Beitrag zur Gestaltung von Leichtbau-Getriebegehäusen und deren Abdichtung

Abstract

Der bisher verfolgte Ansatz zur Gewichtseinsparung bei Getrieben ist der Materialleichtbau. Dieser stößt allerdings an seine Grenzen. Als Alternative bietet sich der Strukturleichtbau an. Grundgedanke bei Getriebegehäusen ist dabei die Trennung der Funktionen "Kräfte Aufnehmen" und "Abdichten". Nur die Lastpfade sollen als massive Streben ausgeführt werden. Das so entstehende Skelettgehäuse weist also keine geschlossene Form mehr auf, sondern die entstehenden Löcher oder Fehlstellen müssen durch geeignete Maßnahmen abgedichtet werden. Das Ziel dieser Arbeit war die Abschätzung des Leichtbaupotentials zweier Getriebegehäuse in Skelettausführung sowie die Untersuchung und Entwicklung geeigneter Abdichtmaßnahmen für die sich ergebenden Gehäusefehlstellen.

Die Optimierung der Gehäuse erfolgte auf zwei grundsätzlich verschiedene Arten. Einerseits wurde ein Gehäusedeckel intuitiv optimiert. Andererseits wurden derselbe Gehäusedeckel sowie ein komplettes Getriebegehäuse iterativ optimiert. Bei der intuitiven Optimierung wurden erst einzelne Gehäuse-Segmente getrennt betrachtet. Es wurden für jedes Segment mehrere Varianten entwickelt. Basierend auf diesen „Bausteinen“ wurde dann ein kompletter Gehäusedeckel aufgebaut. Es konnte eine Gewichtsersparnis von 26% erreicht werden, allerdings bei deutlich erhöhten Verschiebungen der Wellenlagerungen. Außerdem zeigte sich, dass die Vielzahl der manuellen Schritte der intuitiven Optimierung sehr zeitaufwendig ist. Daraus folgt, dass die intuitive Optimierung kein geeignetes Verfahren zur Gewichtsoptimierung von Getriebegehäuse ist. Die iterative Optimierung zeigte demgegenüber den Vorteil, dass die meisten Schritte automatisiert erfolgen können. Mit einer kommerziellen Optimierungssoftware wurden eine Vielzahl von Topologieoptimierungsrechnungen durchgeführt. Basierend auf dem besten Optimierungsergebnis wurde der Entwurf eines Skelettgehäusesdeckels erstellt. Dieser wurde im Anschluss noch einer Shapeoptimierung unterworfen. Das hierbei resultierende Skelettgehäuse wies eine um 28% reduzierte Masse auf. Die aufgetretenen Spannungen lagen alle weit unterhalb der Steckgrenze des verwendeten Werkstoffs. Die Verschiebungen der Lagerstellen der Wellen waren teilweise höher als beim Originalgehäuse, aber noch im tolerierbaren Bereich. Insgesamt zeigte sich, dass konventionelle Getriebegehäuse sehr ausgereifte Konstruktionen sind, die aufgrund der komplexen Belastungen in verschiedenen Fahrzuständen nur ein sehr begrenztes Optimierungspotential aufweisen. Unter Berücksichtigung des zusätzlichen Gewichts für die Abdichtung der Gehäusefehlstellen scheint eine Gewichtsreduktion von 10% – 20% für Skelettgehäuse im Vergleich zu konventionellen Gehäusen möglich. Zur experimentellen Absicherung der Simulationsrechnungen wurden Rapid-Prototyping-Modelle hergestellt. Diese Modelle wurden unter Last vermessen und mit simulierten Verschiebungen abgeglichen. Es zeigte sich, dass schichtweise aufgebaute Kunststoffmodelle zur experimentellen Absicherung nicht geeignet sind. Es muss auf Modelle mit orthotropen Materialeigenschaften wie z.B. gegossene Metallmodelle zurückgegriffen werden.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden Abdichtmöglichkeiten für Skelettgehäuse untersucht. Die Abdichtung der Trennstellen von Getriebegehäusen erfolgt heutzutage meist durch Flüssigdichtmittel. Dabei muss immer eine bestimmte Mindestpressung am Flansch vorhanden sein muss. Bei Space-Frame-Gehäusen stellt sich jedoch aufgrund der Fehlstellen in Flanschnähe eine sehr inhomogene Pressungsverteilung ein. Deshalb wurde versucht, die ungleiche Pressungsverteilung durch optimierte Metallsickendichtungen auszugleichen. Es konnte gezeigt werden, dass durch eine lokale Anpassung der Sickengeometrie der Pressungsverlauf im Flansch deutlich verbessert werden kann. Hier sind noch weitere Untersuchungen nötig, um einen analytischen Weg von den Flanscheigenschaften zur optimalen Dichtung zu beschreiben. Bei der Konstruktion eines Space-Frame-Gehäuses stellt sich auch ein grundsätzlich neues Problem. Die bei dieser Bauweise bewusst eingebrachten Löcher bzw. Fehlstellen müssen durch geeignete Maßnahmen abgedichtet werden. Aus diesem Grund wurde als systematischer Ansatz die morphologische Methode nach Zwicky gewählt, um die am meisten Erfolg versprechenden Dichtprinzipien zu identifizieren. Unter Berücksichtigung der beiden wichtigsten Bewertungskriterien Kosten und Zuverlässigkeit zeichnen sich für eine Serienproduktion lediglich zwei Möglichkeiten ab: das Eingießen von dünnen Blechen während des Gießens des Gehäuses, sowie das Umspritzen des kompletten Bauteils mit faserverstärktem Kunststoff. Alle anderen denkbaren Abdichtungen stellen sich bei näherer Betrachtung als zu teuer bzw. zu aufwendig heraus. In weiteren Untersuchungen in Zukunft muss die Realisierbarkeit der identifizierten Abdichtmöglichkeiten für die Serienfertigung nachgewiesen werden.

