antriebstechnik 8/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Verzahnungsdaten m n = 10,0 mm z 1,2 = 90/22 α n = 20,0° β = –/+ 15,0° b = 245,0/255,0 mm a = 580,0 mm Variante Serie ohne Verschränkung bei Nominallast Simulationssoftware FE-Stirnradkette 4.2 FVA-Workbench Legende Abweichung [µm] Wälzweg [mm] 04 Vergleich der Ease-offs ‚Stirak‘ mit Polynom vs. ‚FVA-Workbench‘ Zahnbreite [mm] Verzahnungsdaten m n = 10,0 mm z 1,2 = 90/22 α n = 20,0° β = –/+ 15,0° b = 245,0/255,0 mm a = 580,0 mm ∆ max = 177,8 µm ∆ max = 179,1 µm FVA-Workbench 05 Funktionale Auswirkungen Windkraft-Verzahnung – Übersicht Drehfehler Schleifverfahren Wälzschleifen / Profilschleifen Simulationssoftware FE-Stirnradkette 4.2 Legende Serie ohne Verschränkung Top. Optimiert mit gezielter VS Fokus: Drehfehler Nennauslegung Worst Case Geräuschanregung mit Wellenverlagerung Drehfehler 1.fz (p) [µm] 2.5 2 1.5 1 0.5 Worst Case 0 0 25000 50000 75000 100000 125000 150000 175000 Drehmoment Antrieb [Nm] Nennauslegung C vα1 = 0 µm C vα1 = 40 µm Nennmoment 06 Fertigungsauswertung der Windkraft-Verzahnung – Abweichungen zur Sollvorgabe – Serie ohne Verschränkung des Torsionseinflusses erfolgte auf Basis der analytisch berechneten Verdrehung der Verzahnung – analog durch die Aufteilung in eine Winkel- und einer Balligkeitsabweichung. Für die ermittelten Abweichungen wurde eine Regression durchgeführt, die den drehmomentabhängigen Verlauf im relevanten Drehmomentabschnitt in Form von Polynomen abbildet. Um den Nachweis zu liefern, dass der aus der ‚FVA-Workbench‘ abgeleitete Ansatz mit dem polynomialen Ansatz in ‚Stirak‘ vergleichbar ist, sind die Ease-Offs für beide Ansätze in Bild 04 dargestellt. Der Vergleich zeigt, dass die Ease-Offs mit einer zu vernachlässigenden Abweichung eine sehr gute Übereinstimmung aufweisen. Das Polynom ist anschließend in ‚Stirak‘ in einer Variantenrechnung berücksichtigt worden, wodurch die Verlagerung des Welle- Lager-Systems in der Eingriffsebene berücksichtigt werden konnte. Dieses Modell ist für die Optimierungsrechnung genutzt worden, um auf diese Weise das Verlagerungsverhalten applikationsnah zu berücksichtigen. Bei der Auslegung wurde die Verschränkung als Optimierungsparameter variiert. Unter der Vorgabe einer Zielgröße ist eine Verschränkung abgeleitet worden, die das Anregungsminimum in Richtung des Nennmomentes verschiebt, vgl. Bild 05. Dem Drehfehlerverlauf kann neben der Verschiebung des Minimums eine Erhöhung des Drehfehlers im Niedriglastbereich entnommen werden. Aus diesen beiden gegenläufigen Eigenschaften ist eine Verschränkung von c vα = 40 µm ausgelegt worden. 2.2 VERZAHNUNGSFERTIGUNG UND QUALITÄTSPRÜFUNG Die von der Firma Flender bearbeiteten Verzahnungen sind nach der Fertigung bzgl. der vorgegebenen Modifikationen vor Ort ausgewertet worden. Die Fertigungsauswertung der Serienverzahnung ohne Verschränkung ist in Bild 06 gezeigt. Die Verzahnungsmessung erfolgte auf einem Verzahnungsmesszentrum der Firma Klingelnberg. Aufgrund des Aufwands der Versuche war für die Untersuchungen je Variante ein Radsatz vorgesehen. Hierbei beziehen sich die in den Diagrammen eingetragenen Größen auf die Abweichung zur Sollvorgabe. Zusammenfassend zeigt die Auswertung, dass die Vorgaben in der Fertigung weitestgehend erreicht wurden. Die Beträge der Verschränkungen sind im Fall des Referenzradsatzes entgegengesetzt gerichtet, sodass im Eingriff eine Verschränkung von ca. c vα,Eingriff = 10 µm resultiert. Die Auswertungen zur optimierten Variante mit gezielter Verschränkung ist im Anhang des Abschlussberichtes des Vorhabens wiederzufinden [FVA19]. Für diese Variante galt eine Verschränkungsvorgabe am Rad von c vα = 40,0 µm, die mit einer maximalen Abweichung von Δ cvα = 4,0 µm sehr gut erreicht wurde. Neben der Verschränkung sind die verbleibenden Modifikationen zeichnungskonform gefertigt worden. 