Einfluss Der Achsabstandsänderung Auf Störungen in Verbundgetrieben

ZUSAMMENFASSUNG

In diesem Artikel wird der Einfluss des Achsabstands auf die Getriebedynamik untersucht, die durch eine zeitlich veränderliche Netzsteifigkeit gekennzeichnet ist. Eine Dynamikanalyse auf Systemebene sowie ein detailliertes mathematisches Getriebemodell, das den Achsabstand als Variable enthält, werden zur Vorhersage des Störungsverhaltens des Getriebes verwendet. Die Änderung des Achsabstands wurde im mathematischen Modell unter Ausnutzung der Gehäusebohrungstoleranz simuliert, wobei der Einfluss auf das Störungsverhalten untersucht wurde. Dabei wurden die Positionen der Gehäusebohrungen durch Festlegung der endlichen Verschiebungen der Lager, die im Getriebemodell die Stützwellen darstellen, verschoben. Es wurden auch mehrere Bedingungen auf der Grundlage des Toleranzbereiches für Gehäusebohrungen untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit können für die Getriebediagnose verwendet werden, wobei auch die Empfindlichkeit der Gehäusebohrungstoleranz analysiert werden kann.

EINFÜHRUNG

Zahnräder können mit einem von der Norm abweichenden Achsabstand konstruiert sein, um ein Spiel einzuführen, Platzmangel auszugleichen und sowohl erwartete Verbiegungen unter Last als auch Geometrieänderungen aufgrund thermischer Einflüsse auszugleichen. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb muss der Achsabstand innerhalb der festgelegten Toleranzen eingehalten werden. Da der Achsabstand maschinell hergestellt wird, kann es sein, dass er nicht genau dem vorgesehenen Entwurf entspricht. Darüber hinaus ist es aufgrund von Montageungenauigkeiten, Fehlausrichtungen und anderen Fehlern, die während des Betriebs oder der Verzahnung des Systems entstehen, nahezu unmöglich, den gewünschten Achsabstand exakt zu erreichen oder einzuhalten. Somit kann sich der Achsabstand über den Standardwert hinaus erhöhen, was zu verschiedenen Problemen führen kann. Diese Forschungsarbeit befasst sich mit den Auswirkungen von Änderungen der Verzahnung, die durch Positionsänderungen der Gehäusebohrung verursacht werden, was durch die Definition von Zwangsverschiebungen an Lagern, die die Wellen im Getriebegehäuse tragen, erreicht wird. Diese Verschiebungen führen schließlich zu Fehlausrichtungen der Wellen, die sich auf das Dynamikverhalten sowie die Störungseigenschaften in Form von Übertragungsfehlern (Transmission Errors, TE) und akustischen Störungen auswirken.

SIMULATION

Die Simulation konzentriert sich auf ein Verbundgetriebe, das aus drei Stirnradpaaren besteht, die auf entsprechenden Wellen montiert sind und durch mit dem Gehäuse verbundene Kugellager gestützt werden. Die Simulation wurde durch die Berücksichtigung der Achsabstandsänderung komplettiert, und zwar durch die Verschiebung der mit den Lagern verbundenen Gehäusebohrung. Dies führte wiederum zu Fehlausrichtungen der Wellen. Die Auswirkungen dieser Fehlausrichtungen wurden in Form einer TE- und Störungsamplitude erfasst. Die Einzelheiten zum Getriebe sind in Abbildung 1 dargestellt.

Bei der Herstellung kann die Position der Gehäusebohrung je nach Art der Herstellung (z. B. maschinelle Herstellung oder Gießen) zwischen 30 und 80 Mikrometern variieren. Um dieses Verhalten zu simulieren, wurden drei Bedingungen definiert: erstens eine Toleranz von 30, 60 und 80 Mikrometern (um) als Verschiebung; zweitens die Lager, die durch die Fehlausrichtung der Wellen wiedergegeben werden; und drittens TE und Störungen. Darüber hinaus wurden zwei Analysebedingungen definiert: 1) Kein Lastzustand und 2) Lastzustand – 0,5 Nm Drehmoment. Der betrachtete Drehzahlbereich liegt zwischen 0 und 5.200 U/min für die Getriebeeingangswelle. Bei der Analyse wurden die erste, zweite und dritte Harmonie der Verzahnung berücksichtigt, die die maximale Frequenz von 4.000 Hz abdeckt. Durch eine detaillierte Analyse aller drei Verzahnungen konnte festgestellt werden, dass die dritte Verzahnung im Vergleich zu den beiden anderen eine höhere TE-Rate aufweist. Der Rest dieser Arbeit konzentriert sich daher auf die Analyse der dritten Verzahnung und erläutert die Bedeutung der TE-Harmonie sowie ihre Auswirkungen auf das akustische Verhalten.

