Entwicklung einer Methode zur einsatz- und fertigungsgerechten Auslegung freier Zahnflankenmodifikationen von Beveloidverzahnungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274876554

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des Forschungsvorhabens war eine neue Auslegungsmethode für topologische Flankenmodifikationen zur Verbesserung des Einsatzverhaltens unter Berücksichtigung der Fertigbarkeit. Durch die Erweiterung der Herstellsimulation GEARGEN und die Zusammenführung der Herstellsimulation GEARGEN und der FE-basierten Zahnkontaktanalyse ZAKO3D in einer Auslegungsmethodik wurde das Ziel des Forschungsvorhabens erreicht. Die Herstellsimulation GEARGEN wurde im Rahmen des Forschungsprojektes um die Abbildung der Kinematik des Diagonalwälzschleifens sowie um eine Abrichtsimulation zur Bestimmung der Werkzeugkontur erweitert. Neben der Abbildung der Shiftbewegung im Diagonalwälzschleifprozess wurde die Berechnungsmethode zudem befähigt, auch Bewegungen höherer Polynomordnung zu berücksichtigen. Die entwickelte Abrichtsimulation ermöglicht auf Basis einer ebenenbasierten Durchdringungsrechnung die Bestimmung der erforderlichen Schneckenkontur in jedem Stirnschnitt der Schnecke und kann daher durch die freie Definition entlang der Schneckenbreite dazu verwendet werden, um veränderliche Profilmodifikationen entlang der Werkstückbreite im Wälzschleifprozess abzubilden. Die Herstellsimulation wurde auf eine Beveloidverzahnung angewendet. Der Abgleich zwischen Ist- und Solltopgrafie der Verzahnung zeigte, dass die Herstellsimulation dazu in der Lage ist, die simulative Abbildung freier Zahnflankenmodifikationen für Beveloidverzahnung zu untersuchen. Die Validierung der Herstellsimulation wurde anhand eines Schleifversuches einer Schrägverzahnung mit freien Zahnflankenmodifikationen durchgeführt, da aufgrund der fehlenden Funktionalitäten bei allen Wälzschleifmaschinenherstellern keine Beveloidverzahnung gefertigt werden konnte. Der Abgleich der Abweichungsfläche zwischen Ist- und Solltopografie zeigt dabei eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen Simulation und Versuch. Ebenso verdeutlichen die Ergebnisse für die Beveloid- und Schrägverzahnung den allgemeingültigen Ansatz der Herstellsimulation. Die Simulation lässt sich daher in gleichem Maße für Beveloid- und Stirnradverzahnungen nutzen. Die FE-basierte Zahnkontaktanalyse ZAKO3D wurde um die Abbildung freier Zahnflankenmodifikationen erweitert. Auf Basis der entwickelten Auslegungsmethode wurde mithilfe von ZaKo3D eine Beispielverzahnung auslegt. Für die Untersuchung des Einsatzverhaltens wurden drei Varianten der Mikrogeometrie mit dem Ziel einer geringen Verzahnungsanregung in der ersten Zahneingriffsordnung ausgelegt und mittels Fünfachsfräsprozess gefertigt. Diese drei Varianten wurden in einer quasistatisch durchgeführten Betriebswälzprüfung untersucht und die Amplitude der ersten Zahneingriffsordnung verglichen. Der Vergleich der drei Varianten untereinander zeigt, dass die Varianten mit den freien Flankenmodifikationen über dem gesamten Drehmomentbereich die geringsten Amplituden aufweist. Der Abgleich der Prüfstandsergebnisse mit den Ergebnissen der FE-basierten Zahnkontaktanalyse zeigt, dass eine hohe Überstimmung zwischen Simulation und Prüfstand besteht. Insgesamt kann anhand der Ergebnisse festgehalten werden, dass freie Flankenmodifikationen ein hohes Potenzial zur Verbesserung des Einsatzverhaltens von Beveloidverzahnung aufweisen. Mit der entwickelten Auslegungsmethode können diese Modifikationen ermittelt und durch die Software geeignet vorhergesagt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Verbesserung der Zahnfußtragfähigkeit von Beveloids durch Optimierung der Mikrogeometriemodifikationen In: Dresdner Maschinenelemente Kolloquium - DMK 2015, 8. und 9. Dezember 2015, Hrsg.: Schlecht, B., TUDpress Dresden 2015, ISBN 978-3-95908-030-9, S. 385 – 404
  Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Brimmers, J.
  
• Function-oriented Tolerancing of Tooth Flank Modifications of Beveloid Gears In: Procedia CIRP (2016), 43, ISSN 2212-8271, S. 124-129
  Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Brimmers, J.
  
• Manufacturing of Topological Flank Modifications and their Influence on the Operational Behavior In: 7th WZL Gear Conference in the USA; July18/19, 2017, Hrsg.: Brecher, C.; Klocke, F., Apprimus Verlag Aachen 2017, ISBN 978-3-86359-524-1, S. 11-1 bis 11-20
  Brimmers, J.; Löpenhaus, C.; Brecher, C.
  
• Potential of Free Flank Modifications for Beveloid Gears In: International Conference on Gears 2017, Garching, 13.-15.09.2017, Hrsg.: GmbH, V.VDI Berichte 2294.1, VDI-Verlag Düsseldorf 2017, ISBN 978-3-18-092294-2, S. 553-564
  Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Brimmers, J.
  
• Potenzial von freien Flankenmodifikationen für Beveloidverzahnungen In: Forschung im Ingenieurwesen: engineering research 81 (2017), 2/3, ISSN 0015-7899 ; 1434-0860 (Online), S. 83-94
  Brimmers, J.; Brecher, C.; Löpenhaus, C.
  
• Ingranaggi Beveloid, Il potenziale delle modifiche libere del fianco In: Organi di trasmissione, 48. Jg., 2018, Nr. 8, ISSN 0030-4905, S. 26-30
  Brimmers, J., Löpenhaus, C.; Brecher, C.