48 antriebstechnik 2020/08 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG 3 VORGEHENSWEISE ZUR UNTERSU- CHUNG DES ANREGUNGSVERHALTENS IM END-OF-LINE Die End-of-Line-Untersuchungen von Windgetrieben dienen der Funktionsprüfung und Qualitätssicherung am Ende des Fertigungs- und Montageprozesses. Das elektrisch verspannte Prüfkonzept kommt hierbei am häufigsten zum Einsatz. Der Prüfstand besteht aus zwei Motoren, was die Möglichkeit bietet, mittels einer Back-to-Back-Anordnung zwei verschiedene Getriebe auch mit unterschiedlichen Baugrößen zur selben Zeit zu prüfen, vgl. Bild 07. Beide Getriebe werden einander gegenüber positioniert und an den jeweiligen Low Speed Stage (LSS) mechanisch gekoppelt. Die Drehzahl der LSS des angetriebenen Getriebes entspricht somit der LSS des anzutreibenden Getriebes. Die Drehmomentstütze leitet das Moment über die Anbindungsstelle und schließt damit den Kraftfluss. Das Drehmoment und die Drehzahl werden in dem zu untersuchenden Prüfgetriebe über Planetenstufen und zwei Stirnradstufen gewandelt. Die erste Stirnradstufe wird durch die Intermediate Stage (IMS) abgebildet. Dem Leistungsfluss folgend beschreibt die High Speed Stage (HSS) die letzte Getriebestufe, sodass hierüber die Anbindung beider Getriebe an die Elektromotoren erfolgt. In diesem Fall übernimmt eine Maschine die Aufgabe des Motors und die andere die des Generators. Durch diese Back-to-Back-Prüfung wird der Energieverbrauch auf die Verlustleistung reduziert. Der Fokus der Untersuchungen lag auf der IMS, die unter dynamischen Bedingungen analysiert wurde. Die Drehzahlhochläufe wurden im Drehzahlbereich des Antriebes von n An = 900 – 1 525 min -1 ausgewertet. Entsprechend der End-of-Line-Vorgaben sind vier Leistungsniveaus untersucht worden. Betrachtet wurde der Körperschall an einem Messpunkt, der möglichst nah an der Lagerstelle der IMS positioniert wurde, vgl. Bild 07. Für jedes Leistungsniveau sind die ersten drei Zahneingriffsordnungen der gemessenen Hochläufe analysiert worden. Hierbei wurde die Amplitude des Körperschalls der Zahneingriffsordnungen der Drehzahl gegenübergestellt. Für einen zusammengefassten Vergleich der untersuchten Varianten sind diese Verläufe gemittelt und anschließend verglichen worden. DANKSAGUNG Die Autoren danken dem Forschungsverein für Antriebstechnik e. V. für die Bereitstellung der finanziellen Mittel zur Durchführung des den vorgestellten Ergebnissen zugrunde liegenden Forschungsprojekts. Die Autoren danken darüber hinaus der Flender GmbH für die Bereitstellung und der Fertig bearbeitung der Verzahnungen sowie für die Prüfstandskapazitäten im End-of-Line. 07 Prüfgetriebe und Methode zur Auswertung der End-of-Line-Messung Verzahnungsdaten m n = 10,0 mm z 1,2 = 90/22 α n = 20,0° β = –/+ 15,0° b = 245,0/255,0 mm a = 580,0 mm Schleifverfahren Profilschleifen EoL-Untersuchung Sondermesspunkt radiale Richtung Legende Serie ohne Verschränkung Top. Optimiert mit gezielter VS Fokus: Drehfehler Verzahnungsdaten m n = 10,0 mm z 1,2 = 90/22 α n = 20,0° β = –/+ 15,0° b = 245,0/255,0 mm a = 580,0 mm Schleifverfahren Profilschleifen EoL-Untersuchung Sondermesspunkt radiale Richtung 08 Drehzahlhochläufe: Serie ohne Verschränkung und Top. Optimiert mit gezielter VS – 1. Zahneingriffsfrequenz Legende Serie ohne Verschränkung Top. Optimiert mit gezielter VS Fokus: Drehfehler 1. Leistungsniveau Körperschall [mm/s] 900 1025 1150 1275 1400 1525 Drehzahl [min -1 ] 2. Leistungsniveau 900 1025 1150 1275 1400 1525 Drehzahl [min -1 ] 3. Leistungsniveau 4. Leistungsniveau Körperschall [mm/s] Körperschall [mm/s] 900 1025 1150 1275 1400 1525 Drehzahl [min -1 ] 282 kW 600 kW 1547 kW 1656 kW IMS 1. f z Körperschall [mm/s] Körperschall [mm/s] 282 kW 600 kW 1547 kW 1656 kW IMS 2. f z 900 1025 1150 1275 1400 1525 Drehzahl [min -1 ] 09 Mittelung der Drehzahlhochläufe: Serie ohne Verschränkung und Top. Optimiert mit gezielter VS Mittelung der Drehzahlhochläufe 282 kW 600 kW 1547 kW 1656 kW IMS 3. f z www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/08 49