Aufrufe
vor 3 Monaten

antriebstechnik 9/2020

  • Text
  • Sensor
  • Anwender
  • Anforderungen
  • Kugelgewindetriebe
  • Einsatz
  • Zudem
  • Entwicklung
  • Getriebe
  • Unternehmen
  • Antriebstechnik
antriebstechnik 9/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG geringeren Drehmomentabfall durch Setzerscheinungen gleichzusetzen ist. Eine ausgeglichene Abstimmung des Verdrehwinkels und der Festigkeit ist konstruktiv über die Länge und den Durchmesser der Torsionswelle einzustellen und von dem Verspannmoment abhängig. [KLOC17] Die gewählten Prüfparameter zur Durchführung der Versuche richteten sich nach den Vorgaben der Firma ZF. Demnach betrug die Temperatur der Ölsumpfschmierung T Öl = 90 °C. Hierbei wurde das FVA-3A-Öl verwendet. Vor jedem Versuch wurde ein Einlauf bei einer Prüflast M Einlauf = 500 Nm für eine Zeit von t Einlauf = 30 min vorgenommen. Anschließend erfolgte der Prüflauf mit einem Lastmoment von M Prüf,Ritzel = 780 Nm. Die zu Beginn definierte Grenzlastspielzahl wurde nach Norm auf N Grenz = 50 × 10 6 Lastwechsel festgelegt [ISO07]. Bei den umfangreichen Untersuchungen zur Zahnflankentragfähigkeit wiesen die ersten Untersuchungsergebnisse Lastwechselzahlen auf, die im Bereich der Grenzlastspielzahl (N = 50 × 10 6 Lastwechsel) zur Dauerfestigkeit lagen, weshalb das Drehmoment auf M Prüf,Ritzel = 920 Nm erhöht wurde, um so die Bauteilbeanspruchung zu erhöhen. Die Folge des erhöhten Prüfmomentes war ein Ausfall einzelner Prüfstandskomponenten, da die Belastungsgrenze des Prüfstands überschritten wurde. Aus diesem Grund wurde in Absprache mit den Projektpartnern für nachfolgende Versuche die Grenzlastspielzahl auf N Grenz = 1 × 10 8 Lastwechsel bei einem reduzierten Prüfdrehmoment von M Prüf,Ritzel = 780 Nm festgelegt. Um die Kontaktbedingungen während der Untersuchung analysieren zu können, sind bei der Durchführung der Versuche in regelmäßigen Kontrollintervallen der Schadensfortschritt erfasst und die finalen Flankentopografien gemessen und ausgewertet worden. 2.2 AUSWERTUNG DER ZAHNFLANKENTRAGFÄHIGKEIT Die Untersuchungen sind auf einem Lastniveau durchgeführt worden. Trotz gleicher Geometrie und Werkstoffeigenschaften liegt für Versuche auf einem konstanten Lastniveau immer eine statistische Streuung vor. Der Bereich der Zeitfestigkeit spielt eine entscheidende Rolle bei der wirtschaftlichen Auslegung von Zahnradgetrieben. Die Untersuchungen der Zeitfestigkeit sind im Rahmen dieses Vorhabens in Anlehnung an das Horizontenverfahren durchgeführt worden [KLOC17]. Hierbei wurde das zu untersuchende Lastniveau diskret gewählt und eine definierte Anzahl an Versuchen durchgeführt. Für jeden Versuch wurde die bis zum Eintritt des Schadenskriteriums ertragbare Lastspielzahl ausgewertet. Eine Prüfverzahnung galt im Rahmen dieser Untersuchung als ausgefallen, sobald 4 % der Einzelflankenfläche durch Pitting/Grübchen beschädigt wurde. Die Vorgehensweise bei der Auswertung der Untersuchungsergebnisse nach Auftreten des Schadens, wird im Folgenden exemplarisch erläutert. Für jede Variante ist nach Beendigung der Versuche die zugehörige Lastspielzahl der Größe nach sortiert worden. Begonnen wurde bei dem Versuch mit der kleinsten Bruchschwingspielzahl. Die Versuchspunkte wurden daraufhin mit einer aufsteigenden Ordnungszahl i versehen und einer Ausfallwahrscheinlichkeit P a zugeordnet. Zur Berechnung der Ausfallwahrscheinlichkeit wurden die Ansätze nach Weibull und nach Rossow verwendet [ROSS64, WEIB61]. Für den Ansatz nach Weibull gilt [WEIB61]: Zur Auswertung von Zahnflankentragfähigkeitsuntersuchungen ist der Ansatz gut geeignet [HOES79]. Die Lastspielzahl wird anschließend für eine Ausfallwahrscheinlichkeit P a = 50 % bestimmt. Hierzu werden die Lastwechselspielzahlen den zugehörigen Ausfallwahrscheinlichkeiten zugeordnet und in ein geeignetes Wahrscheinlichkeitsnetz übertragen, vgl. Bild 02. Mithilfe der Methode der kleinsten Fehlerquadrate lässt sich eine Ausgleichsgerade durch die Versuchspunkte legen, mit der für das betrachtete Lastniveau jeder beliebigen Ausfallwahrscheinlichkeit eine Bruchlastspielzahl zugeordnet werden kann. Abschließend wird von der Ausgleichsgeraden die Lastspielzahl für eine Ausfallwahrscheinlichkeit von P a = 50 % abgelesen und als Stützpunkt in ein Wöhlerliniendiagramm übertragen. 