Erweiterung der Tragfähigkeitsberechnung von Schraubradgetrieben der Werkstoffpaarung Stahl/Kunststoff
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Am Lehrstuhl für Maschinenelemente, Getriebe und Kraftfahrzeuge wurde im Rahmen des Forschungsprojektes ein Tragfähigkeitsberechnungsverfahren für Schraubradgetriebe der Werkstoffpaarung Stahl/Kunststoff entwickelt, das die relevanten Schadensformen systematisch voraussagt. In vorangegangenen Arbeiten wurden bereits einige Einflussparameter untersucht. Das aktuelle Projekt erweitert die bestehenden Tragfähigkeitsberechnungen durch Einbeziehung des Übersetzungs- und des Grundölviskositätseinflusses des verwendeten Schmierfettes. Weiterhin konnten die Berechnungsgleichungen hinsichtlich der Übertragbarkeit auf andere Verzahnungsgeometrien verbessert und ein kohlenstofffasergefüllter Werkstoff in das Berechnungsverfahren integriert werden. Die auf Grundlage der Ergebnisse entwickelte Software schraubrad.de 2.0 unterstützt den Konstrukteur bei der praktischen Getriebeauslegung. Mit einem statischen Prüfstand wurden die spontanen Zahnverformungen und viskoelastischen Effekte in Zeitstandversuchen bei verschiedenen Werkstoffen, Umgebungstemperaturen und Belastungsniveaus gemessen. Einflanken-Wälzprüfungen lieferten die Übertragungsabweichungen der verformten Radzähne. Aus den Messergebnissen folgten Näherungsgleichungen, die das Verformungsverhalten analytisch beschreibbar machen. Sie dienen außerdem zum Abgleich kunststoffgerechter Materialmodelle für FEM-Anwendungen. Mit dem entwickelten FEM-Modell für Schraubradgetriebe können Temperaturverteilungen, Spannungen, Tragbilder und Überdeckungen unter Last bestimmt werden, um für eine Detailauslegung optimale Verzahnungskorrekturen zu finden. Insbesondere eine Kopfrücknahme an der Schnecke erscheint sinnvoll zu sein, um den hohen Spannungsspitzen im Zahnfuß des Rades entgegenzuwirken. Die erzielten Forschungsergebnisse liefern ein anwendungsfreundliches Berechnungsverfahren, zeigen Anwendungsmöglichkeiten für die FEM-Simulationen auf und ermöglichen dadurch eine bessere Vorhersage zur Tragfähigkeit und Zahnverformung von Schraubradgetrieben der Werkstoffpaarung Stahl/Kunststoff, die in vielen hundert Millionen Exemplaren pro Jahr gebaut werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of load capacity for crossed helical gears with material pairing of steel/plastic. International Conference on Gears 2010, München VDI-Berichte 2108 (ISBN 978-3-18-092108-2)
W. Predki, M. Pech
