Auslegung und Optimierung von Beveloidverzahnungen in schneidender Achslage (konische Stirnräder)

Um nun das komplette Potenzial der Beveloidräder zu nutzen, muss bei der Feinauslegung die optimale Zahnflankengeometrie in Abhängigkeit der geforderten Einbau- und Betriebsbedingungen so ermittelt werden, dass ein linienartiger Kontakt vorliegt.

Der vorliegende Punktkontakt ist bezüglich der Tragfähigkeit und der Lebensdauer der Zahnräder äußerst ungünstig (siehe Bild 2, Vorauslegung). Durch Aufbringen einer hohlballigen Modifikation wird der Punktkontakt vergrößert und somit die Tragfähigkeit erhöht. Zur Auslegung der Feingeometrie sind jedoch iteratives Vorgehen oder aufwändige Parameterstudien zur Bestimmung der optimalen Daten notwendig.

Für die schneidende Achslage soll eine analytische Vorgehensweise zur Optimierung der Feingeometrie entwickelt werden, durch die das Abwälzverhalten von Beveloidradstufen optimiert werden kann. Dieser Ansatz ist eine Profilverschiebungskorrektur (PVK), die dem Benutzer die gezielte Einstellung der Tragbildlage und -größe ermöglicht.

Ausgehend von Rahmenbedingungen wie Belastung und Einbauposition kann die Vorauslegung durchgeführt werden. Bei dieser werden die Hauptverzahnungsdaten für eine mittige Tragbildlage bestimmt. Bei der Feinauslegung wird durch lokales Anpassen der Profilverschiebung (PVK) ein spielfreier Eingriff entlang der Zahnbreite erreicht. Mithilfe eines Skalierungsfaktors kann dabei eine Restklaffung berücksichtigt und somit die Tragbildgröße für die anliegende Belastung eingestellt werden.

 Dieser Auslegungsprozess wurde in dem am Institut entwickelten Computerprogramm SimKoS (Simulationsprogramm für Konische Stirnräder) umgesetzt. In Bild 3 ist die grafische Benutzeroberfläche von SimKoS dargestellt. Zu Beginn kann eine Vorauslegung (1) durchgeführt werden, welche die Hauptverzahnungsdaten (2) liefert.  Die Feingeometrie der Beveloidradstufe kann über die PVK sowie über stirnradspezifische Flankenlinien- oder Profilmodifikationen angepasst werden. Ein integrierter Flankengenerator erzeugt die Geometrie der so definierten Verzahnung (3). Damit kann eine Kontaktsimulation aufgerufen und die Ergebnisse zur Auswertung (4) visualisiert werden.

Bild 4 stellt die Ergebnisse einer Beveloidradstufe nach der Vor- und Feinauslegung gegenüber. Bei der Vorauslegung werden die Konuswinkel so angepasst, dass ein mittiges Tragbild auf der Links- und Rechtsflanke vorliegt (Bild 4, links). Darauf aufbauend kann die Feingeometrie mit der PVK modifiziert werden. Zur Vermeidung von Kantentragen wurde ein Skalierungsfaktor von 90 % eingestellt, sodass an Zehe und Ferse eine definierte Klaffung verbleibt.