaker Verlag 2008 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit im Zentralbereich Forschung und Vorausentwicklung der Robert Bosch GmbH. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgte durch die Fakultät für Maschinenbau und Schiffstechnik der Universität Rostock. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph Woernle vom Lehrstuhl für Technische Mechanik / Dynamik für die wissenschaftliche Betreuung, die gewährte Selbständigkeit und die vielen Anregungen, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Herrn Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Hirschmann vom Lehrstuhl für Getriebe und Antriebstechnik und Herrn Prof. Dr.rer.nat. habil. Norbert Hoffmann vom Institut für Mechanik und Meerestechnik der Universität Hamburg-Harburg (TU) danke ich für die Bereitschaft zur Übernahme des Korreferates und dem großen Interesse gegenüber meiner Arbeit. Meinen Betreuern Dr.-Ing. Henning Oest und Dipl.-Ing. Roland Hoefs aus dem Hause Robert Bosch GmbH danke ich herzlich für die fachliche, organisatorische und persönliche Unterstützung meiner Arbeit. Für die angenehme, anregende und freundschaftliche Arbeitsatmosphäre möchte ich mich ebenfalls bei allen Kolleginnen und Kollegen der Arbeitsgruppe bedanken. Weiterhin wären die Umsetzung und das Gelingen der Arbeit ohne die stets hilfsbereite Unterstützung der Kollegen aus den Entwicklungsabteilungen nicht möglich gewesen. Hier möchte ich mich vor allem bei Herrn Dr.-Ing. Jochen Moench und Herrn Dipl.-Ing. Daniel Cettier für die gute Zusammenarbeit bedanken. An dieser Stelle danke ich auch allen Studenten, die durch ihre Tätigkeit als Praktikanten und durch Diplomarbeiten zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Nicht zuletzt möchte ich mich bei meinen Eltern bedanken, die durch ihre Unterstützung das Studium erst möglich gemacht haben, sowie bei Liane für ihre liebevolle Geduld und Unterstützung.
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7 I Inhalt 1 Einleitung Stand der Technik und Literaturübersicht Ziele und Inhalt der Arbeit Grundlagen der Zahnradgetriebe Übersicht zu Zahnradgetriebebauarten Grundlagen der Verzahnung Grundgesetz der Verzahnung Evolventenverzahnung Geometrie der Stirnräder Zahneingriff Verzahnungsabweichungen Eingriffsstörungen Modellbildung Zahnkontaktmodell Abbildung des Zahnkontakts Verschiebungseinflusszahlen Kontaktabstände Bewegung im Zahnkontakt Räumliche Bewegung der Zahnräder Position der Berührpunkte Verschiebung im Zahnkontakt Geschwindigkeit im Zahnkontakt Verlängerter Zahneingriff Verzahnungsdämpfung Werkstoffdämpfung Schmierfilmdämpfung Kelvin-Voigt-Modell Resultierende Schnittkräfte und Schnittmomente Implementierung der Modellgleichungen Modellbildungs- und Simulationsprozess...54
8 II 4 Quasistatische und dynamische Simulation einer Stirnradstufe Aufbau des Simulationsmodells Quasistatische Untersuchungen Drehwegabweichung Verzahnungskraft Verlauf der Drehwegabweichung, Verzahnungskraft und -steifigkeit Vergleich mit detailliertem FE-Modell Dynamische Verzahnungskräfte Auswirkungen von Verzahnungsabweichungen auf die Schwingungsanregung Profilabweichungen Flankenlinienabweichungen Teilungsabweichungen Rundlaufabweichungen Kopfrücknahme Zusammenfassung, quasistatische und dynamische Simulation Messung und Simulation am Getriebeprüfstand Experimentelle Untersuchungen am Getriebeprüfstand Prüfstandsaufbau Charakterisierung des Prüfstands Messungen mit Testgetriebe Simulation des Getriebeprüfstands Aufbau des Simulationsmodells Simulation Eigenfrequenzen und Vergleich mit Messung Simulation Drehzahlhochlauf und Vergleich mit Messung Simulation stationärer Betrieb und Vergleich mit Messung Zusammenfassung, Vergleich Messung und Simulation Zusammenfassung Literatur...117
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