antriebstechnik 10/2015

Realistisch zum Ergebnis

Realistisch zum Ergebnis Wie lässt sich der Wirkungsgrad von Industriegetrieben berechnen? Jürg Langhart, Thomas Panéro In den vergangenen Jahren wurde die Abschätzung der Verlustleistung in Getrieben immer wichtiger. Insbesondere wenn neue Getriebekonzepte entwickelt werden, wird die schnelle und zuverlässige Abschätzung des Gesamtwirkungsgrads unverzichtbar. Wie aber lässt sich dieser realistisch berechnen? Jürg Langhart ist Projektingenieur bei der KISSsoft AG in Bubikon, Schweiz Thomas Panéro ist Entwickler bei der KISSsoft AG in Bubikon, Schweiz Betrachtet man die Wirkungsgradberechnungen für Getriebe genauer, so stellt man fest, dass die Berechnungen für den Verlust durch Zahneingriff und für Planschverluste in Normen wie ISO/TR 14179 relativ gut definiert sind. Für die vielen anderen Maschinenelemente, wie z. B. Kupplungen oder Synchronisierungen, sind die Berechnungen des Wirkungsgrads relativ neu und entsprechende Normen fehlen bisher. Obwohl es jedoch bereits einige Pionierarbeiten auf diesem Gebiet gibt, können diese Verlustleistungen nur mit Hilfe von Kennfeldern für die gemessenen Verlustleistungen von Referenzgetrieben auf Prüfständen ausreichend genau bestimmt werden. Für Software-Entwickler stellt diese Anforderung eine große Herausforderung dar. Kisssoft hat daher in Kisssys eine spezielle Vorlage implementiert, um die Wirkungsgradberechnung und die thermische Bilanz eines kompletten Getriebes mit Verzahnungen, Wellen, Lagern, Dichtungen, Kupplungen, Synchronisierungen u. a. zu automa tisieren. Das Template besteht aus zwei Teilen: der Berechnung der Verlustleistung und der Berechnung der Wärmeabfuhr, wobei für beide die Berechnungen nach Normen wie ISO, AGMA, VDI und die Forschungsarbeiten von Universitäten sowie Industrie angewendet werden. Zusätzlich zu den Normen werden noch andere Datenquellen benötigt. Für die Verluste der Verzahnungen liefert etwa die lokale Kontaktanalyse sehr genaue Ergebnisse, einschliesslich der Mikrogeometrie, und auch eine Interpolation auf der Grundlage der gemessenen Verlustleistungskenn felder steht zur Verfügung. Das Template wurde durch Vergleich mit den aktuellen Messwertdaten unserer Kunden, die eng mit uns zusammenarbeiten, geprüft und bestätigt. Wir geben eine Übersicht über die Normen zur Verlustleistungsberechnung und beschreiben die Anwendungen für ein Industrie- sowie ein Automobilgetriebe mit den jeweils erzielten Ergebnissen. Anwendung der thermischen Bilanz Der allgemeine Kostendruck bei der Entwicklung und Fertigung von Industriegetrieben zwingt die Getriebehersteller zu einer äußerst effizienten Auslegung der Produkte vor allem nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Zunehmend treten dabei Aspekte der Ressourcenschonung und des Umweltschutzes während der Herstellung und im Betrieb eines Getriebes in den Vordergrund. Eine Betrachtung von „Total Life Cycle Costs“ ist für den Maschinen- und Anlagenbetreiber von steigendem Interesse, womit auch der Getriebehersteller konfrontiert wird. Aus diesem Grund ist auf Seiten des Getriebeherstellers eine umfassende Betrachtung aller relevanten Einflussfaktoren notwendig, wie z. B.Produktionsprozesse (Herstellkosten), Getriebeauslastung (Betriebskosten), Lebensdauer (Betriebskosten) und Wartung (Betriebskosten). Für die Minimierung der Betriebskosten tritt verstärkt die Reduktion der Energieverluste als Zielsetzung der Getriebeauslegung in den Vordergrund. Energieverluste treten typischerweise als erhöhte Temperaturen 72 antriebstechnik 10/2015

