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antriebstechnik 7/2020

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antriebstechnik 7/2020

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Verzahnungsdaten m n = 4,78 mm z 1,2 = 16/44 α n = 24,0° β = +/– 16,0° b = 105,0/59,5 mm a = 152,0 mm Prüfstand EoL – Daimler M = 100 Nm Stirnradmesszelle M = 100 Nm Legende Serie ohne VS (WS) Wälzschleifen mit nat. VS Top. Optimiert WS mit gez. VS –Fokus: Pressung Top. Optimiert WS mit gez. VS –Fokus: Drehfehler Verzahnungsdaten m n = 4,78 mm z 1,2 = 16/44 α n = 24,0° β = +/– 16,0° b = 105,0/59,5 mm a = 152,0 mm Prüfstand EoL – Daimler Simulationsprogramm FE-Stirnradkette 07 Validierung der ‚FE Stirnradkette‘ bei M = 100 Nm Luftschallpegel [dB] Luftschallpegel [dB] Summierte Zahneingriffsfrequenzen 600 Drehzahl [min -1 ] 1800 2200 Gesamtpegel 600 Drehzahl [min -1 ] 1800 2200 08 Validierung der ‚FE Stirnradkette‘ bei M = 1 500 Nm M = 1500 Nm Legende Serie ohne VS (WS) Wälzschleifen mit nat. VS Top. Optimiert WS mit gez. VS –Fokus: Pressung Top. Optimiert WS mit gez. VS –Fokus: Drehfehler Luftschallpegel [dB] Luftschallpegel [dB] Summierte Zahneingriffsfrequenzen 600 Drehzahl [min -1 ] 1800 2200 Gesamtpegel 600 Drehzahl [min -1 ] 1800 2200 Varianten Varianten für beide gezeigten Varianten, die eine vergleichbare Zahnflankentopografie aufweisen, bei unterschiedlich gewählten Fertigungsverfahren ein vergleichbares Anregungsverhalten festzustellen. Demnach hat die Wahl des Fertigungsprozesses bei dieser Verzahnung unter den gegebenen Versuchsparametern bei gleich gefertigten Zahnflankenmodifikationen keinen Einfluss auf die gemessene Anregung. Eine analoge Auswertung für die übrigen Varianten ist in Bild 06 zusammengefasst. Jegliche Abweichungen liegen betragsmäßig unterhalb von ΔDF = 0,5 µm. Demzufolge ist eine sehr gute Übereinstimmung insbesondere bei höheren Drehmomenten zu verzeichnen. Die geringfügig erhöhte Abweichung bei M An = 50 Nm ist auf die Regelung der elektrischen Maschinen des Prüfstands zurückzuführen. Werden die Drehfehleramplituden der einzelnen Varianten je Laststufe gegenübergestellt, so weisen die topologisch verschränkungsfrei und die mit dem konventionellen Wälzschleifverfahren gefertigten Varianten eine analoge Abstufung wie im Auslegungsprozess auf, vgl. Bild 04. Für die optimierte Variante ist zu beachten, dass sie für höhere Lasten ausgelegt wurde und eine höhere Sensitivität der Verzahnungsabweichung auf den Drehfehler im niedrigen 8.0 6.0 Drehfehler 1.fz (p) [µm] 4.0 2.0 0.0 8.0 6.0 Drehfehler 1.fz (p) [µm] 4.0 2.0 0.0 Lastbereich aufweist. Dies spiegelt sich insbesondere auch in dem höheren Drehfehler der Worst-Case-Varianten wider, vgl. Bild 04, und führt dazu, dass die optimierte Variante einen erhöhten Drehfehler im quasistatisch untersuchten Niedriglastbereich gegenüber den nichtoptimierten Varianten aufweist. Das Potenzial der optimierten Variante im erhöhten Lastbereich wird in den End-of-Line- Untersuchungen überprüft. 