Anforderungen an die Feinbearbeitung von morgen

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1 Anforderungen an die Feinbearbeitung von morgen Autor und Referent: Dipl.-Ing. Markus Brumm Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren/ Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher WZL der RWTH Aachen Seminar Feinbearbeitung von Zahnrädern Aachen, 9./10. November 2011 Agenda 1 Einleitung 2 Anforderung an zukünftige Getriebe 3 Kostenreduktion durch fertigungsgerechte Konstruktion 4 Zusammenfassung und Ausblick Seite 2

2 Herausforderung an die Zahnradfeinbearbeitung Anforderungen an das Zahnrad im Gesamtsystem Gesetzgebung, Gesellschaft, Wettbewerb Konstruktion/Gestalt des Gesamtsystems Resourcenschonung Akustik, Kosten, Effizienz, Lebensdauer Zugänglichkeit, Steifigkeit, Trägheit, Korrekturen Restriktionen durch Fertigungsfolge und Konstruktion Anwendungsgerechte Konstruktion = Fertigungsgerechte Konst.? Fertigungsfolge/ Prozesskette Maschinenpark / Kompetenz/ Erfahrung Einsatzverhalten Erfüllung der Toleranz Korrekturen resultieren aus Einsatzsituation Fertigungssimulation? Aufmaß, Verzüge Qualität vor der Bearbeitung Werkstoff Erfahrung Know How Werkzeuge Flexibilität Resultiert aus Auslegung und Fertigungsverfahren Seite 3 Agenda 1 Einleitung 2 Anforderung an zukünftige Getriebe 3 Kostenreduktion durch fertigungsgerechte Konstruktion 4 Zusammenfassung und Ausblick Seite 4

3 Kostendruck bei einer Branche mit Zugkraft 2,5 0,6 Produzierte Zahnradgetriebe [Mrd. ] 2,0 1,5 1,0 0,5 Planetengetriebe Stirnradgetriebe Kegelradgetriebe 0 `01 `05 `10 Jahr Produzierte Zahnräder [Mrd. ] 0,4 0,2 Stirnräder Andere Zahnräder Kegelräder 0 Schnecken `01 `05 `10 Jahr Quelle: Statistisches Bundesamt, Stand: 2011 Seite 5 Kostendruck durch Überkapazität Entwicklung der Überkapazität Marktanteil der Pioniere schrumpft Windenergieanlagen mit Getriebe müssen wirtschaftlich sein! Die Feinbearbeitung von Verzahnungen muss zu einer hohen Verfügbarkeit bei geringen Fertigungskosten führen. Quelle: Roland Berger From Pioneer to Mainstream Seite 6

4 Kostenreduktion durch gesteigerte Verfügbarkeit bei zunehmender Belastung Getriebelose Bauform Teilintegrierte Bauform Leistungssteigerung führt zu steigenden Rotordurchmessern, sinkender Drehzahl und hohen Momenten Quelle: Seite 7 Resourcenschonung durch asymmetrische Verzahnungen Eine Herausforderung für die Technologie? Anwendungsbeispiel Beispielverzahnung mit n, Zug / n, Druck = 45 /17 E C A Quellen: VW, NORDEX, DEMAG Kombination der Vorteile... s K,res F bn s 30 d r min d b, klein d b, groß Fragestellung: Prozessdynamik (Einfluss der Kontaktfolge) Eingriffsverhältnisse (Schleifbrandgefahr?) Verzahnungskorrekturen (Bsp. Verschränkung)... Seite 8