01 Versuchsergebnis (Temperaturverlauf) von Getriebe (rote Linie) und Umgebungstemperatur (blaue Linie) im Betrieb in Erscheinung, welche häufig eine Limitierung der Leistung von schnelllaufenden und kompakten Getrieben darstellen. Getriebe mit geringen Energieverlusten senken nicht nur Betriebskosten, sondern schonen natürlich auch die Umwelt. Zudem wird eine exakte Aussage zu Oberflächentemperaturen und Wirkungsgraden häufig vom Kunden als Kennwerte eines Getriebes gefordert. Um den obigen Anforderungen gerecht zu werden, muss eine sichere und effektive Bestimmung der Produkteigenschaften bereits in der Entwurfsphase möglich sein. Im Bereich der mechanischen Festigkeitsberechnungen bieten vor allem Normen eine breite Grundlage, die in der Berechnungsplattform Kisssoft, erweitert durch Kisssys, umfassend und benutzerfreundlich implementiert ist. In Zusammenarbeit der Firmen Kisssoft AG und ZAE-Antriebssysteme GmbH & Co KG wurde ein allgemeingültiges Berechnungswerkzeug innerhalb von Kisssys zur Bestimmung von Verlustleistungen und Temperaturen eines Getriebes geschaffen. Berechnung Verlustleistung und thermische Bilanz Als Grundlage für eine allgemeingültige Verlustleistungs- und Temperaturberechnung von kompletten Getriebesystemen kann beispielsweise der ISO Technical Report 14179 (3) herangezogen werden. Der Bericht be inhaltet Grundlagen zur Ermittlung der Einzelverluste der verschiedenen Maschinenelemente, welche dann zur Gesamtverlustleistung aufaddiert werden. Das jetzt entstandene Berechnungswerkzeug umfasst zusätzliche Berechnungen nach den gültigen Normen wie ISO/TR 13593, AGMA 6123- B06, SKF 1994 sowie 2004 und VDI 2241. Die Wärmeabfuhrberechnung berücksichtigt die Wärmeabgabe über die Gehäuse oberfläche, über das Fundament und die rotierenden Teile wie Wellen und Kupplungen. Detaillierte Informationen, beispielsweise zu Oberflächenbeschaffenheiten, können die Genauigkeit der Berechnung erhöhen. Mit Hilfe der Resultate von Verlustleistungs- und Temperaturmessungen im Beharrungszustand, sowie der Daten zum Wärmeaufnahmevermögen des Getriebes, können Temperaturgänge und Beharrungstemperaturen rechnerisch bestimmt werden. Ein zentraler Punkt in dieser Berechnung ist die Möglichkeit, individuelle Anpassungen der Berechnungsansätze für die Einzelverluste und die Wärmeabführung vornehmen zu können. Ferner soll auch die Inter dependenz der entstehenden Verlustleistung und der sich daraus einstellenden Betriebstemperatur erfasst werden. Das erfordert eine iterative Vorgehensweise bei der Verlust- und Temperaturberechnung. Praktische Anwendung Die Verlustleistungs- und Temperaturberechnungen wurden für ein Getriebe durchgeführt, das kürzlich von ZAE entwickelt wurde. Bei dem Getriebe handelt es sich um ein dreistufiges Kegel-Stirnradgetriebe der neuen Baureihe mit einem andlunsfhies lammerffhen ie erbesserte rdunslemme mit ein ebauter utshienenhalterun n lammert sih fest und siher an rt und telle. urh behrte ershraubunen hlt sie auh in mebunen hne hienen slide und uerlssi. bietet für alle erdenlihen nendunen im Bereih der trmerteilun mehr als rdute in untin und esin ariabel und flexibel auf Ihre Bedürfnisse abstimmbar. www.ftg-germany.de