antriebstechnik 5/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG TEIL 1 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. Weil bisher nur wenige Kenntnisse zu den Auswirkungen von topologischen Korrekturen, z. B. der Verschränkung, auf das resultierende Einsatzverhalten vorliegen, werden sie nur selten eingesetzt. Wie die Vorteile der topologischen Flankenkorrektur bei Stirnradverzahnungen in der Praxis genutzt werden können, das hat Mubarik Ahmad vom Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen im Forschungsvorhaben 692 II der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. (FVA) herausgefunden. Basierend auf den theoretisch erworbenen Erkenntnissen der vorangegangenen Forschungsarbeit (FVA 692 I – Potenziale des topologischen Schleifens), hatte Ahmads Vorhaben den experimentellen Nachweis funktionaler Potenziale von Verschränkungen unter Berücksichtigung der Fertigungsverfahren zum Ziel. 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 Volkswagen AG, der Reishauer AG, der Daimler AG, der Kapp GmbH & Co. KG, der Flender GmbH sowie der ZF Friedrichshafen AG für die aktive Unterstützung des Forschungsvorhabens. AUS FORSCHUNG WIRD PRAXIS Die FVA hat in dem Projekt die engagierten Industrieteilnehmer VW (Pkw-Verzahnung), Daimler (Lkw-Verzahnung), Flender (Getriebe für Windenergieanlagen), ZF (Tragfähigkeitsprüfverzahnung), Reishauer (Hartfeinbearbeitung) und Kapp (Hartfeinbearbeitung) mit der Forschung (WZL der RWTH Aachen) zusammengebracht. Gemeinsam sind sie vorwettbewerblich dem topologischen Schleifen auf den Grund gegangen. „Zusammen mit der Industrie ist es uns gelungen, aussagekräftige Ergebnisse zu erzielen und das Potenzial der Verschränkung an vier unterschiedlichen Verzahnungsfällen unterschiedlicher Anwendungen nachzuweisen“, sagt Mubarik Ahmad, Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen. INHALTE UND VERSUCHSUMFÄNGE DES FORSCHUNGSPROJEKTES Die Untersuchungen wurden für das diskontinuierliche Profilschleifen als auch das kontinuierliche Wälzschleifen durchgeführt. Mithilfe der von den Unternehmen zur Verfügung gestellten Nennauslegung wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen Fertigungsprozessen auf die Zahnflankentopografie und das spätere Einsatzverhalten untersucht. Während die Verschränkung variiert wurde, sind die übrigen Vorgaben aus der Serie beibehalten worden. Basierend auf Variantenrechnungen mittels der Zahnkontaktanalyse ‚FE-Stirnradkette‘ sind gezielte Verschränkungen für ein verbessertes Einsatzverhalten abgeleitet und validiert worden. Der Versuchsplan sollte einen Vergleich zwischen konventionell (Wälzschleifen / Profilschleifen mit natürlicher Verschränkung), topologisch verschränkungsfrei (Serie ohne Verschränkung) und topologisch optimiert (top. optimiert mit gezielter Verschränkung) geschliffenen Zahnflanken ermöglichen. Der Bedarf einer toleranzfeldorientierten Auslegung wurde durch vereinzelte Varianten am Toleranzfeldrand untersucht und nachgewiesen. Die zahlreichen Untersuchungen erfolgten sowohl unter idealen Prüfbedingungen am Werkzeugmaschinenlabor als auch bei den Industrieteilnehmern unter applikationsnahen Bedingungen (Grafik). Von der Manpower über Hardware bis hin zu umfangreichen experimentellen End-of-Line Tests: die Arbeit des WZL und die Beiträge der Industrieunternehmen unter der Moderation der FVA 42 