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August 2013
Stefan Schropp
Untersuchungen zum Einfluss der Haupt- und Feingeometrie auf den Wirkungsgrad von Hypoidverzahnungen
Das Achsgetriebe von Kraftfahrzeugen, das beim Einsatz des Standardantriebs mit längs eingebautem Verbrennungsmotor meist als Winkelgetriebe mit einer Hypoidverzahnung ausgeführt ist, hat im Vergleich zu weiteren Komponenten des mechanischen Antriebsstranges einen relativ geringen Wirkungsgrad. Die lastabhängigen Verzahnungsverluste haben je nach Betriebspunkt einen großen Anteil an den gesamten Getriebeverlusten. Es besteht daher noch Potenzial, durch Optimierung der Haupt- und Feingeometrie der Hypoidverzahnung eine Wirkungsgradverbesserung im Achsgetriebe von PKW zu erreichen.
Die Zielsetzung dieser Arbeit war, die aus der Geometrie einer Hypoidverzahnung resultierenden Einflussgrößen sowie ihre Auswirkungen auf die lastabhängige Verzahnungsverlustleistung zu bestimmen, um daraus eine Verringerung der Verluste und eine Steigerung des Wirkungsgrades im Achsgetriebe zu erreichen. Dabei sollten aber auch die Wechselwirkungen mit den Festigkeiten und der Verzahnungsanregung berücksichtigt werden, um so die zulässigen Grenzen einer Wirkungsgradoptimierung aufzuzeigen.
Die theoretischen Grundlagen und Erfahrungen aus früheren Arbeiten zum Verzahnungswirkungsgrad von Kegelrad- und Hypoidradsätzen wurden durch neue experimentelle Untersuchungen überprüft und erweitert. Auf Grundlage der wichtigsten Vorgabewerte der Verzahnungsauslegung, wie z.B. Achsversatz, Spiralwinkel usw., wurde eine Parameterstudie durchgeführt.
Auf Grundlage der Erkenntnisse aus der Parameterstudie wurde ein Konstruktionskatalog zur Auslegung von Kegelrad- und Hypoidverzahnungen entwickelt, der wesentliche Maßnahmen zur Steigerung des Verzahnungswirkungsgrades beschreibt. Hierbei wurden auch die Wechselwirkungen mit weiteren wichtigen Auslegungskriterien, wie z.B. der Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit sowie der Verzahnungsanregung, dargestellt. Die Verzahnungsauslegung erfolgt in einem iterativen Prozess, der solange wiederholt wird, bis ein bestmöglicher Kompromiss aus allen geforderten Kriterien erreicht wird.
Da alle bisherigen Verfahren zur Berechnung des mittleren Verzahnungswirkungsgrades ausschließlich die Gleit-, Last- und Reibungsbedingungen am Auslegungspunkt erfassen, wurde ein neues lokales Rechenverfahren entwickelt, das auch die Einflüsse von lastabhängigen Tragbildern auf den Zahnflanken bei Mehrfacheingriff berücksichtigt. Dieses enthält einen verbesserten empirischen Berechnungsansatz für die Verzahnungsreibungszahl, der aus den Versuchsergebnissen zu allen Prüfverzahnungen mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt wurde.
Die Zielsetzung dieser Arbeit war, die aus der Geometrie einer Hypoidverzahnung resultierenden Einflussgrößen sowie ihre Auswirkungen auf die lastabhängige Verzahnungsverlustleistung zu bestimmen, um daraus eine Verringerung der Verluste und eine Steigerung des Wirkungsgrades im Achsgetriebe zu erreichen. Dabei sollten aber auch die Wechselwirkungen mit den Festigkeiten und der Verzahnungsanregung berücksichtigt werden, um so die zulässigen Grenzen einer Wirkungsgradoptimierung aufzuzeigen.
Die theoretischen Grundlagen und Erfahrungen aus früheren Arbeiten zum Verzahnungswirkungsgrad von Kegelrad- und Hypoidradsätzen wurden durch neue experimentelle Untersuchungen überprüft und erweitert. Auf Grundlage der wichtigsten Vorgabewerte der Verzahnungsauslegung, wie z.B. Achsversatz, Spiralwinkel usw., wurde eine Parameterstudie durchgeführt.
Auf Grundlage der Erkenntnisse aus der Parameterstudie wurde ein Konstruktionskatalog zur Auslegung von Kegelrad- und Hypoidverzahnungen entwickelt, der wesentliche Maßnahmen zur Steigerung des Verzahnungswirkungsgrades beschreibt. Hierbei wurden auch die Wechselwirkungen mit weiteren wichtigen Auslegungskriterien, wie z.B. der Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit sowie der Verzahnungsanregung, dargestellt. Die Verzahnungsauslegung erfolgt in einem iterativen Prozess, der solange wiederholt wird, bis ein bestmöglicher Kompromiss aus allen geforderten Kriterien erreicht wird.
Da alle bisherigen Verfahren zur Berechnung des mittleren Verzahnungswirkungsgrades ausschließlich die Gleit-, Last- und Reibungsbedingungen am Auslegungspunkt erfassen, wurde ein neues lokales Rechenverfahren entwickelt, das auch die Einflüsse von lastabhängigen Tragbildern auf den Zahnflanken bei Mehrfacheingriff berücksichtigt. Dieses enthält einen verbesserten empirischen Berechnungsansatz für die Verzahnungsreibungszahl, der aus den Versuchsergebnissen zu allen Prüfverzahnungen mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt wurde.
Schlagwörter: Hypoidverzahnung; Achsgetriebe; Wirkungsgrad
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