Kernkompetenz
Lokale Festigkeits- und Wirkungsgradanalyse

 

Die Standardvorgehensweise zur Tragfähigkeitsberechnung von Zahnrädern wird in der ISO 6336 beschrieben. Das Verfahren stellt eine vergleichsweise schnelle Vorgehensweise zur Berechnung bereit, da analytische Gleichungen verwendet werden. Verschiedene Einflüsse, wie beispielsweise geometrische Randbedingungen und Materialeigenschaften, werden durch Kennzahlen, sogenannte Einflussfaktoren, berücksichtigt. Eine Berücksichtigung des Wirkungsgrades ist bei dieser Vorgehensweise nicht vorgesehen.

Hohe Anforderungen an die Leistungsdichte und den Wirkungsgrad moderner Getriebe erfordern jedoch eine präzise Berechnung der Zahnradtragfähigkeit und Reibung, um eine wirtschaftliche Auslegung von Zahnrädern zu gewährleisten. Deswegen stellt die Entwicklung, Erweiterung und Validierung von lokalen Verfahren zur Berechnung der Zahnradtragfähigkeit und des Wirkungsgrades einen Schwerpunkt der Forschungsarbeiten der Getriebeabteilung am WZL der RWTH Aachen dar. Grundlage der Berechnungsmethoden sind am WZL entwickelte FE-basierte Zahnkontaktanalyseprogramme, welche die lokalen Steifigkeitseinflüsse und Kontaktbedingungen umfangreich und rechenzeiteffizient berücksichtigen können.

Die Auslegung und Gestaltung von Zahnrädern ist vielfältig und äußerst komplex. Insbesondere Einflüsse auf die Zahnradtragfähigkeit, welche z.B. aus Fertigungsabweichungen, verfahrensbedingten Oberflächenstrukturen, Veredelungsmaßnahmen wie z.B. PVD-Beschichtungen oder Kugelstrahlprozessen oder aus einer lastbedingten Verformung des Gesamtgetriebes resultieren, sind im Vorfeld bei der Getriebeauslegung schwer zu berücksichtigen. Auch stellt die Berücksichtigung von Wärmebehandlungsverfahren und den damit verbundenen lokalen Werkstoffeigenschaften eine große Herausforderung dar. Weiterhin muss während der Auslegung von Zahnrädern oft gegensätzlichen Zielgrößen wie z.B. Tragfähigkeit, Gewicht und Wirkungsgrad begegnet werden.

Ebenso komplex wie die Auslegung von Zahnrädern ist in vielen Fällen die Ursachensuche beim Auftreten unerwünschter Schäden oder Veränderungen im Einsatzverhalten einer Verzahnung während der Betriebszeit. Hier gilt es, mit Hilfe geeigneter Werkzeuge möglichst schnell und zielgerichtet die ursächlichen Wirkmechanismen für den spezifischen Schadensfall oder eine unerwartet hohe Wärmeentwicklung zu identifizieren und Gegenmaßnahmen abzuleiten, um hohe Ausfallkosten zu verhindern.
Die am WZL entwickelten Werkzeuge zur Bestimmung der lokalen Zahnradtragfähigkeit werden in Forschungsvorhaben stetig weiterentwickelt und an Versuchsreihen und Einsatzfällen aus der Praxis validiert. Sie ermöglichen eine möglichst umfassende Analyse und Auslegung von Zahnradpaarungen mit dem Ziel einer auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmten Zahnflanken und Zahnfußtragfähigkeit. Auf diese Art kann unterschiedlichen Zielsetzungen begegnet werden, sei es eine möglichst hohe Tragfähigkeit, oder ein möglichst hoher Wirkungsgrad einer Zahnradstufe.

Bei der Ursachenanalyse von Zahnradschäden bieten lokale Tragfähigkeits- und Wirkungsgradanalysen ein großes Potenzial, um schnell die ursächlichen Wirkmechanismen zu verstehen und kurzfristig Abhilfemaßnahmen einzuleiten. Ebenso können langfristige Maßnahmen zur Optimierung der kritischen Zahnradstufe zielgerichtet abgeleitet werden.

Das Ziel: Individuelle Lösungen
- Wissensbasierte, umfassende Unterstützung bei der Auslegung von Zahnrädern hinsichtlich Tragfähigkeit und Wirkungsgrad unter Berücksichtigung lokaler Einflussgrößen
- Verknüpfung der Zahnradauslegung mit der Prozessauslegung der Zahnradfertigung
- Schadens- und Ursachenanalyse von Zahnradschäden sowie direktes Ableiten von Abhilfe- und Optimierungsmaßnahmen
- Leistungsdichteoptimierung unter Nutzung lokaler Tragfähigkeitsberechnungsansätze und Tribokontaktsimulationsmodellen




 

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