Funktionsorientierte Auslegung topologischer Zahnflankenmodifikationen für Beveloidverzahnungen

• Function-oriented design of topological tooth flank modifications for beveloid gears

Brimmers, Jens; Brecher, Christian (Thesis advisor); Bergs, Thomas (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : Apprimus Verlag (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: Ergebnisse aus der Produktionstechnik 37/2020
Seite(n)/Artikel-Nr.: IX, 151 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur funktionsorientierten Auslegung von topologischen Zahnflankenmodifikationen für Beveloidverzahnungen. Dabei wird insbesondere die Analyse der Herstellbarkeit der topologischen Zahnflankenmodifikationen in die Auslegungsmethode integriert. Diese Analyse basiert auf einer Herstellsimulation mit Abrichtsimulation zur Abbildung des Diagonalwälzschleifprozesses. Das Ergebnis dieser Herstellsimulation stellt die dreidimensionale Beschreibung er Zahnlücke dar, welche anschließend als Eingangsgröße für eine FE-basierte Zahnkontaktanalyse verwendet wird. Mit deren Hilfe wird das Einsatzverhalten unter Last ermittelt. Über eine Optimierungsmethode werden diese beiden Simulationen verknüpft und eine topologische Zahnflankenmodifikation ermittelt, welche herstellbar ist, eine Robustheit gegenüber Abweichungen von der Soll-Topografie aufweist, und das Einsatzverhalten der Beveloidverzahnung verbessert. Die Optimierungsmethode wird durch die Nutzung von Metamodellierungskonzepten beschleunigt, sodass eine bessere Abdeckung des Parameterraumes und damit eine zeiteffiziente Ermittlung des globalen Optimums ermöglicht wird. Im ersten Schritt werden geeignete Methoden zur geometrischen Beschreibung der topologischen Zahnflankenmodifikationen entwickelt. Dabei werden Beschreibungen auf Basis eines zweidimensionalen Polynoms sowie auf Basis von Spline-Funktionen, welche über einem Stützgitter definiert sind, erarbeitet. Im zweiten Schritt wird die Herstellsimulation um eine Abrichtsimulation und eine höherwertige Abbildung der Prozesskinematik erweitert. In der Abrichtsimulation können neben Form- auch Profilrollen für das Abrichten der Schleifschnecke verwendet werden. Die Herstellsimulation wird sowohl auf Beveloidverzahnungen als auch auf Stirnradverzahnungen erfolgreich angewendet. Die Herstellsimulation wird anhand von Schleifversuchen an einer Schrägverzahnung validiert. Der Vergleich zwischen Simulation und Versuch zeigt sowohl qualitativ als auch quantitativ sehr gute Übereinstimmungen. Der dritte Schritt befasst sich mit der Anwendung der Auslegungsmethode. Dazu wird zunächst das Potenzial von topologischen Zahnflankenmodifikationen zur Verbesserung des Einsatzverhaltens von Beveloidverzahnungen simulativ mit einer FE-basierten Zahnkontaktanalyse analysiert. Anschließend werde eine geeignete Prüfverzahnung ausgelegt und drei verschiedene Varianten einer Mikrogeometrie ermittelt. Die topologische Zahnflankenmodifikation weist das geringste Anregungsverhalten auf. Zudem berücksichtigt die Auslegung die Sensitivität gegenüber Fertigungsabweichungen. Im Anschluss werden die Verzahnungen mittels Fünfachsfräsprozess gefertigt. Der Vergleich der Drehfehlerverläufe und der Tragbildvergleich zeigen eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Versuch. Mit der in dieser Arbeit entwickelten Methode, die sowohl auf Beveloid als auch auf Stirnradverzahnungen angewendet werden kann, steht somit ein validierter Ansatz zur Auslegung von topologischen Zahnflankenmodifikationen zur Verfügung. Insbesondere der Ansatz der Sensitivitätsbetrachtung gegenüber Fertigungsabweichungen stellt eine Neuheit gegenüber bestehenden Auslegungsmethoden dar.

Einrichtungen

• Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen [417200]
• Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen [417310]