Until now lightweight design of transmissions meant the use of lightweight materials. This however has its limits. A suitable alternative can be lightweight design related to structure. The basic idea with transmission housings is to separate the structural function of the housing and the containment of the transmission fluid. Only the direct connections between the shaft bearings and the parting plane of the housing are to be made as solid beams. This leads to a “skeleton” or “space-frame” housing that is no longer completely closed, but shows holes around the circumference that need to be sealed by suitable means. The goal of this paper was to assess the weight reduction potential of two space frame transmission housings and to develop suitable means of sealing for the holes in the housing.

The optimisation of the transmission housings was done in two different ways. On the one hand a housing cover was optimized intuitively. On the other hand the same housing cover and a complete housing were optimized by means of mathematical algorithms. The first step of the intuitive optimization was to analyze different segments of the housing separately. For each segment several design versions were generated. Based on these building blocks a full housing cover was built. The resulting housing cover is 26% lighter than the original, although the displacements of the shaft bearings are significantly higher. Furthermore, it became evident that the large number of manual steps during the optimization is very time-consuming. As a result it can be said that the intuitive optimization is not a suitable method to optimize transmission housings. The advantage of the mathematical optimization is that most of the steps can be automated. After a multitude of simulations with a commercial optimization package, a new space frame housing was designed based on the best optimization results. After the design of the space frame housing a shape optimization was conducted and local optimizations were implemented. The resulting housing was 28% lighter than the original. The stresses were all far below the yield stress of the material. The displacements were higher than with the original housing but still in a tolerable range. Summing up, it can be said that conventional transmission housings are very technically matured components that, due to the complex load cases, only show very limited optimization potential. Bearing in mind the necessary sealings for the holes of space frame housings, a weight reduction potential of 10% – 20% for a space-frame housing in comparison to a conventional housing seems realistic. To validate the simulations, experiments with rapid prototyping models were conducted. These models were subjected to load and were compared to simulated deformations. In summary it could be shown that the experimental validation of space-frame housings cannot be done with plastic prototypes that are build up in layers. Orthotropic models, like investment-casting prototypes are needed to get sufficient accuracy.

The second part of this paper deals with possibilities to seal the holes of space frame housings. The parting plane of transmission housing nowadays usually is sealed with fluid sealings. The drawback is that a minimum pressure is always necessary everywhere around the flange for the sealing to be leak tight. With space frame housings, the pressure distribution around the flange is highly inhomogeneous, due to the possible holes in the housing close to the flange area. To solve this problem, an analysis was done to investigate if the uneven pressure distribution could be countered with optimized metal bead gaskets. It could be shown that through local modifications of the gasket the pressure distribution can be significantly enhanced and made much more even. Further investigations are necessary to describe an analytical method to find the optimum bead shape based on the given pressure distribution. A completely new challenge with space frame housings is the sealing of the holes in the housing. For this reason, the morphological method developed by Zwicky was used as a systematically approach to identify the most promising sealing principles. Under consideration of the two most important factors, cost and reliability, only two suitable options for a serial prodution remain: to insert thin sheet metal parts into the casting mould and to enclose them during injection moulding, or to completely enclose the space frame housing in reinforced plastic by injection moulding. Further studies have to show if the identified sealing principles are suitable for series applications.