Mikrogeometrie erweitert Möglichkeiten

Verzahntechnik
Mikrogeometrie erweitert
Möglichkeiten
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Liebherr entwickelt verzerrungsfreies Wälzschleifen für
Flankenlinienmodifikationen
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Zeichnung aus dem Patent von 1987
Verschränkungsfreies Wälzschleifen hat
sich als Produktionsmethode bewährt:
Bereits 1987 meldete die Liebherr-Verzahntechnik GmbH die Erfindung von
Dr. Gerd Sulzer zum Patent an. Seitdem können Schleifschnecken mit über
die Länge verändertem Profilwinkel so
eingesetzt werden, dass die natürliche
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Verschränkung beim Wälzschleifen von
Verzahnungen mit Flankenlinienmodifikationen korrigiert wird. Dazu wird die
Schleifschnecke in einer axialen Bewegung am Werkstück vorbeigeführt, so
dass sukzessiv jeder Schneckenbereich
mit dem Werkstück in Kontakt kommt.
Damit wird die Verschränkung eliminiert.
Liebherr-Magazin 2015 / 2016 – Verzahntechnik und Automationssysteme
„Was bei diesem Verfahren jedoch
nicht eliminiert wird, sind Formfehler“,
erläutert Dipl.-Phys. Robert Würfel. In
Abbildung 3 ist erkennbar, dass die
Verschränkung zwar korrigiert wird, im
Profil jedoch eine ungewünschte Hohlballigkeit entsteht (Abbildungen 1 bis 3).
An einem Praxisbeispiel (Abbildungen 5
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bis 7) mit gerundeter Endrücknahme veranschaulicht Dr.-Ing.
Hansjörg Geiser die Verzerrungsproblematik bei Schrägverzahnungen.
Wälzweg [mm]
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Verschränkungsarmes Schleifen löst das Problem nicht
Einfaches, verschränkungsarmes Wälzschleifen löst dieses
Problem nur teilweise. Es existieren weiterhin Formabweichungen (siehe Abbildung 8), und die Modifikation wird ledig
lich auf dem Messkreisdurchmesser exakt erreicht.
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Abbildung 1: Vorgabe verschränkungsfreie Flankenlinienballigkeit
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„Wir haben das Wälzschleifen
nicht neu erfunden, aber wir
haben es verstanden.“
Das verzerrungsfreie Wälzschleifen von Liebherr
Mit dem neuen Verfahren ermöglicht Liebherr ein absolut verzerrungsfreies Wälzschleifen von Flankenlinienmodifikationen.
„Wir haben das Wälzschleifen zwar nicht neu erfunden, aber
wir haben es verstanden“, betont Hansjörg Geiser. Das Ergebnis nach der neuen Methode entspricht eins zu eins der Vorgabe (Abbildung 9).
Abbildung 2: Natürlich verschränkt
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Eine Möglichkeit, solche Verzerrungen zu korrigieren, bestünde
im topologischen Abrichten der Schleifschnecke. Diese würde
Zeile für Zeile abgerichtet, was aber die Abrichtzeit um ein Vielfaches verlängern würde. Ein wirtschaftlicher Prozess wäre so
unmöglich. Robert Würfel hat eine Alternative entwickelt: „Diesem Dilemma kann Liebherr mit einem neuen Schleifverfahren
vorbeugen.“
Dr.-Ing. Hansjörg Geiser, Leiter der
Entwicklung & Konstruktion Verzahnmaschinen
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Breite [mm]
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Exakt werde die Modifikation nur auf dem Messkreisdurchmesser erreicht. „Bei der topologischen Verzahnungsmessung
zeigen sich deutliche Verzerrungen. In zwei Eckbereichen wird
zu viel Material abgeschliffen, in zwei anderen zu wenig. Dies
hat Auswirkungen auf die Tragfähigkeit und das Geräusch der
Verzahnung“, betont Hansjörg Geiser.
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Abbildung 3: Verschränkungskorrigiert
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„Durch das neue mathematische Verfahren wird die Modifikation auf allen Durchmessern exakt erreicht“, erläutert Robert
Würfel. Gleichzeitig entsprechen sowohl die Schleif- als auch
die Abrichtzeit der des verschränkungsarmen Schleifens. Dazu
werden keine speziellen Werkzeuge benötigt, der StandardAbrichter genügt. „Wir haben damit einen wirtschaftlichen Prozess für die Serienfertigung entwickelt. Unser Verfahren kann
für jede freie Flankenlinienmodifikation genutzt werden.“
Das zum Patent angemeldete Verfahren ist aus Gründen der
Tragfähigkeit für Getriebe sehr interessant. Bislang gab es hierfür keine wirtschaftlich sinnvolle Schleifmethode.
