Suchen

Simulation

Wie Simulation hilft, die Schwingungen des Antriebs zu optimieren

| Redakteur: Ute Drescher

Bei steigenden Leistungen sollen Antriebe schwingungsarm ausgeführt sein. Dabei kollidiert die Auslegung auf eine maximale Lebensdauer häufig mit der Optimierung der Anregung. Die Simulation hilft, diesen Konflikt zu lösen.

Firma zum Thema

Antriebspaket in der Ausgangskonstruktion mit seinen Komponenten auf dem Fundamentrahmen sowie der charakteristische Messpunkt HSS (High-Speed-Shaft) an der Antriebswelle. Das zweistufige Industrieplanetengetriebe P092ADR180 hat eine einstufige Stirnradvorstufe. Der Motor ist eine 500-kW-Asynchronmaschine.
Antriebspaket in der Ausgangskonstruktion mit seinen Komponenten auf dem Fundamentrahmen sowie der charakteristische Messpunkt HSS (High-Speed-Shaft) an der Antriebswelle. Das zweistufige Industrieplanetengetriebe P092ADR180 hat eine einstufige Stirnradvorstufe. Der Motor ist eine 500-kW-Asynchronmaschine.
( Bild: SEW-Eurodrive )

Antriebe mit großen mechanischen Leistungen werden in der Regel so konzipiert, dass die Komponenten auf geeigneten Unterkonstruktionen fertig montiert werden. Die Komponenten selbst sind dabei Serienteile oder zumindest von Serienteilen abgeleitet, während die umgebenden Teile auf die Bedürfnisse des Kunden hin konstruiert werden. Der Kunde bekommt ein auf ihn zugeschnittenes Antriebspaket aus einer Hand.

Gegenstand dieser Untersuchungen war ein etwa 11 t schweres Antriebspaket, bestehend aus einem Industrieplanetengetriebe P092ADR180 mit einer Stirnradvorstufe und einer Gesamtübersetzung von i = 45,7. Angetrieben wurde das Paket von einem Asynchronmotor mit 1.000 min-1 und einer Betriebsleistung von 440 kW (192 kNm am Getriebeabtrieb). Das Planetengetriebe in Flanschausführung war auf einem Planetenfuß befestigt. Die Stirnradstufe wurde über einen Support auf dem Fundamentrahmen abgestützt.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 11 Bildern

Modalanalyse mit der Finite-Elemente-Methode

Zur Bewertung der Bewegungsformen und Eigenresonanzen wurde der Antrieb mit dem Finite-Elemente-Programm Ansys modelliert. Zur Reduzierung der Rechenzeit wurde der Motor durch ein massives Ersatzmodel dargestellt, das Getriebe ohne drehende Teile (Verzahnung, Welle) modelliert und die Schweißnähte des Fundamentrahmens sowie des Planetenfußes und des Supports als durchgängig geklebt angenommen. Der Fundamentrahmen wurde an den für die Kundenmontage vorgesehenen Schraubstellen mit einer ideal steifen Umgebung verbunden. Die Einleitung des Betriebsmoments erfolgte querkraftfrei an der Abtriebswelle. Das Ergebnis der numerischen Modalanalyse ergab zuerst eine Vielzahl von möglichen Resonanzfrequenzen und Moden.

Als anregende Frequenzen kamen hauptsächlich die Antriebsdrehzahl und die Zahneingriffsfrequenzen in Frage, wobei die höchsten Schwingwerte und stärksten Auslenkungen im Bereich der eintreibenden Welle des Getriebes erwartet wurden. Besonders kritisch wurde eine Relativbewegung zwischen Planetengetriebe und Stirnradvorstufe eingeschätzt. Die zugeordnete Frequenz (228 Hz) lag in der gleichen Größenordnung wie die Zahneingriffsfrequenz der Planetenvorstufe (215 Hz). Für die geplante spätere Optimierung war es nun wichtig, zunächste diese Bewegungsform weitgehend zu unterbinden oder zu beseitigen.

Auch Amplituden der Nick- und Schwenkbewegungen reduziert

Bei den weiteren Bewegungsformen handelte es sich um Bewegungen des gesamten Getriebes im Getriebefuß (sowohl Nick- als auch Schwenkbewegungen). Die Reduzierung der Amplituden dieser Bewegungsform war folglich ebenfalls ein Ziel der Optimierung. Schwingungstechnisches Optimierungspotenzial ergab sich auch bei der Anbindung zwischen der Stirnradvorstufe und dem Support.

In einem ersten Schritt wurde der Planetenfuß derart umkonstruiert, dass er das Planetengetriebe auch an der eintreibenden Seite abstützt. Damit wurden Nick- und Schwenkbewegungen des Antriebs unterbunden. Die Stirnradvorstufe wiederum wurde direkt an den Planetenfuß befestigt, so dass keine Bewegung zwischen Planetengetriebe und Stirnradvorstufe möglich ist. Bei der Simulation des optimierten Antriebspakets wurde dieser Freiheitsgrad nicht mehr festgestellt. Gleichzeitig entfiel damit der Support, dessen Funktion direkt von dem Planetenfuß übernommen wurde. Weiterhin wurde der Fundamentrahmen im Bereich des Planetenfußes durch zusätzliche Rippen verstärkt. Als zusätzliche Versteifung wurde das Gehäuse der Stirnradvorstufe von Grauguss auf eine Stahl-Schweiß-Konstruktion umgestellt. Durch den höheren E-Modul ergab sich somit bei vorgegebener Belastung eine geringere Verformung.

