Browsing by Author "Alxneit, Heiko"

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    Optimierung des Übertragungsverhaltens konischer Außenstirnräder mit kreuzenden Achsen
    (2010) Alxneit, Heiko; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
    Die vorliegende Arbeit befasst sich mit konischen Stirnrädern in Getrieben mit kleinem Achsenkreuzungswinkel im lastfreien Zustand. Hierzu wurden ein Ansatz zur ganzheitlichen Optimierung konischer Stirnräder erarbeitet, grundlegende Untersuchungen zum Übertragungsverhalten angestellt sowie in einer Optimierung des Übertragungsverhaltens der Übertragungsfehler unter Berücksichtigung der Tragbilder reduziert. Die dazu notwendigen Simulationswerkzeuge wurden ebenso wie die Prüfvorrichtungen zur Verifikation der Simulationsergebnisse erarbeitet. Für die ganzheitliche Optimierung konischer Stirnräder in Getrieben mit kleinem Achsenkreuzungswinkel wird eine Optimierungsmethodik erarbeitet. Dabei wird davon ausgegangen, dass Analogien zur Optimierung zylindrischer Stirnräder unter Last auch bei konischen Stirnrädern verwendet werden können. Dazu müssen konische Stirnräder im lastfreien Zustand auf konstantes Übertragungsverhältnis sowie Linienberührung hin optimiert werden. Da der Übertragungsfehler wesentlich komplexer zu beeinflussen ist als die Kontaktgeometrie, soll dieser zuerst reduziert werden.Da kein Werkzeug verfügbar ist, das alle Funktionalitäten zur Optimierung des Zahneingriffs konischer Stirnräder im lastfreien Zustand beinhaltet, wurde das Simulationsprogramm SimKoS entwickelt, welches Preprocessing, Solver und Postprocessing enthält. Um den Einfluss einzelner Parameter auf das Übertragungsverhalten zu untersuchen, werden Parameterstudien durchgeführt. Die Ergebnisse aus der Kontaktsimulation zeigen bei m, b/d, z1, und i keine Veränderung, weder bezüglich des maximalen Übertragungsfehlers noch bezüglich der Tragbilder. Mit steigendem Schrägungswinkel oder Achsenkreuzungswinkel nimmt auch der Übertragungsfehler zu. Unabhängig von der Wahl anderer Verzahnungsparameter existiert ein Minimum des maximalen Übertragungsfehlers bei der Schubflanke bei einer Aufteilung der Profilverschiebungswinkel 0,4 bzw. bei der Zugflanke bei 0,6. Bei Paarungen mit jeweils einem Stirnrad wird der maximale Übertragungsfehler maximal. Die Variation des Profilverschiebungskoeffizienten und des Schrägungswinkelkoeffizienten beeinflusst den maximalen Übertragungsfehler beider Flanken gegenteilig, weshalb nur bei einer Lastrichtung eine Reduktion des Übertragungsfehlers zu verzeichnen ist. Die mehrdimensionalen Parameterstudien zeigen, dass die Wechselwirkungen der Parameter Schrägungswinkel, Achsenkreuzungswinkel und Aufteilung der Profilverschiebungswinkel stark ausgeprägt sind. Ein Vergleich der Wechselwirkungen der vollständigen Simulation mit Modellen der statistischen Versuchsplanung mit quadratischem oder kubischem Ansatz zeigt deutlich, dass ein Regressionspolynom nicht die komplexen Zusammenhänge der gegenseitigen Beeinflussung der Parameter darstellen kann. Auf Basis der vollständigen Simulation der drei Parameter wurden Nomogramme für die Schub- und Zugflanke erstellt, die die mehrdimensionalen Funktionen in den untersuchten Wertebereichen abbilden und präzise Vorhersagen bezüglich des Übertragungsfehlers ermöglichen. Es wird die Vorgehensweise bei der Erstellung von Korrekturgeometrien und deren Wirksamkeit vorgestellt. Aufbauend auf einer Korrektur mittels Änderung von Verzahnungsparametern erweist sich die Aufsummierung von Korrekturen, beginnend mit einer einfachen Ebene über Wölbungen bis hin zu komplexen Sattelflächen, als zielführend. Bei den Beispielverzahnungen beträgt die Reduktion des Übertragungsfehlers durchweg mehr als 90% bei gleichzeitiger Verbesserung des Tragbilds. Eine Variation der Aufteilung der Profilverschiebungswinkel erfordert für jede Zahnradpaarung einen eigenen Korrekturprozess, der sich bei Paarungen mit einem Stirnrad am aufwändigsten gestaltet. Bei der Variation des Modul kann eine einmal erstellte Korrekturgeometrie nach proportionaler Anpassung der Korrekturwerte auch auf andere Varianten übertragen werden. Für die Validierung der Simulationsergebnisse werden die dafür verwendeten Versuchsaufbauten beschrieben. Der für die Messung des Übertragungsfehlers konischer Stirnräder entwickelte Prüfstand zeichnet sich durch seine hohe Genauigkeit beim Positionieren der beiden im Eingriff befindlichen Zahnräder sowie seine Variabilität für Untersuchungen von Zahnradpaarungen unterschiedlichster Geometrien aus. Zwei hochauflösende Winkelsensoren erfassen die Drehwinkel der rotierenden Zahnräder. Zum Schluss erfolgt die Verifikation der Ergebnisse aus der Kontaktsimulation mit Ergebnissen aus der Kontaktanalyse realer Zahnräder. Die Flankengeometrie der dazu verwendeten Zahnräder wird auf einer 3D-Messmaschine vermessen, und die Messdaten werden in ein für die Kontaktsimulation geeignetes Format konvertiert. Die rechnerisch mittels Korrelationskoeffizienten ermittelte Übereinstimmung des Übertragungsfehlers von 0,93, der visuelle Vergleich des Übertragungsfehlerverlaufs sowie nahezu identische Kontaktstellen der Tragbilder belegen die Verifikation der Simulationsergebnisse.