5 Anforderungen an die Akustik durch sinkende Pegel Gesetzgebung Komfortmerkmal & Kundenakzeptanz Grenzwertentwicklung Vorbeifahrgeräuschpegel [db(a)] Jahr Vorbeifahrtmessung: Seit 1980 wurde eine deutliche Minderung der Geräuschemissionen erreicht Quelle: [VDA07] Pkw Nfz Akustikniveau: Schalldruckpegel [db(a)] Luxus-Klasse 1975 Kompakt-Klasse Jahr der Markteinführung Haupteinflussgrößen: Motor Reifen Wind Nebenaggregate Antriebsstrang... Ständig sinkender Gesamtpegel im Fahrzeuginnenraum Getriebegeräusche treten trotz ihres teilweise niedrigen Pegels in den Vordergrund und werden als störend empfunden. Quelle: [BRAE05] Konst. 100 kmh -1 Seite 9 Anforderungen an die Akustik durch steigende Drehzahlen Hochdrehzahlanwendungen im Elektrofahrzeug Motorgewicht [skaliert] Motorgewicht [kg] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,5 25,0 Maximaldrehzahl [10 3 /min] Nennmoment [Nm] Quelle: Klostermann 2009 Hochdrehzahlanwendungen bei Verbrennungm. Leistungssteigerung durch Hochdrehzahl Höhere Motordrehzahlen stellen erhöhte Anforderungen an die Haltbarkeit der Aggregate Formel 1: Motordrehzahl min -1, Kolbengeschw. 25 m/s BMW M6: 6100 min -1 Drehzahlbasierte Leistungssteigerung ermöglicht leichtere Gestaltung des Antriebsstrangs Bessere Beschleunigungswerte durch geringere Trägheiten Seite 10

6 Agenda 1 Einleitung 2 Anforderung an zukünftige Getriebe 3 Kostenreduktion durch fertigungsgerechte Konstruktion 4 Zusammenfassung und Ausblick Seite 11 Restriktion Verzahnungsauslegung hat einen entscheidenden Einfluss auf die Ausschussrate Verzahnungsauslegung Verformung Welle/Lager Fertigungs- und Montageeinfluss Geräuschverhalten des Getriebes im System Optimale Korrektur Fertigungsstreuung/- kinematik Qualitätskennwert Gehäusegeometrie Lagervorspannung Noise Vibration & Harshness Test Rating Not Acceptable Evaluation Borderline Acceptable Eine robuste Auslegung ist erforderlich Seite 12

7 Restriktion derzeit keine Fertigungssimulation der der Verzahnungsauslegung Analyse des Verzahnungsumfelds Analyse der Gehäuse-, Lagerund Wellenverformung Zahnkontaktanalyse Ease-Off Drehfehlerverläufe Toleranzfeldanalyse durch Variationsrechungen f Hα Tragbild Steifigkeitsverlauf f Hβ Tragbildanalyse unter Last Analytische Berechnung der Wellenverformung Lagersteifigkeit Abbildung des Gehäuses mit FEM Verformungsmessung Berücksichtigung des Umfelds Optimierung der Lastverteilung Reduzierung der Verzahnungsanregung Modell des Zahneingriffs Abweichung von der Realität möglich (Strukturen nicht abbildbar) Variation von Verzahnungsgrößen, Verformungen Große Anzahl an Simulationsrechnungen erfordert objektive Auswertung Analyse von Wechselwirkungen Fertigungskinematik nicht berücksichtigt Derzeit keine direkte Kopplung mit der Fertigungsplanung Seite 13 Erfolgreiche Integration der Fertigungssimulation in den Auslegungsprozess einer Beveloidverzahnung Grundvariante Verzahnungsdaten m = 2,5 mm θ = 7,2 b 1 = 35 mm z 1 = 31 β = 24,7 Gitterauflösung: 45x45 8-knotige Hexaederelemente Grenzwinkel: 62 Konstante, hinreichend gute Netzqualität max. Jacobiverhältnis min. Jacobiverhältnis Auslegung von Beveloidradpaarungen α r b θ κ β Fertigungssimulation GearGenerator Untersuchung des Einsatzverhaltens Zahnkontaktanalyse ZaKo3D Seite 14

