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antriebstechnik 7/2020

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antriebstechnik 7/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG TEIL 3 TOPOLOGISCHES SCHLEIFEN BEI STIRNRADVERZAHNUNGEN Topologisches Schleifen bei Stirnradverzahnungen – vermeintlich ein Detail. Doch es leistet einen wesentlichen Beitrag, wenn es um das optimierte Einsatzverhalten von Getrieben und die Nutzung der Potenziale im Antriebsstrang geht. 1 EINLEITUNG UND ZIELSETZUNG Bei der Auslegung von Zahnflankenmodifikationen für Stirnradverzahnungen sind eine Vielzahl von Randbedingungen und Restriktionen zu beachten, die mit den Anforderungen im Pflichtenheft in Einklang gebracht werden müssen. Das Ziel einer Mikrogeometrieauslegung einer Stirnradstufe liegt darin, für den Einsatzfall ideale Kontaktverhältnisse im Eingriff zu schaffen, sodass anforderungsgerechte Anregungscharakteristika und Beanspruchungsverhältnisse resultieren. Vor diesem Hintergrund sind eine Vorhersage von möglichen Fertigungsabweichungen im Auslegungsprozess der Zahnflanken und die Berücksichtigung des resultierenden Einsatzverhaltens notwendig. [HELL15] Die konventionellen Hartfeinbearbeitungsverfahren – Diskontinuierliches Profilschleifen und Kontinuierliches Wälzschleifen – führen bei der Fertigung von Breitenballigkeiten bei Schrägverzahnungen zu Verwindungen der Zahnflanke, einer sogenannten Verschränkung, die prozessgebunden unterschiedlich ausgeprägt sein können. Durch Beeinflussung der Prozesskinematik und dem Abrichtprozess besteht zum einen die Möglichkeit diese verfahrensbedingte Fertigungsabweichung gezielt zu kompensieren oder definiert im Fertigungsprozess vorzugeben. [HELL15] Das Ziel dieses Berichtes ist, das Verschränkungspotenzial auf das Anregungsverhalten am Beispiel einer Serien-Lkw-Verzahnung zu belegen und den Einfluss dieser Modifikation bzgl. des Geräuschverhaltens zu untersuchen. Hierzu sind Einflanken- bzw. Betriebswälzprüfungen sowie End-of-Line Untersuchungen durchgeführt worden. Anschließend sind die Ergebnisse der FE-basierten Zahnkontaktanalyse ‚FE Stirnradkette‘ mit denen der Prüfstandsuntersuchungen abgeglichen und validiert worden [CAO02]. Die Untersuchungsmethode und Forschungsergebnisse werden im Folgenden vorgestellt. 2 VORGEHENSWEISE ZUR UNTERSUCHUNG DES ANREGUNGSVERHALTENS Die Bewertung des Einsatzverhaltens der verschiedenen Zahnflankentopografien erfolgte auf Basis von Prüfstandsuntersuchungen. Die Anregungsuntersuchungen der Lkw-Verzahnung sind auf einer am WZL vorhandenen Stirnradmesszelle durchgeführt worden und dienten zur Validierung der Berechnungsergebnisse der FE-basierten Zahnkontaktanalyse. Hierzu ist die Methode der Einflanken- bzw. Betriebswälzprüfung herangezogen worden [VDI01], bei der die Übersetzungsschwankung zwischen Rad und Ritzel erfasst wird, die zur Schwingungs- und damit zur Geräuschanregung führt. Die Übersetzungsschwankung wird als Drehfehler bezeichnet und stellt ein Maß für die Anregung dar. Zudem wurden weitere Radsätze unter applikationsnahen Bedingungen in End-of-Line- Untersuchungen geprüft. 2.1 UNTERSUCHUNGEN AUF DER STIRNRADMESSZELLE UND NOTWENDIGE ANPASSUNGSKONSTRUKTIONEN Die quasistatischen Untersuchungen zur Validierung der Zahnkontaktanalyse sind in der Stirnradmesszelle auf einem elektrisch 46 antriebstechnik 2020/07 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG verspannten Prüfstand durchgeführt worden [HOHL02, HELL15]. Für die präzise Ausrichtung sind Dummies in Form von Zylindern notwendig, deren Außendurchmesser den Wälzkreisdurchmessern entsprechen. Diese werden auf die für die Verzahnung ausgelegten Flansche montiert, sodass der Achsabstand sowie die Achsparallelität eingestellt und geprüft werden können. Die untersuchte Gangstufe befindet sich im Kraftfluss des 1. und 5. Gangs, vgl. Bild 