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Berechnung

Getriebe realitätsnah berechnen

| Autor/ Redakteur: Norbert Haefke / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Die FEM-Implementierung in der FVA-Workbench bietet viele Möglichkeiten, die rechnerische Auslegung von Getrieben noch realistischer abzubilden.

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Eine 3D-Ansicht und Einfüge-Assistenten, z.B. für komplexe Planetenstufenbauformen, erleichtern Anwendern der FVA-Workbench den Modellaufbau. Geometrisch komplexe 
Komponenten können als CAD-Modell oder FEM-vernetzte Bauteile in das Modell geladen 
und positioniert werden.
Eine 3D-Ansicht und Einfüge-Assistenten, z.B. für komplexe Planetenstufenbauformen, erleichtern Anwendern der FVA-Workbench den Modellaufbau. Geometrisch komplexe 
Komponenten können als CAD-Modell oder FEM-vernetzte Bauteile in das Modell geladen 
und positioniert werden.
(Bild: FVA GmbH)

Mit der FVA-Workbench können einzelne Getriebekomponenten bis hin zu vollständigen und komplexen Gesamtgetriebesystemen professionell modelliert, parametrisiert und berechnet werden. Die Software eignet sich damit für sämtliche Konstruktionsaufgaben rund um das optimierte Getriebe. Das Besondere: Viele Berechnungsmethoden zur Auslegung und Nachrechnung von Getrieben, die die Software nutzt, entstehen durch Gemeinschaftsforschung, die die Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) fördert und organisiert.

Eine 3D-Ansicht und Einfüge-Assistenten, z.B. für komplexe Planetenstufenbauformen (Ravigneaux- und Wolfromsätze), erleichtern dem Anwender der FVA-Workbench den Aufbau komplexer Getriebestrukturen. Die einfach parametrisierbaren Bauteile wie Verzahnungen, Wellen und Lager können innerhalb kurzer Zeit zu einem Gesamtgetriebe zusammengefügt werden. Diese Komponenten werden mit den in der FVA über Jahrzehnte entwickelten analytischen Methoden hochperformant berechnet. So lassen sich Verzahnungen mit Hilfe der Plattentheorie modellieren, die Lastverteilung im Wälzlager mittels der Hertzschen Theorie berechnen und Wellen als Timoshenkobalken berücksichtigen.

Berechnungsmethoden mit FEM koppeln

Der Konstrukteur kann geometrisch komplexe Komponenten des Getriebes als FEM-vernetzte Bauteile in das Modell laden und mit wenigen Klicks positionieren. Unterstützt durch die 3D-Ansicht ist sichergestellt, dass das FE-Bauteil richtig platziert ist und somit der Steifigkeitseinfluss auf Wellen und Lager korrekt berücksichtigt wird. Die FE-Bauteile werden in der Berechnung in Form von reduzierten Steifigkeitsmatrizen berücksichtigt. Die Reduktion erfolgt einmalig. Dabei werden die Ankoppelstellen an die Wellen und Lager automatisch und sehr schnell identifiziert.

Für die Reduktion wird der rechenzeitoptimierte Solver der Uni Bayreuth (Lehrstuhl für Konstruktionslehre und CAD, Prof. Dr.-Ing. Frank Rieg, in FVA 711 I RIKORplusZ88) eingesetzt. Für quasi-statische Analysen ersetzt die reduzierte Steifigkeitsmatrix das gesamte FE-Bauteil in voller Genauigkeit. Somit ist für weitere Berechnungen des analytischen Systems keine Lösung des 3D-FE-Bauteils notwendig und Rechenzeiten im Sekundenbereich werden ermöglicht.

Der Einfluss der flexiblen FE-Körper auf die Getriebekon­struktion konnte in FVA 711 I nachgewiesen werden. So verändern sich die Lastverteilungen und Tragbilder deutlich. Eine präzisere Vorhersage der Korrekturvorschläge ist auf diesem Wege äußerst performant möglich. Neben dem Getriebegehäuse sind auch Planetenträger als FEM-Netz einlesbar, können im Modell positioniert und an das Getriebemodell angebunden werden.

