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antriebstechnik 12/2016

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Lastaufbringung wird

Lastaufbringung wird konstruktiv bei den verschiedenen Prüfstandsausführungen zum einem mit hydraulischen Aktoren [SCHM85, BAGH15, LÖPE15] oder durch mechanische Bauelemente (Hebel mit Gewichten oder Federn) [STÖß71, DOWS77, MAYE14] realisiert. Bei der Umsetzung der Wälzbewegung ist grundsätzlich zwischen dem Konzept mit einer Antriebseinheit in Kombination mit einem Übertragungsgetriebe [DOWS77, PETE04, LÖPE15] und dem Konzept mit zwei separaten Antrieben zu unterscheiden [STÖß71, SCHM85, MAYE14]. In Bild 01 wird beispielweise eine Ausführung des hydraulisch aktuierten Zwei-Scheiben-Wälzfestigkeitsprüfstand am WZL dargestellt. Der Prüfkörper ist zylindrisch ausgeführt, während der Gegenkörper einen Balligkeitsradius in axialer Richtung aufweist, um bei den technischen Randbedingungen schädigungsrelevante Pressungen aufbringen zu können. Die Hauptkrümmungsradien des Wälzkontakts sind in der Grundkonfiguration von einer Prüfverzahnung (m n = 5 mm, z 1,2 = 25) am Wälzkreis abgeleitet [STRE97]. Die Aufbringung der Prüflast erfolgt über einen hydraulischen Druckzylinder, der über ein Druckhydraulikaggregat angesteuert wird. Von dort wird über ein Hebelsystem eine Normalkraft in den Scheibenkontakt eingeleitet (Bild 01). Die Schmierölzuführung erfolgt mittels einer temperaturgeregelten Einspritzschmierung. Der Antrieb des Prüfsystems wird über einen Elektromotor und einen Riementrieb umgesetzt. Der vom Zahnflankenkontakt abgeleitete Schlupfzustand der kontaktierenden Oberflächen wird über ein zwischen Antriebsmotor und Prüfzelle gesetztes Schlupfgetriebe realisiert, vgl. Bild 01. Durch die Wahl der Getriebestufenübersetzung ist eine Schlupfeinstellung in diskreten Schritten im Bereich s = – 80…+ 45 % möglich. Während eines Prüflaufs stellt sich damit ein konstanter Schlupfzustand im Kontakt der Prüfund Gegenwelle ein. Bauraum n Konstanter Achsabstand n Verzahnungsbreite beliebig Verzahnungsgeometrie n Mittlere Übersetzung von i = 1 (ψ(ϕ = 360°) = 360°) n Hohe Übereinstimmung des Schlupfverlaufs mit den Eingriffsbedingungen im Zahnflankenkontakt n Restriktion des minimalen und maximalen Wälzkurvenradius n Stetiger und knickfreier Übersetzungsverlauf n Ausreichende Sicherheiten gegen Zahnfußbruch, Grübchen und Fressen n Einhaltung der Grenzzähnezahl n Vermeidung von Klemmen (Tangentenwinkel, Flankenspiel) Lagerungs- und Kupplungskonzept n Betriebssichere Auslegung des Lagerungskonzepts (Unwuchtkräfte etc.) n Spielfreie Kupplung (Richtungswechsel Lastmoment) Anforderungsliste für die ungleichmäßig übersetzende Stirnradstufe Neben dem Zwei-Scheiben-Tribometer als Ausführung zur Wälzfestigkeitsuntersuchung existieren Prüfstandsvarianten mit erweiterter Messtechnik zur Analyse der Reibkräfte und Kontaktgrößen zwischen Prüf- und Gegenwelle, Bild 04. Das Prüfprinzip entspricht weitgehend dem des Zwei-Scheiben-Prüfstands zur Wälzfestigkeitsprüfung (Bild 01), wobei zur eindeutigen Bestimmung der Kontaktfläche im Kontakt die Gegenwelle in der Regel zylindrisch ausgeführt wird [LÖPE15]. Zudem ist die Gegenwelle auf einem Prüfschlitten gelagert, der mit zwei Blattfederpaketen beweglich im Gehäuse aufgehängt ist. Die Nachgiebigkeit in horizontaler Richtung erlaubt eine Verlagerung der unteren Welle infolge der entstehenden Reibkraft. Die hohe Steifigkeit in vertikaler Richtung verhindert eine Bewegung in Normalkraftrichtung, sodass die Reibkraft über einen Kraftaufnehmer anhand der Tangentialauslenkung gemessen werden kann. Der Antrieb erfolgt über zwei