Wie man einzigartige Getriebe entwickelt

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Drehzahl stellt besondere Anforderungen an Werkstoff, Lager und Verzahnung

Bei der Konzeption eines High-Speed-Getriebes stellt die hohe Drehzahl besondere Anforderungen an die Auswahl von Verzahnung, Werkstoff und Lager. Nach dieser Phase werden die Maschinenelemente dimensioniert. Hierbei werden klassische Maschinenelemente wie Wellen, Welle-Nabe-Verbindungen oder Lager nach gängigen analytischen oder numerischen Methoden ausgelegt. Um Stirn- und Kegelräder hinsichtlich Tragfähigkeit, Wirkungsgrad und Ge­räuschanregung zu optimieren, sind langjährige Erfahrungen und fundiertes Grundlagenwissen über Verzahnungskorrekturen nötig. Die Berechnung der Verzahnung erfolgt mithilfe von kommerziellen Programmen wie Kisssoft, FVA-Workbench, Bearinx oder Ansys. Eigene Lösungswege zur Erarbeitung optimaler Designs werden darüber hinaus auch in selbstgeschriebener Software umgesetzt. Für die Bestimmung der optimalen Verzahnungskorrekturen des High-Speed-Getriebes werden automatisierte Massenrechnungen verschiedener Korrekturvarianten unter Berücksichtigung von Wellen- und Gehäuseverformungen sowie Lagerspielen berechnet und über einen Filter-Algorithmus hinsichtlich Tragfähigkeit, Geräuschanregung und Toleranzempfindlichkeit bewertet. So können bei vergleichbaren Aufgabenstellungen schon Geräuschverbesserungen von über 10 dB an existierenden Getrieben erzielt werden.

Das 3D-Getriebemodell als Schnittpunkt zur Produktion

Über das 3D-CAD-System NX von Siemens werden die Bauteile modelliert. Aus den virtuellen Modellen der Getriebe lassen sich dann in Zusammenarbeit mit Produktion und Qualitätssicherung fertigungsgerechte Zeichnungen ableiten. Die 3D-Modelle können zudem über die CAD-CAM-Schnittstelle in die Produktionsvorbereitung einfließen und Aufwände sowie Fehlerquellen reduzieren. Durch diese Möglichkeiten werden die Aluminium-Gehäuseteile der ersten Prototypen des Getriebes ohne die zeitintensive Ableitung von detaillierten Fertigungszeichnungen in einem Arbeitsgang aus dem Vollen gefräst.

Bei der Entwicklung steht von Anfang an die zukünftige Fertigung und Montage im Mittelpunkt. Die Anwendung von Konstruktionsprinzipien wie Poka Yoke ist dabei selbstverständlich, um spätere Fehlermöglichkeiten in der Montage auszuschließen. Die zulässigen Fertigungstoleranzen sowie die notwendigen Anlage- und Spannflächen werden gemeinsam mit der Produktion definiert. So sind bei High-Speed-Getrieben aufgrund der hohen dynamischen Zusatzkräfte nur geringe Rundlaufabweichungen zulässig. Zum Teil müssen die Wellen zusätzlich im montierten Zustand gewuchtet werden. Bei der Auslegung und Fertigung von Prototypen wird, soweit möglich, auf vorhandene Werkzeuge und Spannmittel zurückgegriffen, um die mitunter hohen Lieferzeiten von 8-16 Wochen zu umgehen. Erfordert die Konstruktion zwingend gesonderte Verzahnungsgeometrien, kommen die flexibelsten Fertigungsverfahren, wie das Profilschleifen aus dem Vollen oder das Wälzschleifen mit zeilenweisem Abrichten für die Fertigbearbeitung, das Drahterodieren für Vor- und Fertigbearbeitung oder die 5-Achs-Fräsbearbeitung, zum Einsatz. Dabei müssen die fertigungsbedingten Besonderheiten, wie beispielsweise Verschränkungen und deren Richtung berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Versuchsergebnissen in die Serie übertragbar sind.

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