Stirnräder

29. Jan.

Geometrie- und Tragfähigkeitsberechnung

Stirnräder sind das wichtigste Element eines Getriebes und sollten in allen Details analysierbar sein. Dazu bietet die FVA-Workbench die Möglichkeit, Zahnradgeometrien über minimale Eingaben zu definieren oder mit allen Details in einer Abwälzsimulation unter Verwendung von Werkzeugen zu bestimmen. Wenn die Geometrie ausreichend genau beschrieben wird, erhält man bei den anschließenden Norm-Tragfähigkeitsberechnungen oder den lokalen Berechnungsverfahren aussagekräftige Ergebnisse.

Die Tragfähigkeitsberechnung ist nach den unterschiedlichsten Rechenverfahren möglich. Erfasst sind alle wichtigen nationalen und internationalen Normen, wie z.B.

ISO 6336
DIN 3990
AGMA 2101

Zudem kann die Tragfähigkeit nach Vorschriften von Klassifikationsgesellschaften, nach Methoden aus Forschungsvorhaben der FVA, und/oder historischen Verfahren berechnet werden.

Darstellung des Zahneingriffs im Ausgabereport der FVA-Workbench

Höherwertige Methoden zur Stirnradberechnung

Die Linienlastverteilung (links), ist die Grundlage für eine detaillierte Analyse der Schadensmechanismen und eine optimale Auslegung der Verzahnungskorrekturen. Die Linienlastverteilung ergibt sich als direktes Ergebnis aus der Gesamtsystemberechnung. Als maßgeblicher Einfluss wird die aufgeprägte Korrektur berücksichtigt. Aus der Lastverteilung werden die Breitenlastfaktoren KHß und KFß berechnet und an die Normberechnung weitergegeben.
Die Lastverteilung (rechts) wird auf auf Basis der Verzahnungssteifigkeiten berechnet. Zusätzlich werden die Linienlasten für jede Eingriffslinie und die Hertzschen Pressungen aufgrund der lokalen Ersatzkrümmungsradien berechnet. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für die Auslegung der Profil- und Breitenkorrekturen sowie für verschiedene lokale Tragfähigkeitsberechnungen.

Zahnradschäden bei der Auslegung berücksichtigen

Die Ergebnisse der Lastverteilungsberechnung umfassen u.a. die Hertzsche Pressung, die Schmierfilmdicke und die Blitztemperatur auf der Zahnflanke. Damit kann die Entstehung typischer Schadensbilder bei Stirnrädern bereits im Auslegungsprozess verhindern werden.

Projektion der Lastverteilungsergebnisse auf die Zahngeometrie im Ausgabereport der FVA-Workbench

Grübchen

Die Flankentragfähigkeit einer Stirnradverzahnung wird wesentlich von der auftretenden Kontaktpressung bestimmt. Durch die Analyse der örtlichen Pressungsverteilung lässt sich die Gefährdung einer Verzahnung hinsichtlich Grübchenbildung beurteilen.

Grauflecken

Mit der FVA-Workbench lässt sich die örtliche Sicherheit gegen Graufleckenbildung nach ISO TR 15144 berechnen. Zur besseren Bewertung der Berechnungsergebnisse werden zusätzlich Zwischenergebnisse, wie die örtliche Schmierfilmdicke und Gleitgeschwindigkeit, ausgegeben.

Flankenbruch

Die Abschätzung der Flankenbruchgefährdung von Stirnradverzahnungen lässt sich in der FVA-Workbench nach ISO 6336 Teil 4 durchführen.

Fressen

Die Blitztemperaturverteilung ist wesentlich für die Beurteilung der Fresstragfähigkeit. In der FVA-Workbench wird die örtliche Blitztemperatur aus der Lastverteilung nach ISO 6336 Teil 20/21 berechnet.

Zahnfußbruch

Für Verzahnungen, bei denen eine nähere Untersuchung der Zahnfußspannung notwendig ist, kann die Berechnung der örtlichen Zahnfußspannung auf Basis der Boundary-Element-Methode durchgeführt werden.

Schäden vermeiden durch optimale Flankenkorrekturen

Durch geeignete Flankenkorrekturen lassen sich die oben genannten Schadensformen vermeiden. Die FVA-Workbench unterstützt den Nutzer hierbei durch die Berechnung eines topologischen Korrekturvorschlages. Dabei kann aus verschiedenen Korrekturkriterien (z.B. eine gleichmäßige Pressungsverteilung) auswählt werden. Neben der Vorgabe von üblichen Standardkorrekturen lassen sich auch gemessene oder durch eine Fertigungssimulation berechnete Flankentopografien einlesen und beurteilen.