hinsichtlich der Drehzahl voneinander unabhängig einstellbaren Motoren. Somit sind unter Berücksichtigung der Motorkennlinie verschiedene Drehzahlen und Schlupfzustände stufenlos einstellbar, was den Vorteil einer schnellen Durchführung umfangreicher Versuchsreihen hat. Für einen Messpunkt der Versuchsreihe werden die Einstellungen jedoch immer konstant gehalten, um die Reibkräfte im stationären Betrieb in ihrem Beharrungszustand aufnehmen zu können. Durch den Einsatz von Dünnschichtsensoren können mit diesem Prüfstandsaufbau ebenfalls lokale Kontaktgrößen (z. B. Druck- und Temperaturverläufe) gemessen werden [STÖß71, DOWS77, SCHM85, MAYE14]. Zusammenfassend existieren konstruktive Ausführungen von Zwei-Scheiben-Tribometern mit unterschiedlichem Fokus. Zwei- Scheiben-Wälzfestigkeitsprüfstände zeichnen sich aufgrund des Verzichts von aufwendiger Messtechnik durch reduzierte Betriebskosten und eine hohe Robustheit aus. Demgegenüber ermöglicht das Zwei-Scheiben-Reibkrafttribometer eine detaillierte Analyse der tribologischen Kontaktbedingung im Wälzkontakt und damit einen höheren Erkenntnisgewinn. Die verwendeten Antriebskonzepte für den Zwei-Scheiben-Prüfstand bestehen entweder aus einem Elektromotor in Kombination mit einem Übertragungsgetriebe oder aus zwei unabhängig voneinander regelbaren Elektromotoren. Beim Einsatz eines Übertragungsgetriebes sind die hohe Robustheit und die direkte, mechanische Kopplung zwischen Prüf- und Gegenwelle von Vorteil. Im Falle von zwei separaten Elektromotoren können unterschiedliche Schlupfzustände ohne zusätzlichen Montageaufwand geprüft werden. In beiden konstruktiven Ausführungen ist der Schlupf zwischen den Scheiben jedoch für die Dauer eines Messpunkts konstant, weil eine hochdynamische Steuerung und Regelung der Drehzahl mit konventionellen Elektromotoren nicht möglich ist. Die integrierte Untersuchung eines zahnradtypischen Schlupfverlaufs, wie dieser beim Abwälzen zweier Zahnflanken auftritt, ist mit den aktuellen Prüfstandsausführungen und Antriebskonzepten nicht möglich. Konstruktive Anforderungsliste Zur Optimierung des Antriebskonzepts aktueller Zwei-Scheiben- Tribometer bieten ungleichmäßig übersetzende Stirnradgetriebe ein hohes Potential, einen variablen Schlupfverlauf im Scheibenkontakt zu erzeugen. Durch die Ausführung der Stirnradstufe können die Gleitverhältnisse im Zahnflankenkontakt prinzipiell auf den Zwei-Scheiben-Analogieversuch übertragen werden. Durch diese Art der mechanischen Steuerung wird insbesondere 56 antriebstechnik 12/2016

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN die Kopplung der Scheibendrehzahlen durch einen einzigen elektrischen Antrieb ermöglicht, wodurch der absolute Bezug der Kontaktpunkte beider Scheiben zu jeder Zeit eindeutig definiert ist. In der Tabelle werden die zentralen Anforderungen an ein ungleichmäßig übersetzendes Stirnradgetriebe für den Einsatz im Zwei-Scheiben-Prüfstand anhand der drei Kategorien Bauraum, Verzahnungsgeometrie sowie Lagerungs- und Kupplungskonzept zusammengefasst. Für den Bauraum wird ein konstanter Achsabstand aufgrund der konstanten Scheibendurchmesser für die Stirnradstufe gefordert. Die Verzahnungsbreite kann in Abhängigkeit der Gehäusegröße beliebig gewählt werden. Die wichtigste Anforderung an die Verzahnungsgeometrie der ungleichmäßig übersetzenden Verzahnung ist eine geschlossene Wälzkurve für beide Zahnräder und eine mittlere Übersetzung i mittel = 1 (oder ein ganzzahliges Vielfaches), weil während einer Umdrehung des Antriebszahnrads (Antriebswinkel φ) das Abtriebsrad (Abtriebswinkel ψ) ebenfalls 360° rotieren muss, um einen kontinuierlichen Eingriff zu gewährleisten. Zudem