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antriebstechnik 7/2017

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Schneckengetriebe in

Schneckengetriebe in kleinen Baugrößen – besser als die Norm erlaubt Schneckengetrieben in kleinen Baugrößen eilt der Ruf voraus, dass sie niedrige Wirkungsgrade und hohe Verschleißraten aufgrund einer unzureichenden Schmierfilmausbildung aufweisen. Erfahrungen aus der Praxis und der Forschung zeigen jedoch, dass sich auch bei Schneckengetrieben kleiner Baugrößen bei geeigneter Werkstoff- und Schmierstoffwahl vergleichsweise hohe Wirkungsgrade und ein verschleißarmer Betrieb realisieren lassen. Zur Tragfähigkeits- und Wirkungsgradberechnung von Schneckengetrieben kann das genormte Berechnungsverfahren nach DIN 3996 [2] herangezogen werden. Die darin enthaltenen Berechnungsgleichungen wurden schwerpunktmäßig auf Basis von Untersuchungen an Schneckengetrieben mit Achsabstand a = 65 mm bis a = 160 mm erstellt. Bei Schneckengetrieben kleinerer Baugrößen (a < 65 mm) ergeben sich gemäß Norm-Berechnung relativ niedrige Wirkungsgrade und hohe Verschleißraten. Erfahrungen aus der Praxis belegen jedoch höhere Potenziale. Daher sind weitere Belege durch experimentelle Untersuchungen sowie die Ableitung erweiterter Berechnungsverfahren erforderlich. Im Rahmen der vorliegenden Veröffentlichung werden die festgestellten Unterschiede zwischen Norm-Berechnung und Praxiserfahrung durch die Auswertung experimenteller Untersuchungen und den Vergleich mit Ergebnissen der Norm-Berechnung quantifiziert. Stand der Technik Erste systematische Untersuchungen zur Verschleißtragfähigkeit und zum Wirkungsgrad von Schneckengetrieben in der Baugröße a = 100 mm werden von Huber [4] und Mathiak [5] durchgeführt. Dr.-Ing. Werner Sigmund war Teamleiter Schneckengetriebe an der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG) der TU München; Dr.-Ing. Christian Weisel ist Patentanwalt bei der BMW AG in München; Dipl.-Ing. Daniel Kadach ist Abteilungsleiter für Schnecken- und Kegelradgetriebe und Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl ist Ordinarius; beide bei der FZG der TU München Darauf aufbauend unternimmt Neupert [6] weitere Untersuchungen in den Baugrößen a = 65 mm, a = 100 mm und a = 160 mm. Seine Berechnungsmethodik hinsichtlich Verschleißtragfähigkeit und Wirkungsgrad bildet die Grundlage für die Berechnungsansätze nach DIN 3996 [2]. Hermes [3] entwickelt ein Verfahren zur Berechnung der Verschleißtragfähigkeit für instationären Betrieb anhand von experimentellen Untersuchungen in den Baugrößen a = 100 mm, a = 160 mm und a = 250 mm. Sievers [8] ermittelt den Einfluss von Gießparametern und der Gefügeausbildung auf die Verschleißtragfähigkeit von Schneckengetrieben. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen hierbei in der Baugröße a = 100 mm. Weisel [11] und Sigmund [9] analysieren die Auswirkung begrenzter Tragbilder auf das Verschleißverhalten und den Wirkungsgrad von Schneckengetrieben der Achsabstände a = 65 mm und a = 100 mm. Die aufgeführten Arbeiten zeigen, dass für Schneckengetriebe in den Baugrößen a < 65 mm kaum bzw. keine Untersuchungen zum Verschleißverhalten und zum Wirkungsgrad vorliegen. Die Forschungsergebnisse an Schraubradgetrieben kleiner Baugrößen lassen sich aufgrund der unterschiedlichen Kontaktverhältnisse und der meist abweichenden Werkstoffpaarungen nicht auf Schneckengetriebe übertragen. Demzufolge sind die aktuell verfügbaren Berechnungsmethoden hinsichtlich Verschleißtragfähigkeit und Wirkungsgrad von Schneckengetrieben für Achsabstände a < 65 mm nicht abgesichert. Zielsetzung und Lösungsweg Die vorliegenden Unterschiede zwischen Normberechnung und Praxiserfahrung hinsichtlich Verschleißtragfähigkeit und Wirkungsgrad bei Schneckengetrieben kleiner Baugrößen bedingen weitere 52 antriebstechnik 7/2017

