Forschungsansätze im Anlagen- und Maschinenbau. Getriebe. Folie 1. Dipl.-Ing. Marco Pech

Transkript

1 Forschungsansätze im Anlagen- und Maschinenbau Getriebe Folie 1

2 Gliederung Einleitung Aktuelle Forschungsansätze Wälzlager Großgetriebeverzahnungen Planetengetriebe Entwicklungskonzepte für Windkraftgetriebe Forschungsbedarf Folie 2

3 Einleitung Folie 3

4 Einleitung Gondel einer Windkraftanlage Rotor Getriebe Generator Quelle: Bosch Rexroth AG Folie 4

5 Getriebe für Windkraftanlagen Aufgabe des Getriebes: Einleitung geringe Drehzahl hohe Drehzahl Rotor Getriebe Generator hohes Drehmoment geringes Drehmoment Technische Anforderungen: Zuverlässigkeit Geringes Gewicht Hoher Wirkungsgrad Geringe Geräuschemission Folie 5

6 Einleitung Komponenten in Windkraftgetrieben Stirnräder Planetenräder ortsfeste Wälzlager Planetenlager Stirnradstufe(n) Planetenstufe Quelle: Bosch Rexroth AG Folie 6

7 Einleitung Getriebeforschung an der Ruhr-Universität Bochum Relevante Forschungsthemen Wälz-/Gleitlager seit über 30 Jahren Großgetriebe seit fast 15 Jahren Planetengetriebe seit fast 40 Jahren Folie 7

8 Aktuelle Forschungsansätze Folie 8

9 Forschungsansätze (Wälzlager) Wälzlager Untersuchungen: Lebensdauer Reibung Kinematik Dynamik Schäden: Verschleiß bei niedrigen Drehzahlen Anschmieren / Fressen Käfigbruch bei schnelllaufenden Planetenlagern Bordbruch bei Zylinderrollenlager Folie 9

10 Forschungsansätze (Wälzlager) Prüfstandsversuche beliebige Kombinationen von Drehzahl, Radial- und Axialkraft möglich Messung von Drehzahl, Reibmoment, Temperaturen Folie 10

11 Forschungsansätze (Wälzlager) dreidimensionales Simulationsmodell für Rollenlager Kinematik/Dynamik 3D-Kontakt Elastizität lastfreie Zone Lastzone Folie 11

12 Forschungsansätze (Wälzlager) dreidimensionales Simulationsmodell für Rollenlager Berechnungssoftware ZYROAX Kinematik/Dynamik 3D-Kontakt Elastizität lastfreie Zone Lastzone Folie 11

13 Forschungsansätze (Wälzlager) Ziele und Ergebnisse der Untersuchungen Vorhersage und Ursachenermittlung von Lagerschäden Verschleiß an einem langsam laufenden Wälzlager Analyse des Wälzkörper/Bord- Kontaktes hinsichtlich Pressung und Schmierung Optimierung der Bordgeometrie Näherungsgleichungen zur Berechnung der Lagerreibmomente Reibungsmoment M 2 [Nm] Drehzahl [min -1 ] Axiallast [kn] Folie 12

14 Forschungsansätze (Großgetriebe) Großgetriebeverzahnungen Tragfähigkeitsuntersuchungen: Graufleckigkeit Verschleiß Grübchen, Fressen 570 mm Verzahnungsdaten: Achsabstand a = 447 mm Modul m n = 22 mm 5-fache Vergrößerung des Standard-Verspannungsprüfstandes verschiedene Rauheiten und Kopfrücknahmen der Flanken Folie 13

15 Forschungsansätze (Großgetriebe) Prüfstand für Großgetriebeverzahnungen max. Leistung: 6 MW max. Drehmoment: 114 knm Prinzip: Verspannkreis einer der weltweit größten Stirnradprüfstände!! Messung von Drehzahl, Drehmoment, Temperaturen, Schwingungen, Auskolkung Folie 14