3.2 DYNAMISCHE PRÜFSTANDSUNTERSUCHUNG UND VALIDIERUNG BEI ERHÖHTEN LASTEN Es sind ausgewählte Verzahnungsvarianten in den End-of- Line-Tests beim Fahrzeughersteller untersucht worden. Zu diesen Varianten zählt neben der topologisch verschränkungsfreien und den beiden optimierten Varianten die Serienvariante mit einer natürlichen Verschränkung, welche sich aus dem Wälzschleifprozess ergibt. Die Untersuchung der einzelnen Radsatzvarianten erfolgte in verschiedenen Getrieben. Die Fertigungstoleranzen der Getriebe können leichte Verschiebungen der Anregungsniveaus bewirken. Zudem sind die Ritzel der Serienfertigung entnommen und nicht topografisch gemessen worden, weshalb den folgenden Berechnungen die Topografien der gefertigten Räder mit idealen Ritzeltopografien zugrunde liegen. Diese Aspekte sind in der Analyse der Luftschallmessungen zu berücksichtigen. In Bild 07 stellen die linken Diagramme, die analog zu den zuvor beschriebenen Auswertemethoden dargestellt sind, vgl. Bild 03, das Anregungsverhalten für M An = 100 Nm dar. Der hervorgehobene antriebsseitige Drehzahlbereich von n An = 1 400 – 2 400 min -1 stellt den für die Serienapplikation relevanten Betriebsbereich dar. Die aufaddierten Zahneingriffsfrequenzen, vgl. Bild 07 oben, zeigen die Anregung resultierend aus dem Zahneingriff. Insbesondere zeigt diese Auswertung den Einfluss der verschiedenen Topografien auf. Im gemittelten Frequenzspektrum in Bild 07 unten kommt insbesondere das Schwingungsverhalten des Gesamtsystems zum Tragen. Werden die beiden Luftschallpegel verglichen, so ist bzgl. der summierten Zahneingriffsfrequenzen eine eindeutige Abstufung identifizierbar. So weisen die optimierten Varianten bzgl. des Luftschallpegels bei diesem Betriebspunkt ein akustisch auffälligeres Verhalten auf, wohingegen die Varianten ohne bzw. mit einer sehr geringen Verschränkung leiser sind. Zwar sind im gemittelten Frequenzspektrum die Verläufe dichter beieinander, doch sind ähnliche Abstufungen der Varianten festzustellen. Stellt man diese unter dynamischen Verhältnissen erfassten Messungen mit denen aus den quasistatischen Versuchen auf der Stirnradmesszelle gegenüber, vgl. Bild 07 rechts, so ist eine gleiche Abstufung der Varianten feststellbar. Demnach ist die Vergleichbarkeit der Simulationsergebnisse mit den Untersuchungsergebnissen auf der Stirnradmesszelle und auch für die dynamischen End-of-Line-Untersuchungen möglich. Eine besondere Relevanz stellen Untersuchungen bei höherer Last dar, da die Optimierung mittels gezielter Verschränkung für das Nennmoment (M An,Nenn ≈ 2 300 Nm) vorgenommen wurde. Die Untersuchungen für die Laststufe M An = 1 500 Nm sind in Bild 08 gezeigt. Entsprechend der für die höheren Lasten ausgelegten Varianten, ist bei dieser Laststufe eine Änderung der Abstufung zu verzeichnen. Demnach spiegelt sich der geringere Drehfehler der beiden Varianten mit einer gezielt hohen Verschränkung 50 antriebstechnik 2020/07 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG insbesondere im relevanten Drehzahlbereich im Luftschall wider. Sowohl die Anregung aus dem Zahnkontakt als auch die Systemantwort des Gesamtaufbaus ist in den Prüfstandsuntersuchungen für die optimierte Variante am geringsten. Dieses Ergebnis wird in der FE-basierten Zahnkontaktanalyse für diesen Lastpunkt bestätigt, sodass eine ähnliche Abstufung auf Basis des Drehfehlers berechnet werden kann. 4 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Die in diesem Bericht