ÜBERLEGUNGEN ZUR FEHLAUSRICHTUNG

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Fehlausrichtung der Welle zu untersuchen: die Parallelverschiebung, bei der das Abtriebsrad gegenüber dem Gegenrad weggeschoben wird, und die Schrägverschiebung, bei der das Abtriebsrad gegenüber dem Gegenrad in Schrägrichtung verschoben ist. In dieser Simulation wird die Schräglage gewählt, da der Störungspegel hier empfindlicher ist als bei der Parallelverschiebung. Die Parallelverschiebung der Welle ist in Abbildung 2 ebenfalls als Referenz angegeben.

SCHRÄGE FEHLAUSRICHTUNG DER WELLE

In Abbildung 2 zeigt die schräge Fehlausrichtung der Welle, dass der Außenring des hinteren Lagers (Brg-6) und des vorderen Lagers (Brg-5) mit einer Radialvorspannung von 30, 60 und 80 Mikrometern belastet wird. Die hellblauen Pfeile zeigen an, dass die Welle von der ursprünglichen Wellenposition im Getriebe nach außen in schräger Ebene verschoben wurde. Außerdem werden der Zustand der Vorspannung sowie das Verfahren für die vorderen Lager dargestellt. Bei der Schrägverschiebung (dargestellt durch den oberen roten Pfeil) sind Brg-5 und Brg- 6 in -X- und +Y-Richtung entlang des resultierenden Vektors verschoben, wobei das Abtriebsrad in Schrägrichtung gegenüber dem Gegenrad verschoben ist. Bei der Parallelverschiebung (dargestellt durch den unteren roten Pfeil) sind Brg-5 und Brg-6 in +X- und +Y-Richtung entlang des resultierenden Vektors verschoben, wobei das Abtriebsrad gegenüber dem Gegenrad verschoben ist. In ähnlicher Weise wird der Zustand der Vorspannung sowie das Verfahren für das hintere Lager in Abbildung 2 dargestellt.

ÄNDERUNG DES ACHSABSTANDS

Dieser Abschnitt befasst sich mit der Bedeutung der Änderung des Achsabstands und wie sich dies auf die TE- und Störungsergebnisse auswirkt. Um dieses Phänomen zu erfassen, wird die Fehlausrichtung der Welle (siehe oben) als kritischer Parameter betrachtet; dazu werden die Verschiebungen der Lager, die die Wellen tragen, zur Betrachtung der Fehlausrichtung verwendet.

SIMULATIONSERGEBNISSE DER ÄNDERUNG DER FEHLAUSRICHTUNG

Für diese Simulation werden Brg-5 und Brg-6 in X- und Y-Richtung verschoben und die Verschiebung der Welle in Schräglage verwendet (Bild 2). Im unbelasteten Zustand ist die TE-Rate geringer, wenn Brg-5 in X- und Y-Richtung verschoben wird, als bei Brg-6. Die Spitzen- TE-Rate bei der Schrägverschiebung mit X-80 und Y-80 Mikrometer ist höher als bei den Positionen von 30 und 60 Mikrometern. Die Ergebnisse dieser Simulation sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Die TE-Ergebnisse sind in Tabelle 2 für einen Lastzustand mit 0,5 Nm Drehmoment aufgeführt. Die TE-Ergebnisse für die Verschiebung von Brg-6 sind im Vergleich zu Brg-5 höher.

AKUSTISCHE ANALYSE

Bei der akustischen Analyse bildet das Schrumpfgewebe die Schnittstelle zwischen dem strukturellen Schwingungsbereich und dem akustischen Bereich. Es handelt sich um ein wasserdichtes Netz, das das Strukturgewebe des zu untersuchenden Bauteils vollständig und eng umschließt. Die Qualität des Schrumpfgewebes ist von entscheidender Bedeutung, da sie sich auf die Qualität der prognostizierten abgestrahlten Störungen auswirkt. Die Modellvorbereitung für die Analyse, Knoten 4057, ist auf der Oberfläche des Gehäuses in Abbildung 3 dargestellt. Der Knoten 4057 ist der Antwortknoten, von dem aus die Störungen an der Oberfläche und die Schwingungen an diesem Knoten erfasst werden. Das Mikrofon 4057000 befindet sich 1.000 mm von der Oberfläche des Getriebes entfernt (d. h. vom Knoten 4057).

In dieser Simulation wird eine höhere TE-Rate des dritten Zahnradpaares mit Fehlausrichtung bei Brg-6 berücksichtigt. Die Abbildungen 6 bis 8 zeigen die Störungsprognose. Das Fenster mit den akustischen Ergebnissen zeigt auf der X-Achse die Motordrehzahl (U/min) sowie die Frequenz (Hz), während auf der Y-Achse der Schalldruckpegel in dBa dargestellt ist. Die akustischen Ergebnisse decken die erste bis dritte Harmonie des dritten Zahnradpaares ab, was Erregungen der ersten Ordnung (siehe 2.3 durchgezogene Linie), der zweiten Ordnung (siehe 4.6 gepunktete Linie) und der dritten Ordnung (siehe 6.9 gestrichelte Linie) in Abbildung 4 entspricht. Die Störungen werden mit Mikrofonen im Abstand von 1.000 mm gemessen. Die violetten Linien stellen die Antwortfrequenz (Hz) für die einzelnen Ordnungen dar.