soll der Übersetzungsverlauf eine hohe Übereinstimmung zwischen dem Schlupfverlauf im Zahnflankenund Scheibenkontakt erreichen. Insbesondere werden die Grenzen der minimalen und maximalen Übersetzung durch die Wälzkurvenradien definiert, die durch den Durchmesser des kleinsten Wellenabsatzes (Lager- und Kupplungssitze) eingeschränkt werden. Weitere Anforderungen an die Verzahnungsgeometrie sind ein stetiger und knickfreier Übersetzungsverlauf, die Einhaltung der Grenzzähnezahl, die Vermeidung von Klemmen und ausreichende Sicherheiten gegen Zahnfußbruch, Grübchen und Fressen für den dauerfesten Betrieb. Aufgrund der zusätzlichen Unwuchtkräfte durch die ungleichmäßig verteilte Masse der Getriebestufe und aufgrund der auftretenden Trägheit infolge der kontinuierlichen Beschleunigung der Scheiben werden zudem die Anforderung an das Lagerungs- und Kupplungskonzept angepasst. 05 Bewegungsdesign für unrund-verzahnte Stirnräder mit konstantem Achsabstand Auslegungsprozess für unrund-verzahnte Stirnräder Im ersten Schritt des Auslegungsprozesses werden die Wälzkurven beider Unrundzahnräder unter Einhaltung der Randbedingungen definiert. Darauf aufbauend wird die Geometrie der einzelnen Zähne berechnet und ein Festigkeitsnachweis durchgeführt. Generell stehen dem Konstrukteur für die Auslegung eines ungleichmäßig übersetzenden Stirnradgetriebes unterschiedliche Ansätze zur Verfügung. Neben einer exzentrisch gelagerten, runden Verzahnung können elliptische Zahnräder oder Zahnräder mit allgemeinen Wälzkurven zur Erzeugung einer zeitlich veränderlichen Drehbewegung verwendet werden. Im Vergleich der drei Möglichkeiten sind exzentrisch gelagerte Stirnräder die einfachste Möglichkeit, um eine ungleichmäßige Übersetzung zu realisieren, da sie nach konventionellen Fertigungsverfahren für runde Zahnräder hergestellt werden können, allerdings eine exzentrische Bohrung aufweisen. Ein entscheidender Nachteil ist die niedrige realisierbare Exzentrizität und damit der kleine Bereich, in dem die Übersetzung variiert werden kann. Demgegenüber können größere Übersetzungsänderungen mit einer elliptischen Zahnradform realisiert werden. Ein Nachteil gegenüber den exzentrisch gelagerten Stirnrädern ist die aufwendigere Fertigung. Mit den beiden genannten Auslegungstypen kann jedoch kein beliebiger Übersetzungsverlauf und damit auch nicht der gewünschte Schlupfverlauf analog zur Zahnflanke realisiert werden. 06 Auswertung des Schlupfverlauf für das Ritzel Typ A Aus diesem Grund wird für die Übertragung des Zahnflankenschlupfzustands auf den Scheibenkontakt auf das Konzept der allgemeinen Wälzkurven zurückgegriffen. Mit einer allgemeinen Wälzkurvenform kann ein beliebiger Übersetzungsverlauf exakt eingehalten werden. Neben der Fertigbarkeit (z. B. durch NC-Formfräsen, Drahterodieren oder Wälzfräsen) ist das Bewegungsdesign die zentrale Herausforderung bei der Definition der allgemeinen Wälzkurve, weil für den Einsatz von ungleichmäßigen übersetzenden Stirnrädern in einem Leistungsgetriebe feste Randbedingungen eingehalten werden müssen. Die geforderten Randbedingungen für das Bewegungsdesign eines Leistungsgetriebes sind eine geschlossene und knickfreie Wälzkurve für beide Zahnräder sowie eine mittlere Übersetzung mit ganzzahligem Wert. Diese Randbedingungen sind die Grundlage für einen ungestörten, wiederkehrenden Zahneingriff, wie er in einem Leistungsgetriebe gefordert wird. Im Weiteren wird nur der Fall einer mittleren Übersetzung von eins betrachtet, bei dem für eine vollständige Umdrehung des Antriebsrades (φ = 360°) das Ab- antriebstechnik 12/2016 57

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