vorgestellten Untersuchungen zu einer Serien-Lkw-Verzahnung zeigen, dass die ‚FE Stirnradkette‘ fähig ist, den Drehfehler mit einer hohen Berechnungsgüte vorherzusagen. Hierbei konnten die quasistatischen Untersuchungen belegen, dass unabhängig vom gewählten Fertigungsverfahren bei gleicher Verschränkung ein ebenso gleiches Anregungsverhalten resultiert. Weiterhin wurde der erhebliche Einfluss auf die Ergebnisse durch die Betrachtung von Varianten, die am Toleranzfeldrand lagen, nachgewiesen, und der Bedarf einer toleranzfeldorientierten Auslegung bestätigt. Die darüber hinaus bei höheren Lasten durchgeführten dynamischen Untersuchungen auf dem End-of-Line-Prüfstand zeigen eindeutig den Einfluss der Topografie. Insbesondere zeigt das Anregungsverhalten der Variante mit gezielt aufgeprägter Verschränkung für den entsprechend ausgelegten Lastbereich einen deutlich geringeren Luftschallpegel. Eine gleiche Abstufung der Varianten ist auf Basis des berechneten Drehfehlers bereits unter quasistatischen Bedingungen möglich. Zusammengefasst konnte zum einen die Gültigkeit der Zahnkontaktanalyse hinsichtlich der Verschränkung für diesen Verzahnungsfall nachgewiesen werden. Zum anderen wurde für die Lkw-Verzahnung das Potenzial der Verschränkung für die untersuchten Betriebszustände belegt und die im vorangegangenen Vorhaben definierte Auslegung validiert. In dem Forschungsvorhaben sind weitere Untersuchungen an einem Getriebe einer Windenergieanlage durchgeführt worden. Die Ergebnisse lesen Sie im nächsten Teil dieser 5-teiligen Artikelserie in Ihrer antriebstechnik. 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 Daimler AG für die Bereitstellung der Prüfkörper sowie für die Prüfstandskapazitäten im End-of-Line und der Kapp GmbH & Co. KG für die Fertigbearbeitung der Verzahnungen. DIE AUTOREN Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen und Mitglied des Direktoriums des Werkzeugmaschinenlabors (WZL), RWTH Aachen Fotos: WZL der RWTH Aachen Literaturverzeichnis: [CAO02] Cao, J.: Anforderungs- und fertigungsgerechte Auslegung von Stirnradverzahnungen durch Zahnkontaktanalyse mit Hilfe der FEM. Diss. RWTH Aachen, 2002 [FVA19] Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (Hrsg): FVA 692 II – Topologisches Schleifen. Untersuchung der Potenziale des topologischen Schleifens im Hinblick auf das Einsatzverhalten von Stirnradverzahnungen. Abschlussbericht, Frankfurt am Main, 2019 [HELL15] Hellmann, M.: Berücksichtigung von Fertigungsabweichungen in der Auslegung von Zahnflankenmodifikationen für Stirnradverzahnungen. Diss. RWTH Aachen, 2015 [HOHL02] Hohle, A. C.: Auswirkungen von Rauheit, Oberflächenstruktur und Fertigungsabweichung auf das Lauf- und Geräuschverhalten hartfeinbearbeiteter hochüberdeckender Zylinderräder. Diss. RWTH Aachen, 2002 [KLOC17] Klocke, F.; Brecher, C.: Zahnrad- und Getriebetechnik. Auslegung – Herstellung – Untersuchung – Simulation. 1. Aufl. München: Carl Hanser, 2017 [VDI01] N.N.: VDI/VDE 2608: Einflanken- und Zweiflanken-Wälzprüfung an Zylinderrädern, Kegelrädern, Schnecken und Schneckenrädern. Berlin: Beuth-Verlag, 2001 www.fva-service.de 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 2020/07 51

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