Antriebsseite GETRIEBETECHNIK Elektrisch verspannter Schneckengetriebeprüfstand 01 01 Drehstrom-Asynchronmotor Rückübersetzungsgetriebe i = 20,7 Drehstrom- Asynchrongenerator Drehmomentmesswelle 01 Verzahnungsdaten der untersuchten Schneckengetriebe Achsabstand a / mm 40 Flankenform ZI Zähnezahl der Schnecke z 1 / - 2 Zähnezahl des Schneckenrades z 2 / - 41 Formzahl q / - 11,2 Mittensteigungswinkel der Schnecke γ m / ° 10,17 Mittenkreisdurchmesser der Schnecke d m1 / mm 17,0 Mittenkreisdurchmesser des Schneckenrades d m2 / mm 63,0 02 Werkstoffkombinationen der untersuchten Schneckenradsätze Abtriebsseite Prüfgetriebe i = 20,5 a = 40 mm Werkstoff Schnecke Werkstoff Schneckenrad Abkürzung Einsatzstahl Standard-Strangguss Eh/GC 16MnCr5 CuSn12Ni2-C-GC Einsatzstahl 16MnCr5 Vergütungsstahl 42CrMo4 Behandelter Strangguss CuSn12Ni2-C-GCB Sphäroguss EN-GJS-400-15, phosphatiert Eh/GCB V/GJS Untersuchungen der Thematik. Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden die relevanten Ergebnisse des Forschungsvorhabens FVA 503 [10] zusammengefasst. Dabei werden sowohl die Verschleißtragfähigkeit als auch der Wirkungsgrad von Schneckengetrieben der Baugröße a = 40 mm verschiedener Werkstoffkombinationen experimentell untersucht. Zudem werden die Versuchsergebnisse mit den theoretischen Berechnungsergebnissen nach DIN 3996 [2] verglichen. Durch weitere Vergleichsrechnungen werden die nach DIN 3996 [2] maximal übertragbaren Abtriebsmomente und die die Tragfähigkeit begrenzenden Schadensursachen von Schneckengetrieben unterschiedlicher Baugröße analysiert und diskutiert. Versuchsradsätze und Versuchsprogramm Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen des Forschungsvorhabens FVA 503 [10] werden an der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau der TU München Schneckengetriebe der Baugröße a = 40 mm hinsichtlich Verschleißtragfähigkeit und Wirkungsgrad untersucht. Die Verzahnungsdaten sind in Tabelle 01 zusammengefasst. Die Getriebe weisen eine Übersetzung von i = 20,5 auf. Zur Untersuchung des Werkstoffeinflusses liegen Radsätze unterschiedlicher Materialkombination vor. Dabei werden jeweils Schnecken aus einsatzgehärtetem Stahl mit Bronzerädern und Schnecken aus Vergütungsstahl mit Rädern aus Sphäroguss gepaart. In Tabelle 02 sind die untersuchten Werkstoffkombinationen zusammengefasst. Zudem sind darin die für den weiteren Verlauf des Artikels verwendeten Abkürzungen dokumentiert. Die untersuchten Radsätze werden hinsichtlich ihrer Qualität auf einer Verzahnungsmessmaschine vermessen. Die Schnecken weisen 03 Last und Drehzahlstufen für die experimentellen Untersuchungen Drehzahl Abtriebsdrehmoment T 2 / Nm n 1 = 60 min- 1 24,2 36,3 49,1 61,5 n 1 = 1 500 min -1 24,2 32,7 41,1 49,1 größtenteils eine Verzahnungsqualität besser oder gleich der Qualitätsklasse 6 nach DIN 3974 [1] auf. Die Schneckenräder liegen größtenteils innerhalb von Qualitätsklasse 7. Die Oberflächenrauheit der Flanken der einsatzgehärteten Schnecken liegt im Mittel bei einem Wert von Rz = 2,3 µm. Die Flanken der vergüteten Schnecken weisen einen Mittelwert von Rz = 3,5 µm auf. Jeder Radsatz wird zu Beginn der jeweiligen Untersuchungen zunächst einem Einlauf von mindestens 20 Stunden bis zum Erreichen eines vollständigen Tragbilds unterzogen. Der Einlauf wird bei einer Antriebsdrehzahl von n 1 = 150 min -1 und einem Abtriebsmoment von T 2 = 24,2 Nm durchgeführt. Anschließend erfolgen die Laststufentests. Dabei werden für die beiden Drehzahlen n 1 = 60 min -1 und n 1 = 1 500 min -1 jeweils vier verschiedene Lastniveaus untersucht. Die Betriebsbedingungen der einzelnen Laststufen können Tabelle 03 entnommen werden. Bei der hohen Drehzahl von n 1 = 1 500 min -1 werden niedrigere Abtriebsmomente als bei der niedrigen Drehzahl von n 1 = 60 min -1 eingestellt um die ins Getriebe eingebrachte Leistung zu begrenzen. Auf jeder Laststufe finden zwei Testläufe statt. Der erste Testlauf dauert sieben antriebstechnik 7/2017 53

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