Berechnung Getriebeberechnung systematisch angehen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Cengiz Yilmaz Dipl.-Ing. Jürg Langhart Kisssoft AG, Bubikon (CH) / Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Werden Getriebe neu ausgelegt oder nachgerechnet, bringt es Vorteile, das ganze System in einer Berechnung zu erfassen: So werden die Einflüsse aller Stufen berücksichtigt.

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Gerade bei komplexen Getriebebauarten wie dem Ravigneaux ist die Berechnung auf Systemebene unerlässlich.
Gerade bei komplexen Getriebebauarten wie dem Ravigneaux ist die Berechnung auf Systemebene unerlässlich.
(Bild: Kisssoft)

Gerade bei komplexen Getriebebauarten, wie Schaltgetrieben oder Industriegetrieben mit Leistungsverzweigungen, ist eine Systemmodellierung unerlässlich. Eine Annäherung über mehrere Berechnungen mit einzelnen Maschinenelementen wäre in einem solchen Fall sehr ineffizient und fehleranfällig.

Dafür bietet das Schweizer Unternehmen Kisssoft mit Kisssys einen Systemaufsatz zur Software Kisssoft: Mit Kisssys können komplette Getriebe und Antriebsstränge modelliert werden. Die Aufgaben von Kisssys sind die Berechnung der Kinematik und die Gewährleistung der Kommunikation im System. So werden die Betriebsdaten der einzelnen Getriebestufen ermittelt. In einem nächsten Schritt können für den Festigkeits- und Lebensdauernachweis die jeweiligen Kisssoft-Berechnungen angesteuert werden.

Getriebebauarten und Auslegungen

Mehrere Getriebemodelle mit Stirn-, Kegel-, Hypoid-, Schnecken- und Kronenradverzahnungen sind in der Software bereits enthalten. Andere Bauarten wie beispielsweise Planetenkoppelgetriebe mit Leistungsverzweigung und -aufteilung (Ravigneaux, Stirnraddifferentiale, ...) können eigens vom Anwender aufgebaut werden. Speziell für Schaltgetriebe besteht die Möglichkeit, Kinematiken mit Schaltstellungen zu definieren.

Der „Getriebevariantengenerator“ ergänzt den Systemaufsatz Kisssys mit einer effizienten Methode zur automatischen Erstellung zahlreicher Varianten von Getrieben. Üblicherweise ist für eine spezifische Anwendung eine maximale externe Baugröße vorgegeben, gleichzeitig muss auf die Minimierung der Herstellungskosten geachtet werden. Des Weiteren muss der Konstrukteur Gewicht, Gesamtverlustleistung sowie andere relevante Faktoren berücksichtigen.

Bereits in der Auslegungsphase eines Getriebes können demnach mit dem Getriebevariantengenerator die Kollisionsprüfung mit dem Gehäuse, die Anordnung der Wellen sowie die Auslegungsfunktionen für Verzahnungen, Wellen/Lager und die Berechnung des maximal übertragbaren Drehmoments unter Berücksichtigung von Kosten sowie Gewichtsvorgaben vorgenommen werden. Zudem kann der Ingenieur in kürzester Zeit schnelle und trotzdem detaillierte Parameterstudien eines kompletten Antriebsstranges zum Vergleich unterschiedlicher Varianten eines Konzepts durchführen.

Analyse und Nachrechnungen

Eine Berechnung im System erstreckt sich über weit mehr als eine reine Berechnung der Kinematik. So stellen auch die Berechnungen der Verzahnungskontaktanalyse, Wirkungsgradberechnung und Lastkollektive wichtige Aspekte dar, welche im gesamten Getriebe einheitlich berücksichtigt werden sollen. Die Ermittlung des Getriebewirkungsgrades ist ein immer aktuelleres Thema und wird in Kisssys ermöglicht durch die Methode gemäß ISO/TR 14179-2. Die Auswertung kann nach verschiedenen Kriterien durchgeführt werden, beispielsweise als reine Evaluation des Wirkungsgrades. Damit ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und abgegebener Wärme herrscht, kann auch die Kühlerleistung bei vorgegebener Öltemperatur bestimmt werden, und umgekehrt.

Für geräusch- und festigkeitsoptimierte Getriebe sind Verzahnungskorrekturen Stand der Technik. Diese beinhalten die optimierte Lastverteilung in Zahnbreitenrichtung als auch Kopf- und Fusskorrekturen, um den Eintrittsstoss zu minimieren. Die Berechnung der Verzahnungskorrekturen wird zwar im Stirnradpaar-Modul durchgeführt, um jedoch eine möglichst realistische Einschätzung zu erhalten, müssen die Nachgiebigkeit der Wellen und Lager zwingend miterfasst werden. Somit sollte die Analyse auch die Wellenberechnung beinhalten. Diese Verknüpfung ist mit Kisssys automatisch gewährleistet. Bei Bedarf können auch Gehäusenachgiebigkeiten über eine Steifigkeitsmatrix mitberücksichtigt werden. Mit der Korrekturenauslegung in Kisssoft ist es dann möglich, verschiedene Kombinationen zu generieren und deren Einflüsse auf Lebensdauer, Geräusch und Wirkungsgrad zu erfassen.

Eigenfrequenzen analysieren

Die Lebensdauer eines Getriebes wird meistens begrenzt durch Zahnfuß- oder Flankenfestigkeit. Seltenere Schadensarten wie Fressen oder Graufleckigkeit können aber durchaus auch auftreten. Für einen Festigkeitsnachweis des Getriebes reicht es für viele Anwendungen nicht aus, die Berechnung mit einer einzelnen Nennlast durchzuführen. Mit einem Lastkollektiv, welches verschiedene Stufen mit unterschiedlichen Belastungen (Drehzahl, Drehmoment) und mit verschiedenen Zeitanteilen beinhaltet, ist eine detailliertere Betrachtung möglich. Dabei ist es ein Trugschluss, dass das Lastkollektivelement mit der stärksten Belastung auch die größte Schädigung für das Getriebe bedeutet. Mit Kisssys ist eine gesamtheitliche Übersicht über die Ausfallwahrscheinlichkeiten und Sicherheiten nach verschiedenen Kriterien möglich, bis hin zur Schädigungsrechnung, welche auf der Theorie der Betriebsfestigkeit beruht.

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Bei schnell drehenden Wellensystemen kann die Untersuchung von Eigenschwingungen des ganzen Getriebes von Interesse sein. Diese Analyse kann neu direkt in Kisssys auf der Systemebene durchgeführt werden. Dabei wird die vom Benutzer angegebene Anzahl Eigenfrequenzen für das gesamte Getriebe berechnet sowie grafisch animiert. (mz)

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