Transfer der Methode zur gehörgerechten Auslegung auf geschliffene Kegelradverzahnungen erweitert um die Aufprägung einer gezielten Mikrogeometriestreuung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurde ein neuartiger Ansatz µVAROPT zur NVH-Optimierung von Zahnradgetrieben vorgestellt. Eine gezielte Mikrogeometriestreuung wird auf die Verzahnung aufgebracht, um die Regelmäßigkeit des Zahneingriffes zu manipulieren. Der Effekt einer gezielten Mikrogeometriestreuung an Zahnrädern ist die Reduzierung der Amplituden der Zahneingriffsordnungen bei gleichzeitiger Erhöhung des Grundgeräusches. Dadurch wird insbesondere die Tonhaltigkeit des Getriebegeräusches gesenkt. Mit dem entwickelten Kennwert κ φφ kann die Unregelmäßigkeit einer ausgelegten Mikrogeometriestreuung bewertet werden. Somit kann bereits bei der Betrachtung der quasistatischen Verzahnungsanregung (Drehfehler) auf ein mögliches dynamisches Verhalten hinsichtlich der Reduzierung der Tonhaltigkeit des Getriebegeräusches geschlossen werden. Die Realisierbarkeit zur Fertigung von gezielten Mikrogeometriestreuungen an Stirn- und Kegelrädern im diskontinuierlichen Schleifverfahren konnte erfolgreich gezeigt werden. Bei Stirnrädern wurden die unterschiedlichen Mikrogeometrien von Lücke zu Lücke durch erneutes Abrichten des Werkzeugs (Schleifscheibe) realisiert werden. Somit ist eine produktive Umsetzung nur bei Stirnradverzahnungen mit hoher Zähnezahl und/oder kleiner Stückzahl sinnvoll, da dort mehrmals die Schleifscheibe abgerichtet werden muss. Bei der Fertigung von Kegelrädern mit gezielten Mikrogeometriestreuungen ist eine Produktion theoretisch auf aktuellen Kegelradschleifmaschinen ohne Einbußen möglich. Die unterschiedlichen Mikrogeometrien werden nur durch eine Anpassung der Kinematik des Werkzeuges (Topfschleifscheibe) und nicht durch eine Veränderung der Geometrie (Abrichten) erzeugt. Bei der Fertigung von Mikrogeometriestreuungen im diskontinuierlichen Profilschleifenprozess konnte beobachtet werden, dass es durch das Schleifen der Mikrogeometriestreuung zu einem stochastischen Verlauf des Teilungsfehlers kommt. Ein stochastischer Teilungsfehlerverlauf hat im Vergleich einen geringeren Einfluss auf die Senkung der Amplituden der ersten vier Zahneingriffsordnungen 1.fz – 4.fz als eine stochastische Mikrogeometriestreuung. Der gemittelte relative Vergleich zu einer Variante ohne stochastische Streuung der Verzahnungsgeometrie zeigt, dass eine Superposition aus stochastischer Streuung der Mikrogeometrie und der Teilung den größten Effekt auf die Senkung der Anregungsamplituden der Zahneingriffsordnungen besitzt. Dieses Phänomen konnte ebenfalls in Prüfstanduntersuchungen festgestellt werden. In den Dynamikuntersuchungen der Radsätze mit stochastischen Abweichungen an Ritzel und Rad könnte durch eine geringe stochastische Überlagerung des Teilungsfehlerverlaufs bereits die Tonhaltigkeit der Anregung um 14 % gesenkt werden. Eine um bis zu 65 % geringere Tonhaltigkeit der Anregung konnte durch eine Kombination aus gezielter Mikrogeometriestreuung und stochastischem Teilungsfehlerverlauf erzielt werden. Durch experimentelle Untersuchung der Flankentragfähigkeit von Verzahnung mit und ohne gezielte Mikrogeometriestreuung im 2-Wellen-Verspannungsprüfstand konnte gezeigt werden, dass die durchschnittliche ertragbare Lastspielzahl durch eine gezielte Mikrogeometriestreuung gesteigert werden kann. Jedoch steigt auch die Streuung der