Aufgrund des Aufwands wurde das zentrale Planetengetriebe nicht modifiziert. Dafür wurde die Stirnradvorstufe neu und damit anregungsarm ausgelegt. Zum einen wurde der Modul von 9 auf 7 mm heruntergesetzt, also die Anzahl der Zähne erhöht. Dies führte zu einer Erhöhung der Zahneingriffsfrequenz sowie der Gesamtüberdeckung. Gleichzeitig nahmen die Zahnsicherheiten nur leicht ab, ohne sich einem kritischen Bereich zu nähern. Der resultierende theoretische Anregungspegel LA der neuen Verzahnung lag um 6 dB (LA0 = 1 N/mm) unter dem Wert der Standardvariante.

Harmonische Analyse schafft Vergleich

Im nächsten Schritt wurde die Berechnung des optimierten Antriebspakets um eine harmonische Analyse erweitert. Eine Modalanalyse liefert Frequenzen und Formen, kann aber keine Aussage liefern, welche Schwingungsamplituden in einem Bauteil tatsächlich auftreten. Bei einer harmonischen Analyse werden die Ergebnisse der Modalanalyse durch die Zugabe einer Anregung gewichtet, so dass man Spektren und Schwingungsamplituden von Varianten untereinander vergleichen kann. In dem vorliegenden Fall erfolgte die rechnerische Anregung durch Einleiten einer Kraft an einem Referenzpunkt und Koppelung auf die Struktur des Hohlrades der Planetenvorstufe. Ausgewertet wurden die Beschleunigungen an mehreren Stellen des Antriebs. Die Summenkurven zeigten eine deutliche Reduzierung des Schwingungsniveaus der optimierten Variante im Vergleich zur Ausgangskonstruktion. Besonders in horizontaler Richtung nahm die Amplitude der kritischen Eigenresonanzfrequenz um 60 % ab.

Experimentell validiert mittels Prüfstandsversuch

Beide Varianten wurden auf einem Lastprüfstand schwingungstechnisch untersucht und die Ergebnisse mit den Simulationen und Rechnungen validiert. Der Betriebspunkt für die Messungen lag bei 440 kW und motorseits 1.000 min-1, wobei der Antriebsmotor am Trafo betrieben wurde. Um Resonanz- erscheinungen im Hochlauf bis 1.200 min-1 zu erfassen, wurde der Antrieb anschließend im Umrichterbetrieb bis maximal 250 kW betrieben.

Schwingungsneigung deutlich reduziert

Zuerst wurden die Verformungen des Antriebspaktes im stationären Betriebspunkt unter Last ausgewertet. Die Versteifungsmaßnahmen resultierten in bis zu 75 % geringeren Verformungen der optimierten Variante an der Antriebswelle der Stirnradvorstufe im Vergleich zur Ausgangskonstruktion. Schwingungsmessungen im Betrieb ergaben für das optimierte Antriebspaket an der Antriebswelle der Stirnradvorstufe im Vergleich zur Ausgangskonstruktion eine Abnahme der Schwinggeschwindigkeit. Der stärkste Rückgang um 71 % wurde in axialer Richtung verzeichnet, aber auch in vertikaler (-34 %) und horizontaler Richtung (-28 %) waren die Maßnahmen erfolgreich. Hochläufe ergaben bei der optimierten Variante keine ausgeprägten Resonanzbänder.

Zuletzt wurde anhand der Schwingungsspektren verifiziert, welche schwingungstechnischen Maßnahmen zu dem tatsächlichen Rückgang der Schwingungen führten. Der ausgewertete Messpunkt lag antriebsseitig an der Stirnradstufe. Der stärkste Rückgang wurde bei der Zahneingriffsfrequenz der Stirnradvorstufe verzeichnet, deren Amplitude um bis zu 80 % zurückging. Dies war eindeutig auf die geringere Anregung aus der neuen Verzahnung zurückzuführen.

Bei der Zahneingriffsfrequenz der Planetenvorstufe nahm die Amplitude in vertikaler Richtung deutlich ab, während der Trend in horizontaler Richtung nicht so eindeutig war. Im energetischen Mittel nahmen aber auch hier die Amplituden ab. Gleiches galt für die Zahneingriffsfrequenz der Planetenendstufe. Die Schwingungen aus der Antriebsfrequenz nahmen teilweise deutlich ab. Grund sind die steifere Struktur und damit auch bessere Positionierung der Teile zueinander.

Hannover Messe 2018: Halle 15, Stand F12

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45184149)

ESI ITI; Nabtesco; Ansys; SEW-Eurodrive; Adam Opel AG; Deutscher Zukunftspreis/Ansgar Pudenz; Pöppelmann / RZ-Studio; ©BillionPhotos.com - stock.adobe.com; gemeinfrei; Balluff; Foto Carle Triberg; Mesago; Hänchen; Ejot; Freudenberg/ Daniel Fortmann.com