16 Forschungsansätze (Großgetriebe) Ziele und Ergebnisse der Untersuchungen Entstehungsursachen von Graufleckigkeit Vorschläge für Verzahnungskorrekturen Vergleich der Großgetriebeuntersuchungen mit Zahnrädern des Standard- Verspannungsprüfstandes Erweiterung einer Berechnungsmethodik für die Graufleckentragfähigkeit Grübchenschaden Graufleckenschaden Graufleckigkeit Folie 15

17 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Planetengetriebe Eigenschaften: kompakte Bauweise Leistungsverzweigung hohe Übersetzung möglich guter Wirkungsgrad gutes Geräuschverhalten Folie 16

18 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Aufbau von Planetengetrieben Folie 17

19 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Torsion des Sonnenrades Resultierende Lastverteilung auf den Zahnflanken T Folie 18

20 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Verkippung des Planetenrades Resultierende Verkippung Zahneingriff am Hohlrad Folie 19 Zahneingriff am Sonnenrad

21 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Verformung des Planetenträgers Planetenrad T Resultierende Schiefstellung der Planetenradbolzen Planetenträger Folie 20

22 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Überlagerung der Lastverteilungen Torsion der Sonnenradwelle Verformung des Planetenträgers Linkssteigendes Sonnenrad Verkippung des Planetenrades Rechtsteigendes Sonnenrad Folie 21 Korrektur der Zahnflanken erforderlich

23 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Zahnflankenkorrektur Endrücknahme Balligkeit Winkelkorrektur Topographische Korrektur Zahnflankenkorrekturen gleichen Schieflagen der Planetenräder infolge von Verformungen aus Folie 22

24 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Berechnung von Verzahnungskorrekturen PLANKORR: Simulation von Zahnkontakten und Planetenträgerverformungen Berechnung der Lastverteilung [µm] Ermittlung von optimalen Verzahnungskorrekturen [mm] 200 [mm] Folie 23

25 Forschungsansätze (Planetengetriebe) Weitere Forschungsansätze Mehrkörpersimulation SIMPLEX: Verlustleistungen und Temperaturen 76,3 Geräusche Verlustanteile in % Verzahnungsverluste Planetenradlagerverluste 6,0 5,2 3,7 sonst. Lagerverluste 8,8 Folie 24

26 Entwicklungskonzepte für Windkraftgetriebe Folie 25

27 Entwicklungskonzepte Zweistufiges Planetengetriebe PZAB 3680 Abtrieb Antrieb zwei Planetenstufen eine Stirnradstufe Quelle: Winergy AG Folie 26

28 Entwicklungskonzepte Renk Aerogear Stufenplanetengetriebe Stufenplaneten Antrieb Abtrieb eine Planetenstufe mit Stufenplaneten eine Stirnradstufe Quelle: Renk AG Folie 27

29 Entwicklungskonzepte Voith WinDrive-Getriebe Abtrieb ntrieb Hydrodynamischer Drehmomentenwandler Hauptgetriebe WinDrive Quelle: Voith AG zwei Planetenstufen mit hydrodynamischen Drehmomentenwandler eine Planeten- und zwei Stirnradstufen vorgeschaltet Folie 28

30 Entwicklungskonzepte Bosch Rexroth Differentialgetriebe Leistungsverzweigung Antrieb Abtrieb drei Planetenstufen mit Leistungsverzweigung Quelle: Bosch Rexroth AG eine Stirnradstufe Folie 29

31 Forschungsbedarf Folie 30

32 Forschungsbedarf Anforderungen zur weiteren Leistungssteigerung Zuverlässigkeit Gewichtsoptimierung Erhöhung der Leistungsdichte Geräuschoptimierung Aktuelle Konzepte der Industrie Leistungsverzweigung Stufenplaneten Koppelgetriebe usw. Folie 31

33 Forschungsbedarf Aufgaben für die Forschung Berücksichtigung der aktuellen Windkraftgetriebekonzepte Berechnungsmöglichkeiten für reale Betriebsbedingungen in Windkraftanlagen Wälzlagerbelastung Lastverteilung in Planetengetrieben Verzahnungskorrekturen Getriebedynamik -/geräusche Folie 32

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Unsere Kontaktdaten: Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Kraftfahrzeuge Prof. Dr.-Ing. W. Predki Tel.: 0234/ Folie 33