Entwicklung und Verifikation einer Methode zur Bestimmung der Zahnfußtragfähigkeit von konischen Stirnrädern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war es, die Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit von Beveloids durch gesicherte Methoden zu ermöglichen. Durch die Entwicklung einer numerischen, lokalen Berechnungsmethode und einer analytischen Berechnungsmethode wurde dieses Ziel erreicht. Zur Vorhersage der Zahnfußspannungen wird die FE-basierte Zahnkontaktanalyse nach Hemmelmann um die Berechnung von Zahnfußspannungen erweitert. Ausgehend von einem geometrischen Modell einer Zahnlücke eines Beveloids wird zunächst ein Vorgehen zur automatisierten FE-Vernetzung aufgestellt. Im nächsten Schritt wurde eine Methode zur Ermittlung der Zahnfußspannungen aus den Ergebnissen der FE-basierten Zahnkontaktanalyse unter Last entwickelt. Die Zahnfußspannungen werden mit dieser Methode für zwei miteinander abwälzende Beveloidzahnräder in diskreten Wälzstellungen berechnet. Im Gegensatz zu vergleichbaren Methoden für Stirn- und Kegelräder wird der Spannungsverlauf im gesamten Zahnfußbereich, also entlang der gesamten Zahnbreite und -höhe sowie in Zahndickenrichtung, ermittelt. Zur Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit wird anschließend eine lokale Berechnungsmethode auf Basis der Zahnfußspannungen aus der FE-basierten Zahnkontaktanalyse entwickelt. Die Methode basiert auf dem Fehlstellenmodell nach Weibull und benötigt neben den berechneten Zahnfußspannungsverläufen den Härte- und den Eigenspannungsverlauf sowie die Randoxidation und die Oberflächenrauheit als Eingangsgrößen. Mit diesen Eingangsgrößen wird die lokale Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit von konischen Stirnrädern ermöglicht. Neben der lokalen Berechnungsmethode wird eine normbasierte Berechnungsmethode auf Basis von analytischen Formeln entwickelt. Die analytische Berechnungsmethode ermöglicht die Berechnung der Zahnfußspannungen von konischen Stirnrädern. Grundlage der analytischen Berechnungsmethode ist die analytische Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit von zylindrischen Stirnrädern. Durch Anpassung der Berechnungsmethode wird der Einfluss des Konuswinkels auf die Zahnfußtragfähigkeit in die Berechnungsmethode integriert. Durch die Validierung anhand von Tragfähigkeitsuntersuchungen auf einem Verspannungsprüfstand konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Methoden in der Lage sind, die Zahnfußtragfähigkeit von Beveloids vorherzusagen. Dabei weist der lokale Berechnungsansatz, der auf dem Fehlstelienmodell von Weibull beruht, erwartungsgemäß eine höhere Vorhersagegenauigkeit als der analytische Berechnungsansatz auf. Die Forschungsfrage, ob sich die Methoden der Normrechnung und die lokalen Versagenshypothesen auf konische Stirnräder anwenden lassen, ist somit beantwortet. Bei der Entwicklung des analytischen Berechnungsansatzes stellte sich heraus, dass die bisherige Annahme, eine Ersatzstirnradverzahnung aus dem mittleren Stirnschnitt für die Berechnung von Stirnradverzahnungen zu venwenden, nicht ausreichend ist. Als weitere Erkenntnis für die Zahnfußtragfähigkeit ist festzuhalten, dass der Formfaktor YF nicht, wie häufig angenommen, in jedem Stirnschnitt individuell zu berechnen ist. Eine bessere Vorhersagegenauigkeit wird erreicht, wenn der Formfaktor des mittleren Stirnschnitts verwendet wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Auslegung von Beveloidzahnrädern unter Zuhilfenahme von Fertigungssimulation und FE-basierter Zahnkontaktanalyse. In: Kongress für Simulation im Produktentstehungsprozess, Veitshöchheim, 2011
Brecher, C.; Gorgels, C.; Röthlingshöfer, T.; Henser, J.
- Simulation von Beveloidverzahnungen - Berechnung der Zahnfußspannungen. In: DMK 2011 - Dresdner Maschinenelemente Kolloquium, 29. und 30. November 2011, 2011
Brecher, C.; Brumm, M.; Henser, J.
- Local Approach for the Evaluation of Tooth Root Load Carrying Capacity of Beveloid Gears. In: 4th WZL Gear Conference in the USA, Schaumburg, lllinios, 2012
Brecher, C.; Brumm, M.; Henser, J.
- Calculation of the Tooth Root Load Carrying Capacity of Beveloid Gears. In: 2013 AGMA Fall Technical Meeting, 15.-17.09.2013, Indianapolis
Brecher, C.; Brumm, M.; Henser, J.
- Comparison of Local Approaches for the Evaluation of Tooth Root Load Carrying Capacity of Beveloid Gears. In: International Conference on Gears, 17.-09.10.2013, München/Garching
Brecher, C.; Brumm, M.; Henser, J.
- Influence of the manufacturing method on the running behavior of beveloid gears. Production Engineering, Bd. 7, Nr. 2-3, 8. 265-274, 2013
Brecher, C ; Brumm, M.; Hübner, F.; Henser, J.