antriebstechnik 2020/05 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Prüfverzahnungen und Prüfvarianten Anregungsverhalten Zahnflankentragfähigkeit Automobil Lkw / Industrie Windenergie Prüfverzahnung Projektpartner: Daimler AG KAPP GmbH Projektpartner: Flender GmbH Projektpartner: ZF Friedrichshafen AG KAPP GmbH EVP und EoL • Serie ohne Verschränkung (VS) • Wälzschleifen mit nat. VS • Profilschleifen mit nat. VS • Top. optimiert mit gezielter VS – Fokus: Drehfehler EVP • Serie konjugiert VS-kompensiert EVP und EoL • Serie ohne VS • Wälzschleifen mit nat. VS • Top. optimiert mit gezielter VS – Fokus: Drehfehler • Top. optimiert mit gezielter VS – Fokus: Pressung EVP • Serie ohne Verschränkung • Top. optimiert mit gezielter VS – Fokus: Drehfehler Worst case EoL: End-of-Line Prüfstand, EVP: Elektrischer Verspannungsprüfstand EoL • Serie ohne VS • Top. optimiert mit gezielter VS – Fokus: Drehfehler 2-Wellen-Verspannungsprüfstand Zeitfest • Serie ohne VS • Profilschleifen mit nat. VS • Wälzschleifen mit nat. VS • Top. optimiert mit gezielter VS – Fokus: Pressung haben die Basis für das erfolgreiche Projekt geschaffen. Dipl.- Ing. Hans-Josef Peters der Flender GmbH fasst es wie folgt zusammen: „Der Erfolg des Forschungsvorhabens 692 II ist eine starke Leistung von Forschung und Industrie. Ohne die Zusammenarbeit mit der FVA als Enabler der vorwettbewerblichen Gemeinschaftsforschung wäre dieser Erfolg undenkbar gewesen.“ Deutliche Reduzierung des Körperschalls von Windkraftverzahnungen, höhere Lastwechselzahlen, minimierte Drehfehler, optimierte Vorhersage des Einsatzverhaltens. Das sind nur einige Ergebnisse des Vorhabens, die für FVA-Mitglieder auf der FVA Wissensdatenbank Themis jederzeit abrufbar sind. EINFACHE ANWENDUNG IN DER PRAXIS Ideal für Getriebeentwickler: Die Zahnkontaktanalyse ist bereits heute als Feature in der FVA-Workbench verfügbar und erleichtert dem Berechnungsspezialisten die Umsetzung der Forschungsergebnisse im Tagesgeschäft. Dr.-Ing. Christoph Löpenhaus, ehemaliger Ober- ingenieur der Getriebetechnik des WZL in Aachen, formuliert es so: „Die Vorteile für den Anwender liegen auf der Hand: Reduzierung der F+E-Kosten durch schnelle, unkomplizierte Simulation. Dafür steht die FVA-Workbench. Durch die validierte Berechnungsgüte der FE- Stirnradkette kann nun das Einsatzverhalten von realen Bauteilen unkompliziert virtuell berechnet und optimiert werden. Effizienter lassen sich Forschungsergebnisse nicht in die Praxis überführen.“ Die Projektergebnisse konnten zusammengefasst das Potenzial der Verschränkung nachweisen und die mittels der Zahnkontaktanalyse ‚FE-Stirnradkette‘ gewonnenen Erkenntnisse validieren. Dieser Artikel ist Teil 1 einer 5-teiligen Serie. Die Ergebnisse und Erkenntnisse der Untersuchungen des Forschungsvorhabens lesen Sie anwendungsbezogen in den nächsten vier Teilen in Ihrer antriebstechnik. Fotos: Peter Winandy, Mubarik Ahmad, WZL der RWTH Aachen www.fva-service.de DIE AUTOREN Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen und Mitglied des Direktoriums des Werkzeugmaschinenlabors (WZL), RWTH Aachen Jens Brimmers M.Sc. M.Sc., Oberingenieur der Getriebeabteilung am Werkzeugmaschinenlabor (WZL), RWTH Aachen Mubarik Ahmad M.Sc., Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor (WZL), RWTH Aachen www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2020/05 43