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Open Access
Experimentelle Untersuchung des Abwälzverhaltens von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite
(2022) Marino, Daniel; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg
Zur Übertragung von Drehmoment und Drehzahl in beliebiger Achsanordnung eignen sich bei kleinem Achswinkel bis 30° Beveloidverzahnungen. Besonders die windschiefe Achslage bietet dabei Potenzial, Bauraum und Gewicht aufgrund eines möglichst direkten Leistungsfluss zu realisieren. Beveloidradpaarungen in nicht paralleler Achslage haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund der geneigten Grundzylinder nur ein punktförmiger Kontakt vorliegt. Der auftretende Ease-Off kann ausschließlich durch komplexe Zahnflankenmodifikationen kompensiert werden, um so das Übertragungsverhalten zu verbessern. Zum Überprüfen der Wirksamkeit solcher Modifikation sind simulative Zahnkontaktanalysen unumgänglich. Zusätzlich sind Abwälzversuche erforderlich, um die simulativen Ergebnisse abzusichern. Durch Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite kann ein konjugierter Eingriff angenähert werden, was ein voll ausgebildetes Tragbild mit geringem Drehfehler in Kontaktsimulationen zeigt. In diesem Bericht sollen die vielversprechenden Ergebnisse der Kontaktsimulationen in Abwälzversuchen validiert werden. Zunächst wird mithilfe des Versuchskonzepts das Vorgehen definiert, um die Prüfstandsversuche durchzuführen und die erzielten Ergebnisse am Prüfstand mit den Simulationsergebnissen abzugleichen. Die exemplarisch ausgelegte Prüfverzahnung wird mittels Fünf-Achs-Fräsen gefertigt und kann mit drei Mikrogeometrien am Umfang verteilt ausgeführt werden. Zwei Ansätze zur Definition der Mikrogeometrien werden vorgestellt, mit denen ausgehend vom konjugierten Eingriff eine gezielte Positionierung und Skalierung des Tragbilds möglich ist. Die tatsächliche Zahnflankengeometrie wird topografisch vermessen und kann in Kontaktsimulationen untersucht werden. Der Vergleich zwischen diesen Simulationsergebnissen und den am Prüfstand ermittelten Ergebnissen zeigt beim Tragbild und lastfreien Drehfehlerverlauf eine hohe Übereinstimmung. Der Vergleich zwischen den Prüfstands- und Simulationsergebnissen validiert die analytische Berechnungsmethode zur Auslegung und Optimierung von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite.
Open Access
Geometrische Auslegung und Optimierung der Zahnflankengeometrie von konischen Stirnrädern in beliebiger Achslage
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2022) Marino, Daniel; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wird eine Berechnungsmethode zur Auslegung und Optimierung von Beveloidradpaarungen in beliebiger Achslage hergeleitet. Mit dieser kann durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten ein konjugierter Eingriff angenähert werden. Die Wirksamkeit wird in theoretischen und experimentellen Untersuchungen nachgewiesen. Beveloidräder besitzen aufgrund einer veränderlichen Profilverschiebung entlang der Zahnbreite eine konische Zahnform mit evolventischer Stirnschnittgeometrie. So können Getriebekonzepte mit kleinem Achswinkel umgesetzt werden. Insbesondere eine windschiefe Achslage bietet den Vorteil, dass Konzepte mit optimaler Bauraumnutzung, Gewichts- und Kosteneinsparung ermöglicht werden. Bei nicht paralleler Achslage sind jedoch die Grundzylinder zueinander verkippt und besitzen keine gemeinsame Eingriffsebene. Dies führt zu einem punktförmigen Flankenkontakt an einer Breitenposition. In der Literatur sind zahlreiche Ansätze zur Auslegung der Makro- und Mikrogeometrie von Beveloidradpaarungen zu finden. Nach dem Stand der Technik werden zunächst aus einer äquivalenten Ersatzstirnradverzahnung die Hauptverzahnungsdaten bestimmt. Anschließend erfolgt über die Konuswinkel eine Umrechnung in eine schneidende oder windschiefe Achslage, was im Allgemeinen zu einem außermittigen Punktkontakt auf den Zahnflanken führt. Ausgehend von diesem Punktkontakt sind entweder viele Variantenrechnungen oder spezielle Software erforderlich, um für einen Betriebspunkt ein optimales Übertragungsverhalten zu erzielen. Alternativ kann wie bei Zylinderrädern ein konjugierter Eingriff angenähert und anschließend eine Optimierung für den gewünschten Betriebspunkt durchgeführt werden. Die Anwendbarkeit ist jedoch auf eine schneidende Achslage beschränkt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Berechnungsmethode herzuleiten, die den Getriebeentwickler bei der Auslegung und Optimierung von Beveloidradpaarungen in beliebiger Achslage unterstützt. Neben der theoretischen und experimentellen Untersuchung des Übertragungsverhaltens ausgelegter Beveloidradpaarungen wird deren Herstellbarkeit mit konventionellen Verzahnungsmaschinen durch eine Fertigungssimulation beurteilt und eine Übertragbarkeit auf andere evolventische Verzahnungen geprüft. Die Berechnungsmethode basiert auf einem analytischen Ansatz, so dass diese mit einer beliebigen mathematischen Software umsetzbar ist. In dieser Arbeit wird zur Berechnung ein Matlab-Skript und zur Übergabe der Eingabegrößen und Visualisierung der Ergebnisse die institutseigene Software SimKoS verwendet.
Open Access
Herleitung einer analytischen Optimierungsmethode für Beveloidräder durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten
(2020) Marino, Daniel; Bachmann, Matthias; Binz, Hansgeorg
Bei schneidend oder windschief angeordneter An- und Abtriebswelle (kleine Achswinkel bis 30°) bieten Beveloidverzahnungen, auch konische Verzahnungen genannt, eine Möglichkeit, Bauraum und Gewicht einzusparen. Aufgrund der zueinander geneigten Grundzylinder liegt jedoch keine gemeinsame Eingriffsebene vor, weshalb Beveloidradpaarungen im Allgemeinen nur punktförmig an einer Breitenposition der Zahnflanke abwälzen. Dieser punktförmige Kontakt führt bei nicht modifizierten Beveloidradpaarungen zu hohen lokalen Flankenpressungen. Um wie bei Zylinderrädern einen konjugierten, linienartigen Eingriff zu erzielen, sind bei Beveloidrädern derzeit komplexe, iterative Modifikationen der Flankenfeingeometrie notwendig. Daher wird in diesem Bericht ein analytischer Ansatz hergeleitet, der eine Bestimmung der modifizierten Flankenfeingeometrie für Beveloidräder in beliebiger Achslage ermöglicht. Grundlage dieses Optimierungsansatzes ist die stirnschnittweise Anpassung der Verzahnungsdaten, sodass ein konjugierter Eingriff erzielt wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass eine zusätzliche tangentiale Modifikation die korrekte Position der Stirnschnitte entlang der Zahnbreite gewährleistet. Hierzu wird ein analytischer Ansatz basierend auf dem Verzahnungsgesetz verwendet, welcher die evolventische Zahnform im Stirnschnitt nicht verändert. Die Wirksamkeit der Modifikation wird mit lastfreien Kontaktsimulationen für drei exemplarisch modifizierte Beveloidradpaarungen gezeigt. Das Tragbild ist wie beim konjugierten Eingriff voll ausgebildet und der Drehfehler ist vergleichbar gering zu nicht modifizierten Beveloidrädern.