01 oben. Im Rahmen dieser Untersuchungen ist der 1. Gang untersucht worden. Für die Verzahnungsuntersuchungen, die im industriellen Umfeld eingesetzt werden, ist eine Anpassung der Radkörpergeometrie notwendig gewesen. Dementsprechend ist, wie in Bild 01 unten gezeigt, der Radsatz der Lkw-Verzahnung bearbeitet worden. Während der Flansch für das Rad an die Passung der Bohrung ausgelegt werden konnte und lediglich das Rad mit einer Passfedernut versehen wurde, war das Abtrennen der Ritzelwelle erheblich aufwendiger. Hierbei wurde in mehreren Schritten die Ritzelwelle abgetrennt, hartgedreht und planparallel geschliffen. Für eine Validierung der berechneten Drehfehler ist prüfstandseitig eine Drehzahl von n An = 60 min -1 gewählt worden. In dem vorliegenden Verzahnungsfall konnten aufgrund der Limitierung des prüfstandseitigen maximalen Drehmomentes von M max,Prüfstand = 600 Nm die Prüfsätze lediglich bei für die Verzahnung verhältnismäßig geringen Lasten untersucht werden. Demnach wurde das Anregungsverhalten bei M An = 50 Nm bis 200 Nm mit einer Schrittweite von ∆M = 50 Nm analysiert. 2.2 END-OF-LINE UNTERSUCHUNG DER LKW-VERZAHNUNG Die dynamischen Untersuchungen bei erhöhter Last sind bei der Firma Daimler auf dem für das Getriebe vorgesehenen End-of-Line-Prüfstand durchgeführt worden. Das Prüfstandkonzept und der Prüfaufbau sind in Bild 02 dargestellt. Der elektrisch verspannte Back-to-Back Auditprüfstand besteht aus einer Antriebs- und einer Abtriebsmaschine. Darüber hinaus gehört ein Fixgetriebe zum abtriebsseitigen Leistungsstrang, welches die durch den Prüfling gewandelte Drehzahl und Drehmoment wieder auf ein eingangsäquivalentes Niveau wandelt. Um mögliche Einflüsse der Maschinen und des Fixgetriebes ausschließen zu können, sind diese Komponenten in einer Schallumhausung gekapselt. Da Drehfehler in der Serienprüfung nicht erfasst werden, sind Luftschallmessungen herangezogen worden, um das Geräuschverhalten des Getriebes zu bewerten. In dem vorliegenden Fall ist das Mikrofon in einem Abstand von a = 100 mm oberhalb der Gehäuseoberfläche des Getriebes befestigt worden, um den Schalldruckpegel zu erfassen. Es sind Drehzahlrampen von n An = 500 min -1 bis 2 400 min -1 für die Lastpunkte M An = 100 Nm, 1 000 Nm und 1 500 Nm gefahren worden. Für eine Validierung wurden die Ergebnisse des niedrigsten Lastpunktes der End-of-Line-Untersuchung mit denen der Stirnradmesszelle am WZL gegenübergestellt. Die höheren Lasten wurden mit den Ergebnissen der Zahnkontaktanalyse ‚FE Stirnradkette‘ verglichen [CAO02]. Die auf dem End-of-Line-Prüfstand von der Firma Daimler gemessenen Luftschallpegel sind auf zwei Weisen aufbereitet und zur Verfügung gestellt worden. Für eine Bewertung der Anregung aus dem Zahnkontakt ist die in Bild 03 auf der linken Seite gezeigte Auswertemethodik Luftschallpegel [dB] 01 Getriebeaufbau und Bearbeitung der Ritzelwelle 02 Messaufbau zur Untersuchung der Lkw-Verzahnung auf dem End-of-Line-Getriebeprüfstand Auditprüfstand Schallumhausung G Impulsgeber Sicherheitskupplung Beschreibung Messflansch Elektrisch verspannter Back-to-Back Auditprüfstand An- und Abtriebsmaschine / Motor und Generator Fixgetriebe wandelt Drehzahl und Drehmoment Schallumhausung zur akustischen Kapselung der Maschinen und der Hilfsaggregate Luftschallpegel [dB] Fixgetriebe Prüfling Zwischenlager Mikrofon Spannplatte Spannplatte 03 Methoden zur Auswertung der End-of-Line-Messung Summierte Zahneingriffsfrequenzen Frequenz [Hz] Drehzahl [min -1 ] Drehzahl [min -1 ] Σ M Luftschallpegel [dB] Frequenz [Hz] Luftschallpegel [dB] Schallumhausung M Impulsgeber Fzg. Kupplung Drehzahl [min -1 ] Bildquelle und EoL Prüfstand: Daimler AG Gemitteltes Frequenzspektrum Drehzahl [min -1 ] www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/07 47

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