3 AUSWERTUNG UND ANALYSE DER TRAG FÄHIGKEIT EINER PRÜFVERZAHNUNG Das Potenzial von topologischen Schleifprozessen hinsichtlich des resultierenden Einsatzverhaltens wird mithilfe einer Toleranzfeldbetrachtung und einer toleranzfeldbasierten Optimierung veranschaulicht. Diese Untersuchungen wurden an einer Prüfverzahnung, die von der Firma ZF bereitgestellt wurde, durchgeführt. Es sind geometriebasierte Fertigungssimulationen für die Hartfeinbearbeitungsverfahren diskontinuierliches Profilschleifen und kontinuierliches Wälzschleifen durchgeführt und als Eingangsinformation der FE Stirnradkette zur Berechnung des Einsatzverhaltens übergeben worden. Bild 03 zeigt eine Übersicht der im weiteren Verlauf verwendeten Zahnflankentopografien. Dabei sind nicht die einzelnen Topografien von Rad und Ritzel, sondern eine Überlagerung dieser (Ease-off), abgebildet. Der obere linke Ease-off zeigt den Ausgangszustand der Verzahnung mit den definierten Sollmodifikationen. Darüber hinaus sind die Ease-offs resultierend aus einer konventionellen Profil- und Wälzschleifbearbeitung abgebildet. Unten rechts ist das Resultat der Topografieoptimierung dargestellt. Bei der Optimierung der Topografie ist die Verschränkung als freier Variationsparameter berücksichtigt worden. Da die Tragfähigkeitsuntersuchungen an dieser Verzahnung im Vordergrund standen, war die Zielgröße die maximal auftretende Hertzsche Pressung. Das Ziel lag darin, diese Größe gegenüber der Ausgangsauslegung der Firma ZF über ein weites Drehmomentspektrum und insbesondere im Nennmoment bei vergleichbarem akustischen Verhalten zu reduzieren. Dies sollte lediglich durch eine gezielt aufgebrachte Verschränkung erfolgen. Im Folgenden werden die Auswertungen zu den Untersuchungen der Verzahnung vorgestellt und mit den Simulationsergebnissen gegenübergestellt. Hierzu sind die zu untersuchenden Varianten wie folgt festgelegt worden: n Serie ohne Verschränkung: verschränkungsfrei n Wälzschleifen: mit natürlicher Verschränkung n Profilschleifen: mit natürlicher Verschränkung n Optimiert: mit gezielter Verschränkung, Fokus: Hertzsche Pressung 3.1 VERZAHNUNGSFERTIGUNG UND QUALITÄTSPRÜFUNG Die Hartfeinbearbeitung der Prüfverzahnung erfolgte bei der Firma Kapp. Die Verzahnungsmessung erfolgte auf einem Verzahnungsmesszentrum der Firma Klingelnberg. Die am WZL durchgeführten Messungen beinhalteten neben der Prüfung der geometrischen Verzahnungsqualität auch die Dokumentation der Werkstoffeigenschaften anhand von geätzten Gefügeschliffen sowie Mikrohärtetiefeverläufen und röntgenografischen Analysen zum Eigenspannungs- und Halbwertsbreitenzustand. Die Verzahnungsqualität wurde für jeden Radsatz untersucht, wohingegen die aufwändig zu messenden Bauteileigenschaften exemplarisch jeweils für die beiden Hartfeinbearbeitungsverfahren durchgeführt wurden. In dem Zusammenhang sind Proben repräsentativ für ein profilgeschliffenes und ein wälzgeschliffenes Zahnrad entnommen wor­ 54 antriebstechnik 2020/09 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG den. Bild 04 zeigt oben die Gegenüberstellung der Gefügeschliffbilder. In beiden Verfahren ist über der Randzone hinweg eine vergleichbare Gefügestruktur vorzufinden. Dieses gilt auch für die unten dargestellten Kenngrößen Halbwertsbreite, Härte und