Auslegung einer Getriebestufe Schritt für Schritt

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1 Auslegung einer Getriebestufe Schritt für Schritt KISSsoft AG Rosengartenstrasse Bubikon Schweiz Tel: Fax: info@kisssoft.ag Folie WISSEN TEILEN

2 Auslegungsprozess einer Getriebestufe Folie 2

3 Phase I Folie 3

4 Dimensionieren: Grobauslegung Erreichtes Ergebnis durch die Grobauslegung Für ein typisches Beispiel sind das Gewicht kg (a: mm; b: mm) Kostenunterschiede im Bereich von: % (Mit dem gleichen Drehmomentkapazität ) Folie 4

5 Phase II Folie 5

6 Dimensionieren: Makrogeometrie Erreichtes Ergebnis durch die Feinauslegung Für ein typisches Beispiel sind das Drehmoment: Nm % Verluste: % % Micropitting: % usw. (mit gleichem Achsabstand und unveränderter Zahnbreite) Folie 6

7 Phase III: Festlegen der Mikrogeometrie Die letzte Phase in einer Zahnradpaar-Dimensionierung ist die Festlegung der Flanken- und Profilmodifikationen (auch als "Mikrogeometrie" bekannt). Dazu muss festgelegt werden, was das primäre Ziel für die Optimierung ist: Lärm, Lebensdauer, Fressen, Micropitting oder Wirkungsgrad können ausgewählt werden. Die Berechnungsmethode für den Nachweis der durch die Mikrogeometrie erzielten Effekte ist die Kontaktanalyse ("Zahnkontaktanalyse" oder LTCA), welche sehr komplex und zeitaufwendig ist. Leider ist die Interpretation der Ergebnisse der Kontaktanalyse nicht einfach. Alle auf die Gegenräder angewendeten Modifikationen interagieren, so ist die Entscheidung schwierig, welche Modifikationen hinzuzufügen oder zu ändern sind. Folie 7

8 Phase III Folie 8

9 Phase III: Auslegen der Mikrogeometrie Für eine gezielte Dimensionierung der Mikrogeometrie, sollte ein Schrittfür-Schritt-Ansatz verwendet werden: Erst werden die Flankenlinienmodifikation ausgelegt und anschliessend die Profilmodifikation. Um eine gezielte Dimensionierung durchzuführen, wird ein dreistufiges Verfahren vorgeschlagen: Schritt III / 1: Dimensionierung der theoretischen Modifikationen für die Flankenlinie Schritt III / 2: Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen für die Flankenlinien Schritt III / 3: Dimensionierung der Profilmodifikationen Folie 9

10 Schritt III / 1: Festlegen der theoretischen Modifikationen für die Flankenlinie Vorschlag für eine optimale Flankenlinienmodifikation, um eine gleichmässige Lastverteilung für eine einstufige Last zu erhalten (Eingangsgangstufe eines zweistufigen Industriegetriebe) Lastverteilung vor der Auslegung Lastverteilung nach der Auslegung Folie 10

11 Schritt III / 2: Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen für die Flankenlinien Hauptfertigungstoleranzen, welche Auswirkungen auf die Lastverteilung (nach ISO 6336) haben, sind: - f Hb für die Schrägungswinkelabweichung der Zahnräder (f HbT1 + f HbT2 ) - f ma für die Fehlausrichtung der Achsen in der Kontaktebene Nach ISO , Anhang E, ist K Hb fünf Mal zu berechnen: Ohne Toleranz, und dann mit +f Hb & +f ma, +f Hb & -f ma, -f Hb & +f ma, -f Hb & -f ma. Der höchste K Hb - Wert, welcher ermittelt wird, ist in den Tragfähigkeitsberechnungen zu verwenden. Folie 11

12 Schritt III / 2: Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen für die Flankenlinien Wenn kein Know-how vorhanden ist, kann das folgende Verfahren angewendet werden. In der ISO , Anhang B gibt es für die Zahnräder eine Vorschlag für Flankenlinienmodifikation um Verformung zu kompensieren. Die Balligkeit sollte den folgenden Betrag erhalten C b = f HβT (1) Wenn eine solche zusätzliche Modifikation verwendet wird, dann ist die Lastverteilung über die Zahnbreite, wie in Schritt 1 nicht mehr gleichmässig verteilt. Deshalb wird der Breitenlastfaktor K Hb zunehmen. Das Ziel ist, Kantenkontakt bei allen möglichen Kombinationen von Abweichungen zu vermeiden. Folie 12

13 Schritt III / 2: Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen für die Flankenlinien Für alle fünf Kombinationen (0, +f Hb & +f ma, +f Hb & -f ma, -f Hb & +f ma, -f Hb & -f ma ), wird die Linienlastverteilung am Wälzkreisdurchmesser berechnet und auf Kantenkontakt kontrolliert. Resultierende Linienlastverteilung mit unterschiedlichen Werten der Herstellabweichung Folie 13

14 Schritt III / 3: Profilmodifikationen Sind die Modifikation für die Flankenlinie festgelegt, erfolgt der dritte Schritt: Das Festlegen der Profilmodifikationen. Wichtige Parameter, wie Lärm, Verluste, Micropitting, Fressen und Verschleiss können durch die Profilmodifikationen verbessert werden. Daher müssen erst die Auslegungskriterien definiert werden und anschliessend wird die entsprechende Strategie angewendet. Auslegung für eine geringe Geräuschemission Eintrittsstoss: Zahnradpaar im Eingriff mit berechneter Eingriffslinie durch die Kontaktanalyse, zeigt den verlängerten Eingriff am Anfang und Ende des Zahneingriffs. PPTE: Peak-to-Peak Transmission error (max. Unterschied der Drehwegabweichung) Folie 14