Ergebnisse bei der Variante mit gezielter Mikrogeometriestreuung. Die validierte Methodik wurde im Folgenden genutzt, um die Geräuschcharakteristik einer Kraftfahrzeugapplikation zu optimieren. Hierzu wurde eine starre Hinterachse eines leichten Nutzfahrzeugs mit Hypoidradsatz mit einer gezielten Mikrogeometriestreuung gefertigt und aufgebaut. Bei der industriellen Anwendung konnten die akustischen Vorteile einer gezielten Mikrogeometriestreuung ebenfalls gezeigt werden. Abschließend kann man festhalten, dass es bei der Optimierung der Geräuschcharakteristik von Stirnradgetrieben durch eine stochastische Streuung der Zielgeometrie darauf ankommt, das erzeugte Chaos zu kontrollieren. Die Grenzen der Reliabilität muss genau ausgelegt werden, damit sie zu einer Verbesserung und nicht zu einer Verschlechterung der Geräuschcharakteristik führt. Ebenfalls konnten die möglichen Vorteile einer gezielten Mikrogeometriestreuung für die bessere Verteilung der Schädigung auf der Zahnflanke aufgezeigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Einfluss einer gezielt aufgeprägten Mikrogeometriestreuung auf das Anregungsverhalten von Kegelradverzahnungen. In: Forschung im Ingenieurwesen 82 (2018), 4 , ISSN 0015-7899 ; 1434-0860 (Online), S. 1–15
Kasten, M.; Brecher, C.; Löpenhaus, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s10010-018-0286-9) - Reduction of the Tonality of Gear Noise by Application of Topography Scattering for Ground Bevel Gears. In: AGMA Fall Technical Meeting 2019, Technical Paper 19FTM09 ISBN 978-1-64353-048-2
Kasten, M.; Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Lemmer, A.; Bläse, W.; Schalaster, R.
- Scattered Gear Modifications - A New Era in Gear Technology? In: 8th WZL Gear Conference in the USA 2019 ISBN 978-3-86359-743-6
Brecher, C.; Bergs, T.; Löpenhaus, C.; Kasten, M.; Janßen, C.
- Modulazione del rumore tramite modifica topografica delle superfici. In: Organi di Trasmissione 50 (2020), ISSN 0030-4905
Kasten, M.; Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Lemmer, A.; Bläse, W.; Schalaster, R.
- Reduzierung der Tonalität des Getriebegeräusches einer leichten NFZ-Starrachse. In: WZL-Seminar ''Innovationen rund ums Kegelrad'' (2020), ISBN 978-3-86359-827-3
Kasten, M.; Brecher, C.; Brimmers, J.; Bläse, W.; Lemmer, A.; Schalaster, R.
- Noise Optimization without Loss of Load-Carrying Capacity? - Chaotic Scattering of Micro Geometry and Pitch on Cylindrical Gears. In: The Brazilian Gear Conference 2021 ITA-WZL, November 2021, ISBN 978-65-594-1377-5
Kasten, M.; Ahmad M.; Brecher, C.
- Psychoacoustic Optimization of Gear Noise - Chaotic Scattering of Micro Geometry and Pitch on Cylindrical Gears. In: Gear Technology, October 2021, ISSN 0743-6858
Kasten, M.; Brimmers, J.; Brecher, C.
- Reduction of the tonality of gear noise by application of topography scattering for ground bevel gears. In: GearSolutions, May 2021, ISSN 1933 – 7507
Kasten, M.; Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Lemmer, A.; Bläse, W.; Schalaster, R.
- Schutzrecht DE10 2019 004 687 A1 (01.07.2021). Verfahren zur Herstellung von Zahnflankenmodifikationen an Verzahnungen von Werkstücken sowie Werkzeuge zur Durchführung des Verfahrens
Löpenhaus, C.; Brecher, C.
- Auslegungsmethodik von Mikrogeometriestreuungen an Zahnrädern zur psychoakustischen Optimierung des Getriebegeräusches im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen. Diss. RWTH Aachen University, 2022
Kasten, M.
