Erweiterung des Berechnungsverfahrens zur Grübchen- und Zahnfußbruchfähigkeit von Hypoidrädern mit negativer Achsversetzung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Bernd-Robert Höhn
• Subject Area: Engineering Design, Machine Elements, Product Development
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 47816790

Achsversetzte Kegelräder, sogenannte Hypoidräder, werden in verschiedenen Baugrößen in Bereichen wie Personenkraftwagen, Nutzfahrzeugen, Schienenfahrzeugen etc. eingesetzt. Die Achsversetzung ist als positiv definiert, wenn die Ritzelachse gegenüber der Tellerradachse in Spiralrichtung des Tellerrades versetzt angeordnet ist, andernfalls als negativ /14/. Mit steigender Achsversetzung nimmt bei gleichbleibendem Normalmodul der Ritzeldurchmesser zu, da der Ritzelspiralwinkel sich vergrößert. Hypoidverzahnungen mit negativer Achsversetzung haben daher, verglichen mit Kegelradgetrieben, einen kleineren Ritzeldurchmesser. Aufgrund der höheren Überdeckung werden vorzugsweise Hypoidgetriebe mit positiver Achsversetzung eingesetzt. Spezifische Bauraumanforderungen in Verbindung mit vorgegebenen Drehrichtungen können teilweise nur durch Hypoidgetriebe mit negativer Achsversetzung erfüllt werden. Zu nennen sind u.a. Textilmaschinenbau, Schiffbau, Fahrzeugbau etc.. Bisher sind nur wenige Verfahren zur Berechnung der Tragfähigkeit von achsversetzten Kegelrädern in Gebrauch. Dies sind im Wesentlichen die Methoden nach Niemann IM, Niemann / Winter 1211 Klingelnberg /11/ und Gleason /4/. Der Einfluss der Achsversetzung wird nur unzureichend wiedergeben, zudem besitzen alle Verfahren spezifische Nachteile /5, 6/. Darüber hinaus werden beim Verfahren nach Niemann IM eigene Festigkeitswerte benötigt, während bei Niemann / Winter 121 die Festigkeitswerte von Stirnrädern nach DIN 3990 171 und ISO 6336 /&/ verwendet werden, an denen weit mehr Tragfähigkeitsuntersuchungen als an Kegel- und Hypoidrädern durchgeführt wurden.Derzeit wird im FVA-Vorhaben Nr. 411 /12/ ein einfaches Rechenverfahren für die Grübchen- und Zahnfußtragfähigkeit von Hypoidgetrieben erarbeitet, in das u.a. die bekannten Neuerungen aus ISO 10300 /13/ eingearbeitet werden. Ein festigkeitsseitiger Anschluss für die höherwertigen Rechenmethoden wie BECAL /15/ wird erarbeitet, sodass für Zahnfuß und -flanke örtliche Tragfähigkeitsnachweise durchgeführt werden können. Versuche mit Kegelrädern und Hypoidrädern mit Achsversetzungen von a = 0,15, 31,75 und 44 mm bei einem Tellerradaußendurchmesser von de2 = 170 mm verifizieren die erarbeiteten Ansätze in einem sehr breiten Anwendungsbereich. Aufgrund der Einschränkung der Prüfläufe auf positive Achsversetzungen ist jedoch die Extrapolation der Rechenmethoden für negative Achsversetzungen nicht gesichert. Weiterhin fehlen Prüfläufe mit negativen Achsversetzungsvarianten für Erkenntnisse über die Tragfähigkeit im Übergangsbereich von negativer zu positiver Achsversetzung.Das im FVA-Vorhaben Nr. 411 /12/ erstellte normfähige Rechenverfahren sowie das lokale Rechenverfahren für die Zahnfußbruch- und Grübchentragfähigkeit von Hypoidgetrieben soll im Bereich negativer Achsversetzung verifiziert und gegebenenfalls modifiziert werden. Die Erfassung des Einflusses der Achsversetzung auf die Tragfähigkeit von Hypoidgetrieben in einem Rechenverfahren stellt seit der Entwicklung von achsversetzten Kegelrädern ein grundlegendes Problem dar. Aufgrund der weiten Verbreitung von Hypoidgetrieben mit positiver Achsversetzung ist in der Vergangenheit eine Vielzahl an Untersuchungen zu dieser Thematik von der Industrie direkt oder von Forschungseinrichtungen mit industrieller Unterstützung durchgeführt worden. Daraus entstanden die heute verbreiteten Rechenverfahren sowie die neuen weiter verbesserten Rechenverfahren aus dem FVA-Vorhaben Nr. 411 /12/. Diese wurden jedoch nur an Versuchen mit Hypoidradsätzen mit positiver Achsversetzung entwickelt und kalibriert. Eine Übertragung der Erkenntnisse auf den Bereich negativer Achsversetzung ist daher nicht gesichert. Die nur wenigen Anwendungsgebiete von Hypoidgetrieben mit negativer Achsversetzung und das damit verbundene eingeschränkte industrielle Interesse führte dazu, dass bis heute keine Versuchsergebnisse vorliegen, anhand derer bestehende Rechenverfahren im negativen Achsversetzungsbereich überprüft werden können. Es besteht daher der Bedarf die bisherigen Erkenntnisse an Getrieben mit positiver Achsversetzung im Bereich negativer Achsversetzung experimentell zu überprüfen um grundlegende Erkenntnisse im gesamten Achsversetzungsbereich zu erhalten.

• DFG Programme: Research Grants