Development of a function-oriented evaluation of modified gear flank geometries
Final Report Abstract
In diesem Projekt ist ein Konzept entwickelt worden, mit dem modifizierte Zahnflanken funktionsorientiert bewertet werden können. Basis hierfür ist die Topografieerfassung von Zahnflanken, die aufgrund der größeren Datenmenge eine umfassendere Beschreibung von Zahnflanken als die reine Erfassung von Profil- und Flankenlinien ermöglicht. Die Bewertung erfolgt unter Berücksichtigung der gesamten funktionsrelevanten Fläche der Zahnflanke, so dass eine hohe Bewertungssicherheit gegeben ist. Durch die Anwendung des Separationsverfahrens werden die gemessenen Abweichungen hinsichtlich ihrer Ordnung getrennt und mittels der entwickelten Software Gear Works 3D anschaulich visualisiert. Darüber hinaus werden automatisiert topografische Abweichungskennwerte berechnet und ausgegeben, die eine Bewertung der Verzahnungen ermöglichen. Darüber hinaus können die Kennwerte in eine SPC eingebettet werden. Damit ein Zusammenhang zwischen den Flankenabweichungen bzw. der Geometriemessung der Verzahnungen und dem Geräusch- bzw. Beanspruchungsverhalten nachgewiesen werden kann, werden die abgeleiteten Parameter zur Beschreibung der Topografie als Eingangsgrößen für weitere Berechnungen mit dem Programm FE-Stirnradkette angewendet. Bei STIRAK handelt es sich um eine Zahnkontaktanalysesoftware der Forschungsvereinigung Antriebtechnik e.V. (FVA). Diese Zahnkontaktanalyse berechnet das Einsatzverhalten von Verzahnungen lastfrei und unter Last. Für die Berechnung unter Last kommt dabei ein FE-basierter Ansatz zum Einsatz. Über diesen Ansatz wird das Separationsverfahren verifiziert. Darüber hinaus wird ein funktionsorientiertes Bewertungsschema der Variationsrechnung mit dem Programm FE- Stirnradkette (STIRAK) vorgestellt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wird ein Bewertungskatalog für die untersuchten Verzahnungsmodifikationen erstellt. Mit Hilfe dieses Bewertungskatalogs kann der Konstrukteur eine qualitative Beurteilung der Auswirkungen der Flankenmodifikationen auf das Geräusch- bzw. Beanspruchungsverhalten gewinnen, ohne dass Zahnkontaktanalysen für die jeweiligen Modifikationen durchgeführt werden müssen. Anschließend wird mit dem Programm CASTOR der FVA noch eine Möglichkeit zur Prüfung der Fertigbarkeit von gewählten Modifikationen vorgestellt. Die durchgeführten Analysen und exemplarische Messung von ausgewählten Zahnrädern haben gezeigt, dass mit dem Separationsverfahren nicht nur eine eindeutige Bewertung von modifizierten Verzahnungen effizient möglich ist, sondern auch die Fertigungsprozesse für nicht modifizierte Verzahnungen verbessert werden können. Die aus dem Separationsverfahren gewonnenen Kennwerte können zu einer funktionsorientierten Bewertung der Verzahnungen herangezogen werden und bilden so den Ausgangspunkt für eine Klassifizierung. Das Separationsverfahren ist nicht auf die Auswertung von Zahnflanken beschränkt. Das Verfahren kann auf nahezu beliebige technische Freiformflächen adaptiert werden, wenn entsprechende Solldatensätze vorhanden sind. Die Auswertung ist unabhängig vom physikalischen Prinzip der Messwerterfassung, so dass auch z.B. optische Verfahren oder Durchstrahlverfahren zur Topografieerfassung denkbar sind. Der im Forschungsprojekt entwickelte Ansatz zur funktionsorientierten Bewertung modifizierter Zahnflankengeometrien hat sich als sehr gut zur relativen Bewertung dieser erwiesen. Auch wurde der Ansatz zur funktionsorientierten Bewertung anhand von Stirnrädern hergeleitet und grundlegend verifiziert. Eine Anwendung auf weitere Verzahnungsarten erscheint möglich. Die im Forschungsprojekt entwickelte Software Gear Works 3D wird am WZL zur Auswertung von Prüfstandsversuchen verwendet, um modifizierte Verzahnungen funktionsorientiert zu bewerten. Ausgangspunkt für den Separationsansatz ist die Topografieerfassung. Diese sollte verstärkt in Richtlinien und Normen verankert werden, um dem Anwender einheitliche und vergleichbare Vorgehensweisen zur Bewertung von modifizierten Zahnflanken zur Verfügung zu stellen. Es ist geplant den Ansatz auch für nicht-taktile Messwerterfassung weiter zu entwickeln. Hier treten Fragestellungen bezüglich der Zugänglichkeit von Zahnflanken, der Kooperativität der Flankenoberfläche bei optischen Verfahren, sowie zu Schnittstellen und Datenformaten auf.
Publications
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Fertigungsprozessorientierte 3D-basierte Abweichungsanalyse modifizierter Zahnflankentopografien. VDI-Berichte 1880, S.121-132, VDI, Düsseldorf, 2005
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Funktionsorientierte Erfassung und Bewertung modifizierter Zahnflanken - Experimentelle Verifikation der Geräuschkennwerte. 48. Arbeitstagung Zahnrad- und Getriebeuntersuchung, S. 4-1 -4-37, Aachen, 2007
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Funktionsorientierte Bewertung von Zahnflanken - Funktionsorientierte Erfassung und Bewertung modifizierter Zahnradflanken. WT-Online 1-2009
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