Liebherr-Magazin 2015 / 2016 – Verzahntechnik und Automationssysteme
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Abbildung 4: Verzerrungsfreies Wälzschleifen ist auf allen Liebherr-Wälzschleifmaschinen möglich
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Abbildung 5: Vorgabe gerundete Endrücknahme
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Abbildung 6: Das Ergebnis nach einfachem Wälzschleifen
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Abbildung 7: Verdeutlichung der zu geringen Rücknahme / Verzerrung
Abbildung 8: Auch im einfach verschränkungsarmen Wälzschleifen
kommt es zu Abweichungen
Gewälzte Modifikationen (GER)
Das Verfahren kann so angepasst werden, dass es neben freien
Flankenlinienmodifikaktionen auch gewälzte Modifikationen schleifen kann. Die Vorteile solcher dreiecksförmigen Endrücknahmen
(Generated End Relief) bezüglich der Tragfähigkeit werden in der
Verzahnungswelt bereits seit vielen Jahren diskutiert. Der Einsatz in
der Praxis scheiterte bisher aber daran, dass kein wirtschaftliches
Fertigungsverfahren zur Verfügung stand. Liebherr hat somit auch
die letzte Hürde aus dem Weg geräumt (Abbildungen 11 und 12).
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Anregungsoptimierte Modifikationen
Ein weiterer Anwendungsbereich sind anregungsoptimierte
Modifikationen. Aufgrund der zeitlich veränderlichen Verzahnungssteifigkeit ergibt sich zwischen zwei gepaarten Zahn
rädern eine periodische Drehwegabweichung mit sehr kleinen
Amplituden, welche jedoch einen großen Einfluss auf den Geräuschpegel hat. An der Forschungsstelle für Zahnräder und
Getriebebau (FZG) am Lehrstuhl für Maschinenelemente der
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Breite [mm]
Abbildung 9: Ergebnis mit dem verzerrungsfreien Wälzschleifen von
Liebherr
Die Möglichkeit gewälzter Modifikationen (Generated End Relief) erlaubt eine gezieltere
Auslegung der Pressungsverteilung im Zahneingriff. Dadurch kann die maximal auftretende Hertzsche Pressung beeinflusst werden. In diesem Beispiel kann so bei gleich
bleibenden übertragenem Drehmoment durch Nutzung von GER und unter Anpassung
der Kopf- und Fußrücknahmen die Verzahnungsbreite reduziert werden.
Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl
(Ordinarius)
Praxisähnliche Auslegung CA + CF + CB
Angepasste Auslegung
GER + CA‘ + CF‘ + CB
CA/CF – Betrag Kopf-/Fußrücknahme
GER – Betrag gewälzte Modifikationen
CB – Betrag Breitenballigkeit
Angepasste Auslegung
mit reduzierter Breite
GER + CA‘ + CF‘ + CB
Lehrstuhl für Maschinenelemente
Technische Universität München
85748 Garching, Deutschland
Tel.: +49 89 289-15805
[email protected]
Lehrstuhl für Maschinenelemente
Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau
Prof. Dr.-Ing. K. Stahl
Technische Universität München
Abbildung 10: Wirtschaftliche Fertigung von gewälzten Modifikationen
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Abbildung 11: Vorgabe dreiecksförmige Endrücknahme
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Abbildung 12: Messergebnis dreiecksförmige Endrücknahme
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Vorteile (Abbildungen 11 bis 14)
• Schleif- und Abrichtzeit entsprechen dem verschränkungsarmen
Schleifen
•Standard-Abrichter einsetzbar (Profilrolle)
•Standardmodifikationen können überlagert werden
Technischen Universität München wurde in den vergangenen
Jahren erfolgreich der Einsatz sinusförmiger Modifikationen
zur Reduzierung dieser Abweichungen untersucht. Diese
gezielte Welligkeit, welche typischerweise eine Amplitude
im µm-Bereich hat, hat dabei keinen Einfluss auf die Lastverteilung
(Abbildungen 13 und 14).
Fazit
Auch Flankenlinienmodifikationen mit relativ markanten Anpassungen über kurze Verzahnungsbreiten können durch das verzerrungsfreie Wälzschleifen von Liebherr gefertigt werden – ohne Abweichungen und Verzerrungen. Dabei entspricht die Schleifund Abrichtzeit der des verschränkungsarmen Schleifens.
Damit ermöglichen Liebherr-Schleifmaschinen die wirtschaftliche Produktion von gewälzten Modifikationen in großer Serie,
Gleiches gilt für anregungsoptimierte Modifikationen. Weitere
Anwendungsbereiche sind bereits in der Entwicklung.
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Abbildung 13: Vorgabe gezielte Welligkeit
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Abbildung 14: Messergebnis gezielte Welligkeit
Dr.-Ing. Hansjörg Geiser
Leiter Entwicklung & Konstruktion
Verzahnmaschinen
Kaufbeurer Straße 141,
87437 Kempten, Deutschland
Tel.: +49 831 786-1210
[email protected]
Dipl.-Phys. Robert Würfel
Technologische Mathematik
Kaufbeurer Straße 141,
87437 Kempten, Deutschland
Tel.: +49 831 786-3162
[email protected]
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