In den Abbildungen 4 bis 7 zeigen die linken Bilder den Druckpegel (in dBA) im Vergleich zur Antwortfrequenz (in Hz), während die rechten Bilder den Druckpegel (in dBA) im Vergleich zur Drehzahl (in U/min) darstellen. In Abbildung 4 sind die Bedingungen ohne Last und ohne Fehlausrichtung dargestellt, d. h. es herrschen Nennbedingungen; eine Verschiebung oder eine Fehlausrichtung wird nicht berücksichtigt. Die maximale Störungsamplitude wird bei 3.200 Umdrehungen pro Minute gemessen und der dBA-Pegel liegt bei 38.

Abbildung 5 zeigt die Verschiebung von BRG-6 in Schräglage mit (schräg x-30, y+30) Mikrometern. Im Vergleich zu den Nennbedingungen führt die Verschiebung aufgrund der höheren TE-Rate und des höheren Geräuschpegels zu einer höheren Durchbiegung der Welle und des Gehäuses. Die maximale Störungsamplitude wird bei 3.200 Umdrehungen pro Minute gemessen und der dB-Pegel liegt bei 50. Bei Fehlausrichtungswerten von 60 um und 80 um konnten ähnliche Ergebnisse wie bei 30 Mikrometern ermittelt werden (siehe Abbildung 5); die für die Lager angewandte Verschiebung und die Auswirkungen der Wellendurchbiegungen auf die Störungsamplitude sind in den Abbildungen 6 und 7 dargestellt.

DURCHBIEGUNG AUF SYSTEMEBENE

Akustische Analysen haben den Einfluss der Fehlausrichtung der Welle auf die Störungsprognose deutlich gemacht; manche Frequenzen und ein bestimmter Drehzahlbereich können zu höheren Störpegeln führen. Die statische Durchbiegung auf Systemebene ist ein ähnliches Instrument, das einen zuverlässigen Indikator für die Gesamtdurchbiegung des Systems darstellt, insbesondere, wenn ein bestimmtes Drehmoment auf das System ausgeübt wird. Basierend auf der Randbedingung verdeutlicht dies ebenfalls das Durchbiegungsverhalten des Systems. Dies erleichtert die Überprüfung der maximalen Durchbiegung des Systems bei maximaler Belastung sowie die Prüfung, ob Verbesserungen zur Beherrschung der Durchbiegung erforderlich sind, etwa bei der Befestigung am Getriebe, der Materialkombination oder den in der Anwendung verwendeten Lastbedingungen. Abbildung 8 zeigt beispielsweise die Durchbiegung des Getriebes auf Systemebene, bei einem Drehmoment von 0,5 Nm mit einer Verschiebung von x-30 und y+30 um an Brg-6. Die maximale Durchbiegung beträgt etwa 68 Mikrometer, was relativ viel ist; einige Maßnahmen zur Verringerung dieser Durchbiegung beinhalten die Erhöhung der Steifigkeit in diesem Bereich.

FAZIT

In dieser Arbeit wurden die wichtigsten Aspekte der Toleranz der Gehäusebohrungsposition behandelt, die die Fehlausrichtung der Welle beeinflusst. Außerdem wurde gezeigt, wie die Simulation dazu beitragen kann, die Empfindlichkeit gegenüber Störungspegeln, die Bedeutung von Fertigungsabweichungen sowie eines reduzierten Toleranzbandes zur Senkung der TE-Rate des Systems und der Störungspegel zu bewerten. In dieser Arbeit wurde zudem die Wellenposition behandelt, die sich sowohl auf die Verzahnung auswirkt, die die Übertragungskraft beeinflusst, als auch auf die Vektorrichtung, die sich auf die TE-Rate und Störungen auswirkt. Es gibt mehrere Kombinationsmöglichkeiten, um die Empfindlichkeitsanalyse zu Störungen und TE für die Achsabstandstoleranz innerhalb des angegebenen Bereichs durchzuführen, wobei die Simulationszeit und die Forschung nur mit einigen wenigen Optionen arbeiten, einschließlich Parallel- und Schrägverschiebung.

Die Studie kann als Leitfaden für die Optimierung von Getriebekonstruktionen auf der Komponentenebene sowie auf der Systemebene (d. h. Gehäuse, Getriebe, Welle, Lager und Befestigungspunkte) verwendet werden. Mit deren Hilfe kann die TE-Rate reduziert und die Störungsquelle identifiziert sowie während der Konstruktionsphase auf niedrigerem Niveau gehalten werden. Künftige Studien können sich auch mit Aspekten wie der Qualität der Zahnräder befassen, die Punkte wie den Neigungsfehler des Getriebes sowie Rundlauffehler und Lagerspiele beeinflussen.