Erhöhung des Wirkungsgrads von Getrieben durch den Einsatz generativ gefertigter, konturnah gekühlter Zahnräder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Getrieben und Verzahnungen wird ein Großteil der Verlustleistung durch übermäßigen Schmierstoffeinsatz verursacht. Dieser wird zu großen Teilen zum Kühlen der Zahnräder verwendet. Ein genereller Ansatz ist eine Minimalmengenschmierung, die jedoch Kühlungsprobleme mit sich bringt. Um die Wirkungsgradvorteile einer Minimalmengenschmierung bei gleichzeitig guter Kühlung zu nutzen, wurde in diesem Projekt der Ansatz einer konturnahen Zahnradkühlung erforscht. Durch die Ausnutzung der Gestaltungsfreiheit, die durch die Fertigungstechnologie des Laserstrahlschmelzen gegeben ist, wurden sich Zahnradgrundkörper mit innenliegenden, konturnah platzierten Kühlkanälen hergestellt. Aus diesem Grund wurde im Rahmen des Forschungsvorhabens die Möglichkeit der konturnahen Zahnradkühlung und Schmierstoffzufuhr untersucht. Hierzu wurde zum einen die Prozesskette der Stirnradherstellung im Laserstrahlschmelzverfahren erarbeitet. Anschließend wurden die resultierenden mechanischen Kennwerte des strahlgeschmolzenen Werkstoffs in Zug- und Pulsatorversuchen evaluiert. Diese dienten zur simulationsgestützten Auslegung zweier Varianten, einer konturnahen Kühlung und einer Innenbeölung. Die beiden Varianten wurden im FZG-Verspannungsprüfstand experimentell erprobt. Im Allgemeinen konnten grundlegende Tendenzen und Potenziale aufgezeigt werden. Die Massentemperatur der Räder konnte durch die konturnahe Innenkühlung bei identischen Schmierungsbedingungen im Vergleich zu ungekühlten Varianten um bis zu 50 K abgesenkt werden. Die lastunabhängigen Verluste stiegen mit höherer Umfangsgeschwindigkeit nahezu linear an. Die lastabhängigen Verluste stiegen mit einer Erhöhung der Last an. Das Absenken der Massentemperaturen durch konturnahe Innenkühlung erwies sich unter den getesteten Bedingungen zur Wirkungsgradsteigerung als ungünstig. Eine Massentemperaturabsenkung resultiert in einer Zunahme der Schmierstoffviskosität, je nach Schmierungszustand ergeben sich dadurch, vor allem im Bereich der Vollschmierung, größere Verluste. Eine Reduktion der Schmierstoffmenge verringert die lastunabhängigen Verzahnungsverluste für beide Varianten. Teilweise führte eine Reduktion der Schmierstofftemperatur zu deutlich größeren lastunabhängigen Verlusten. Dieser Effekt wird mit steigender Umfangsgeschwindigkeit verstärkt. Da die Wirkungsgradvorteile durch Schmierstoffmengenreduktion im Bereich der lastunabhängigen Verzahnungsverluste zu verzeichnen sind, konnten bei hohen Lasten und den daraus resultierenden hohen lastabhängigen Verlustanteilen, in Bezug auf die Gesamtverluste, nur geringe Verlusteinsparungen erzielt werden. Allerding nahmen die lastunabhängigen Verzahnungsverluste mit der Umfangsgeschwindigkeit progressiv zu. Folglich ist die Schmierstoffmengenreduktion im Bereich hoher Umfangsgeschwindigkeiten am wirkungsvollsten. In diesem Bereich sind unter Weiterentwicklung des Prüfstands und des Kühlsystems weitere Untersuchungen sinnvoll.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Gearing body i.e. gear wheel, for use in e.g. gear box, has fluid flow channel assigned into evenly spaced teeth and partially passed inside body, where cooling medium is guided through flow channel inside body, Priorität: DE 102011011242 A: 20110215
Teufelhart, Stefan
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Gear Wheel Manufacture via Selective Laser Melting, RAPID 2014 Conference and Exposition, 09.-12.06.2014, Detroit, Michigan, USA
Kamps, Tobias; Reinhart, Gunther
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Increasing transmission efficiency by implementation of a conformal cooling system using additive manufacturing, Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference (DDMC 2014), March 12- 13.03.2014, Berlin
Kamps, Tobias; Reinhart, Gunther
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Verfahren zum Ausbilden eines Triebelements und Triebelement, Priorität: DE 102014003441 A1: 20140310
Kamps, Tobias; Teufelhart, Stefan
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Gear wheel manufacture via laser additive manufacturing. In: Abele, Eberhard; TU Darmstadt: 13th Powertrain Manufacturing Conference 2015, Powertrain Production 2020, Global Networks. New Processes. Resource Efficiency, S.276-289,17.-18.11.2015, Darmstadt
Kamps, Tobias
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Systematische Bionische Bauteilgestaltung zur Ausschöpfung des AM-Designpotenzials, Rapid Tech 2016, Erfurt, 14.-16.06.2016
Kamps, Tobias; Gralow, Melanie; Seidel, Christian; Reinhart, Gunther