15 Schritt III / 3: Korrekturen-Auslegungstool nutzen für optimale Profilmodifikationen Optimierung der Profilmodifikationen in einer von Fall-zu-Fall-Auslegung ist extrem zeitaufwendig und anspruchsvoll. "Analyse der Modifikationsvarianten" Werkzeug: Höhenballigkeit Varianten Vorgabe I: enthält alle Modifikationen, welche nicht verändert werden Vorgabe II: Definition der Modifikationen, welche variiert werden sollen (hier: Höhenballigkeit). Folie 15

16 Schritt III / 3: Nutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen Tabelle mit nummerierten Varianten und ausgewählten Hauptergebnisse Folie 16

17 Schritt III / 3: Nutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen Zwei Diagramme mit den Ergebnissen (PPTE und Wirkungsgrad) von 25 Modifikationsvarianten Rot: Bei 100 Prozent Last; Blau: Bei 75 Prozent Last Folie 17

18 Schritt III / 3: Nutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen Zwei Diagramme mit den Ergebnissen (PPTE und Wirkungsgrad) von 25 Modifikationsvarianten Rot: Bei 100 Prozent Last; Blau: Bei 75 Prozent Last Folie 18

19 Schritt III / 3: Nutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen "Analyse der Modifikationsvarianten" Werkzeug: Kopfrücknahme Varianten Vorgaben I: Enthält alle Modifikationen, die nicht geändert werden. Vorgaben II: Definition von Modifikationen, die variiert werden (hier bogenförmige Kopfrücknahme) Folie 19

20 Schritt III / 3: Benutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen Anzeige von 225 Lösungen, wenn die Parameter (Kopfrücknahme ( Betrag mm") und Länge ("Faktor 1") von einer bogenförmigen Kopfrücknahme variiert werden. Hier: Drehwegabweichung (PPTE) Folie 20

21 Schritt III / 3: Benutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen Anzeige von 225 Lösungen, wenn die Parameter (Kopfrücknahme ( Betrag mm") und Länge ("Faktor 1") von einer bogenförmigen Kopfrücknahme variiert werden. Hier: maximale Hertzsche Pressung Folie 21

22 Schritt III / 3: Benutzen der Korrekturenauslegung zum Finden der optimalen Modifikationen Anzeige von 225 Lösungen, wenn die Parameter (Kopfrücknahme ( Betrag mm") und Länge ("Faktor 1") von einer bogenförmigen Kopfrücknahme variiert werden. Hier: Wirkungsgrad Folie 22

23 Schritt III / 3: Abschluss Ende von Schritt III / 3: - Machen Sie eine erste Auswahl der besten Varianten (Profilmodifikationen ) - Überprüfen Sie die Ergebnisse des Übertragungsverhaltens dieser Varianten - Wählen Sie die beste Gesamtvariante - Überprüfen Sie nochmals Lastverteilung *) Die Methode wurde erfolgreich getestet: Die Zeit, welche ein Konstrukteur verwendet, um eine optimale Modifikationen für beide Stufen eines Getriebes zu erhalten, beträgt 15 Minuten. *) Normalerweise verändert sich die Lastverteilung, wie im Schritt III/2 ermittelt, in der Regel durch die hinzugefügten Profilmodifikationen nicht viel. Folie 23

24 Berücksichtigung der Gehäuse- und/oder Planetensteifigkeit In jedem KISSsys Modell kann die Gehäusesteifigkeit berücksichtigt werden: Eine Steifigkeitsmatrix, ermittelt mit einer FEM-Software, wird importiert. Die sich ergebende Gehäuseverformung an den Lagerstellen werden in einer Ergebnistabelle gezeigt. Die Verformungen sind den Lagern zugeordnet (in der Regel Aussenring) welche in der Wellenberechnung und in der Getriebekontaktanalyse berücksichtigt werden. Verschiebungen Lageraussenring in mm (x, y: horizontal; z: vertikal) Folie 24

25 Zusammenfassung Die Grob-Dimensionierung der Hauptabmessungen (Stufe I), dann die Feinauslegung der Makrogeometrie (Stufe II) und schließlich die Optimierung der Flankenlinie und Profilmodifikationen (Stufe III) ist ein sehr erfolgreiches Verfahren, um das beste Zahnradpaar für eine bestimmte Anwendung zu erhalten. Die letzte Stufe, die Optimierung der Mikromodifikationen ist eine schwierige und zeitraubende Aufgabe. Die Drei-Stufen-Methode hat sich seit ihrer Einführung vor zwei Jahren als sehr erfolgreich erwiesen. Die Auslegung der Modifikationen für ein Industriegetriebe zeigt, dass für ein Getriebe mit parallelen Wellen, einschliesslich der einwirkenden äusseren Kräfte, die Gehäuseverformungen nur einen unwesentlichen Einfluss auf den Zahneingriff der Zahnradpaare hat. Dieses Verfahren kann auch für Windkraftanwendungen, Schiffsübertragungssysteme, oder Hubschrauber verwendet werden, bei dem aufgrund der extremen Belastungsspektren oder hohen Gehäuseverformungen die entsprechenden Modifikationen zu definieren sind. Folie 25