8 Herausforderung bei der Bewertung von Oberflächenstrukturen feinbearbeiteter Zahnflanken M 1 = 625 N Ausgangszustand Fertigfräsen Verzahnungshonen kont. Wälzschleifen z [μm] wälzgeschliffen gehont z 2 mm 2 mm N L = 10 Mio. N L = 0 Seite 15 Herausforderung bei der Tolerierung von Bearbeitungsspuren Einfluss auf Tragfähigkeit und Akustik Oberlächenstrukturen haben einen Einfluss auf die Anregung A B C w w w Profilmessschriebe Beispiel VDI 2607 V gleit V gleit V gleit Berührlinie λ fα D E F w w w L α V gleit V gleit V gleit f wα Neue Kennwerte erfordern ebenso neue Strategien zur Kompensation von Verzahnungsabweichungen Quelle: Kotthaus und Stadfeld Quelle: VDI 2607 Seite 16

9 Beschreibbare Flankenabweichungen und -korrekturen Profilwinkel f Hα Kopfrücknahme c a, d ca Profilballigkeit c α Verschränkung (Twist) c Vβ Diagonalrücknahme E A a b f Flankenlinienwinkel f Hβ Endrücknahme b e, l e Breitenballigkeit c β Fußrücknahme c f, d cf Topologische Korrektur E A Nicht alle Verzahnungskorrekturen sind sinnvoll bzw. in der Serie wirtschaftlich und reproduzierbar! Seite 17 Zukünftige Gestaltung der Prozesskette für die Hartfeinbearbeitung von Großverzahnungen Ausgangssituation Wälzschleifen Profilschleifen Kosten 2) : 110 /Stk. Schleifzeit 1) : 16:50 min Kosten 2) : 080 /Stk. Schleifzeit 1) : 21:20 min Die zunehmende Serienproduktion von Großverzahnungen erfordert eine Optimierung bestehender Prozessketten. Problemstellung Wie sollen Prozessketten in Zukunft gestaltet werden? Welches ist das für ein Bauteil(spektrum) wirtschaftlichste, geeigneteste Feinbearbeitungsverfahren? Lohnt immer die Investition in neue Verfahren? Kann durch eine Optimierung der Betriebsabläufe/Nebenzeit der gleiche Effekt erzielt werden? Lösungsansatz Ein objektiver Verfahrensvergleich für eine individuelle Entscheidung Bildquelle: NILES Werkzeugmaschinen GmbH 1) ohne anteilige Abricht- und Rüstzeiten 2) Angenommene Kostenfaktoren vgl. FVA647 Seite 18

10 Agenda 1 Einleitung 2 Anforderung an zukünftige Getriebe 3 Kostenreduktion durch fertigungsgerechte Konstruktion 4 Zusammenfassung und Ausblick Seite 19 Zusammenfassung Zusammenfassung Trend zu hohen Drehzahlen führt zu steigenden Anforderungen an Oberflächen der Verzahnung Der Kostendruck bei Windkraftgetrieben steigt Nur durch eine robuste Verzahnungsauslegung kann die Fehlerrate bei der Hartfeinbearbeitung signifikant verbessert werden Fertigungsplanung und Konstruktion müssen Hand in Hand arbeiten - Viele Zahnflankenmodifikationen sind Kostentreiber und nicht sinnvoll Seite 20

11 Forschungsbedarf aus Sicht der WZL Getriebeabteilung Entwicklung von funktionsbasierten Geometriekennwerten zur Tolerierung der Fertigungsqualität Kennwerte zur Tolerierung der Fertigungsqualität Effiziente Prozesse beim Einrichten von Fertigungsprozessen für Großbauteile Berechnungsmethode zur Beschreibung des Einflusses von Schleifkerben auf die Bauteilbeanspruchung Berücksichtigung von Fertigungseinflüssen in den Konstruktionsprozess Einfluss von asymmetrischen Zahnprofilen auf die Technologieparameter beim Verzahnungsschleifen Seite 21 Agenda 1 Einleitung 2 Anforderung an zukünftige Getriebe 3 Kostenreduktion durch fertigungsgerechte Konstruktion 4 Zusammenfassung und Ausblick Seite 22

12 Backup Seite 23