Vernetzung von CAD-Modellen

Um dem Anwender einen effizienten Workflow zu ermöglichen, kann anstelle eines FEM-Netzes für das Gehäuse und den Planetenträger direkt ein CAD-Modell im Step-Format sowie in vielen anderen nativen Formaten importiert werden. Die FEM-Vernetzung der CAD-Bauteile erfolgt mit dem in die FVA-Workbench integrierten FEM-Vernetzer. Der Vernetzungsassistent unterstützt dabei durch Automatisierung und ermöglicht so eine einfache Handhabung und interaktive Nutzerführung.

Ein Schieberegler erleichtert dem Nutzer die Bauteilvereinfachung. Der Regler ermöglicht eine schnelle Modellaufbereitung, bei der Bohrungen bis zu einer bestimmten Größe automatisch erkannt und aus dem CAD-Modell entfernt werden. Aufwändige und zeitintensive Präparationen im CAD-System können so entfallen und die Einbindung von FE-Körpern in die FVA-Workbench wird vereinfacht.

Anwendertreff Industriegetriebe Das Getriebe ist als mechanische Komponente elementarer Bestandteil im Antriebsstrang. Wie man das richtige Getriebe auswählt und wie die Integration fehlerfrei funktioniert, zeigt unser Anwendertreff Industriegetriebe.
Mehr Informationen: Anwendertreff Industriegetriebe

Für den Planetenträger wurde zusätzlich die Möglichkeit einer internen parametrisierten Geometrieerzeugung geschaffen. Es können ein- und auch zweiwangige Varianten mit einer parametrisierten Strebengeometrie für die Verbindung zweier Wangen erzeugt werden. Diese Planetenträgergeometrien werden wie oben beschrieben FE-vernetzt, reduziert und damit in der Berechnung berücksichtigt. Hierdurch kann eine bessere Aussage über die Steifigkeit des Planetenträgers getroffen werden, ohne dass dieser bereits aufwändig modelliert als CAD-Körper vorliegt. Dies erlaubt eine schnelle Variation der Geometrieparameter mit direktem Feedback auf die Berechnungsergebnisse, die so bereits in der Projektierungsphase eine hohe Ergebnisgüte aufweisen.

Ist das gewünschte Optimum hinsichtlich Last- und Pressungsverteilung, Tragfähigkeit, Lebensdauer und Verformungsverhalten des modellierten Systems gefunden, kann der Parametersatz für eine fertigungsgerechte Konstruktion des Planetenträgers in ein CAD-System exportiert und dort für die Detailkonstruktion verwendet werden. Zur finalen Überprüfung lässt sich diese auskonstruierte Geometrie (inkl. fertigungsrelevanter Details) in Form eines CAD-Modells in die FVA-Workbench importieren und bewerten.

Reporting: komplexe Zusammenhänge einfach visualisieren

Durch das Reportingsystem der FVA-Workbench werden komplexe Zusammenhänge einfach visualisiert und ermöglichen so eine Bewertung der Ergebnisse, Zusammenhänge und Abhängigkeiten sowie Optimierungspotenziale in Sekunden.

Alle in einem Getriebesystem berechneten Ergebnisse der einzelnen Maschinenelemente werden in Reports übersichtlich in benutzerdefinierbaren Tabellen und interaktiven Grafiken dargestellt und abgespeichert. Viele Vorlagen für jedes Maschinenelement erleichtert das Zusammenstellen der HTML-Reports. Diese können nicht nur in der FVA-Workbench, sondern in jedem beliebigen Internet-Browser, unter Beibehaltung aller interaktiven Funktionalitäten, angezeigt werden. Beispielsweise können 3D-Grafiken der Pressungsverteilungen weiterhin gedreht bzw. gezoomt und Wertepaare an der Mauscursor-Position ausgelesen werden. Damit eignen sind die Reports die umfangreiche und übersichtliche Dokumentation der Berechnungsergebnisse sowie für den Austausch über mögliche Konstruktionslösungen mit Kollegen und die professionelle Ergebnispräsentation live vor Ort beim Kunden.

Die FVA-Workbench ist nicht nur die Plattform der FVA zum Transfer und der Anwendung von Forschungsergebnissen, sondern auch ein hoch effizientes Werkzeug zur Optimierung des Entwicklungsprozesses in den Unternehmen.

* Norbert Haefke ist Geschäftsführer der FVA GmbH

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