CFD-Simulation der Leerlaufverluste und der Ölverteilung von Verzahnungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nikolaus Andreas Adams; Professor Dr.-Ing. Karsten Stahl
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389373218

Lastunabhängige Verzahnungsverluste machen vor allem in schnelllaufenden Zahnradge-trieben einen großen Anteil der Gesamtverluste aus. Es fehlen derzeit effiziente Methoden zur Quantifizierung dieser Verluste, die zeit- und kostenintensive Prüfstandsversuche ersetzen können. Bis zum jetzigen Zeitpunkt wird verbreitet auf empirische Gleichungen zurück-gegriffen. Auf diese Weise ermittelte Werte können dabei nur als grobe Näherungswerte angesehen werden. Lastunabhängige Verzahnungsverluste werden ihrerseits unmittelbar von den im Getriebekasten vorherrschenden Strömungsbedingungen bestimmt. Auch in Bezug auf die Strömungsausbildung bzw. Ölverteilung in Zahnradgetrieben fehlen bis dato effiziente Prognosemethoden. In der Folge wird die Entwicklung neuer bzw. Optimierung bestehender Zahnradgetriebe hinsichtlich des Wirkungsgrads erheblich erschwert. Die Wirkungs-gradoptimierung in der Getriebeentwicklung könnte durch eine effiziente und gleichzeitig exakte Prognosemethode erheblich verbessert werden. Die derzeit aussichtsreichste Alternative zur Prognose mithilfe empirischer Gleichungen ist dabei die computergestützte, numerische Strömungsmechanik (engl.: Computational Fluid Dynamics). Übergeordnetes Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines opti-mierten und validierten CFD-Simulationsmodells auf Basis der SPH-Methode zum Zweck der Prognose des verzahnungsbedingten Leerlaufverlustmoments und der Ölverteilung in Zahn-radgetrieben. Die Validierung der Simulationsergebnisse erfolgt dabei konsequent einerseits über Messungen des Leerlaufverlustmoments und andererseits über High-Speed Kamera-aufnahmen zur Ölverteilung. In Zusammenarbeit zwischen der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau und dem Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik der TU München wird dazu die interak-tionsbasierte SPH-Methode für Anwendungen auf Zahnradgetriebe optimiert und der Finiten-Volumen Methode gegenübergestellt. Beide Methoden wurden bei den antragstellenden In-stituten in Vorarbeiten bereits angewandt. Da im Stand der Forschung für die SPH-Methode großes Potenzial in der numerischen Handbarkeit ausgewiesen wird, steht aufgrund des direkten Vergleichs mit der Finiten-Volumen Methode am Ende des Forschungsvorhabens eine fundierte Bewertungsgrundlage zur Verfügung. Insbesondere werden die Möglichkeiten der SPH-Methode hinsichtlich der Berechnung des verzahnungsbedingten Leerlaufverlust-moments und der Ölverteilung aufgedeckt.Somit deckt das Forschungsvorhaben systematisch die Potentiale der CFD für die Getriebe-ölsimulation auf, die in Zukunft zeit- und kostenintensive Prüfstandversuche in der Praxis reduzieren können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Stefan Adami; Dr.-Ing. Thomas Lohner