tangentiale Eigenspannung. Aufgrund der gegebenen Vergleichbarkeit der Materialeigenschaften konnten die Untersuchungen Aussagen über das Tragfähigkeitsverhalten isoliert in Abhängigkeit der Zahnflankentopografie liefern. Weiterhin sind die von der Firma Kapp bearbeiteten Verzahnungen nach der Fertigung bzgl. der vorgegebenen Modifikationen ausgewertet worden. Die Auswertungen der Varianten sind im Abschlussbericht des Vorhabens wiederzufinden [FVA19]. Zusammenfassend ist die Verzahnungsqualität aller untersuchten Zahnräder zeichnungskonform und reproduzierbar gefertigt worden. 3.2 PRÜFSTANDSUNTERSUCHUNG Im Folgenden sind die Ergebnisse zur Tragfähigkeitsuntersuchung dargestellt. Für jeden Versuch wurde die bis zum Eintritt des Schadenskriteriums (Pittinggröße 4 % der Einzelflankenfläche) ertragbare Lastspielzahl ausgewertet. Durch eine statistische Auswertung können anschließend die Stützpunkte für die Zeitfestigkeitsgerade im Wöhlerdiagramm ermittelt und verglichen werden. Die Auswertung wird exemplarisch für die Variante Serie ohne Verschränkung (WS) vorgestellt, vgl. Bild 05. Im oberen Teil des Bildes sind die Versuche mit den Schadensbildern und den erreichten Lastwechselzahlen abgebildet. Die Schadensbilder zeigen eine Graufleckigkeit im Fußflankenbereich ausgehend vom Eingriffsbeginn, was an dem mattgrauen Erscheinungsbild zu erkennen ist. Der häufigste Ausgangsort für die Grübchenbildung ist der Bereich negativen Schlupfs. Demnach beginnt der Grübchenschaden im Zahnfußflankenbereich des Ritzels und wächst anschließend in Richtung des Wälzkreises bis zu dem im Versuch 1 zu sehenden muschelförmigen Ausbruch. Im Schadensbild des zweiten Versuches ist ein Grübchensaum im Zahnfuß zu verzeichnen, der aus einer unzureichenden Profilkorrektur resultiert. Die ertragbaren Lastwechsel bis zum Grübchenschaden lagen bei allen Versuchen im Bereich von ca. N = 50 × 10 6 Lastwechseln. Nach der in Kapitel 2.2 beschriebenen Vorgehensweise ergibt sich für die Variante Serie ohne Verschränkung (WS) für eine 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 ZF Friedrichshafen AG für die Bereitstellung der Prüfkörper und der KAPP GmbH & Co. KG für die Fertigbearbeitung der Verzahnungen. n Verzahnungsdaten m n = 2,9 mm z 1,2 = 26/31 α n = 20,0° β = +/- 25,0° b = 25,2/25,2 mm a = 91,5 mm H albwerts breite [°] Profilschleifen Wälzschleifen 8.00 6.00 4.00 2.00 04 Werkstoffuntersuchung für beide Fertigungsverfahren 0.00 0 100 200 300 Randtiefe [µm] Verzahnungsdaten m n = 2,9 mm z 1,2 = 26/31 α n = 20,0 ° β = +/- 25,0° b = 25,2/25,2 mm a = 91,5 mm Variante Serie ohne Verschränkung Versuchsparameter – T Öl = 90 °C, FVA 3A – n Ritzel = 3000 min -1 – M Einlauf = 500 Nm für 30 min – M Prüf = 780 Nm Lastwechsel N [10 6 ] Härte [HV1] Profilschleifen 800 700 600 800 600 400 200 Wöhlerdiagramm 1000 900 Drehmoment M an [Nm] 100 50 0 0 0 100 1 200 2 Randtiefe [µm] Tragfähigkeitsuntersuchung 500 Tangential Spannung [MPa] Wälzschleifen 06 Ausfallwahrscheinlichkeit – Serie ohne Verschränkung 0 -100 -200 -300 -400 -500 -600 0 100 200 300 Randtiefe [µm] 05 Schadensbilder und Wöhlerdiagramm – Serie ohne Verschränkung Verzahnungsdaten m n = 2,9 mm z 1,2 = 26/31 α n = 20,0° β = +/- 25,0° b = 25,2/25,2 mm a = 91,5 mm Variante Serie ohne Verschränkung Lastwechselzahl nach Weibull für 50% Ausfallwahrscheinlichkeit: 57.228.815 LW Vier Versuche G: Grübchenschaden 0,10 0,05 1 2 3 4 Versuche 1 Lastwechsel N [10 6 ] N g = 100 1000 Ausfallwahrscheinlichkeit 0,999 0,99 0,96 0,90 0,75 0,50 0,25 Ausfallwahrscheinlichkeit P A [-] 0,02 0,01 1 Lastwechsel N [10 6 ] N g = 100 1000 Wöhlerdiagramm 1000 900 Drehmoment M an [Nm] 800 700 600 500 1 Lastwechsel N [10 6 ] N g = 100 1000 G G G G www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/09 55

Aktuelle Ausgabe

Aktuelle Ausgabe