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E-Book

Zahnrad- und Getriebetechnik

Auslegung - Herstellung - Untersuchung - Simulation

AutorChristian Brecher, Fritz Klocke
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl688 Seiten
ISBN9783446431409
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis69,99 EUR
Das praxisorientierte Übersichtswerk zur Auslegung, Herstellung, Untersuchung und Simulation von Zahnradgetrieben
Dieses Grundlagen- und Nachschlagewerk gibt Ihnen einen umfassenden Überblick über das Maschinenelement Zahnrad und sein Wirkungsfeld, das Getriebe. Es führt in sämtliche Aspekte der Getriebetechnik ein - von der Auslegung über die Herstellung und Untersuchung von Zahnradgetrieben bis hin zu Simulationsmethoden für deren Einsatzverhalten und Fertigungsprozesse.
Folgende Themenbereiche werden vorgestellt:
- Grundlagen der Verzahnung und Verzahnungsarten
- gängige Verfahren der Getriebeentwicklung - von der Konzeptionierung über die Auslegung bis hin zur Optimierung von Zahnradgetrieben
- praxisrelevante Fertigungsverfahren von Zahnradgetrieben sowie damit verbundene Anforderungen und Randbedingungen
- Methoden der Getriebeuntersuchung, die für ein optimales Einsatzverhalten sorgen (Tragfähigkeit, Akustik, Wirkungsgrad)
- Methoden der Getriebeberechnung, mit denen sich Zeit- und Kostenoptimierungen in Entwicklung und Fertigung erzielen lassen
Das Buch zeichnet sich durch einen ganzheitlichen Analyseansatz aus, welcher es möglich macht, die Auslegung, Fertigung und das Funktionsverhalten von Zahnradgetrieben integrativ zu erklären, zu optimieren sowie unter Funktions- und Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu bewerten.
In allen Bereichen wird das Grundlagenwissen um aktuelle Anwendungsbeispiele und Forschungsergebnisse ergänzt, aus denen sich Trends und Potenziale für den Praktiker ableiten lassen. Damit wendet sich das Buch sowohl an Einsteiger und Studenten als auch an erfahrene Konstrukteure und Fertigungsprozessingenieure.

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke war von 1995 bis 2018 Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) sowie Direktoriumsmitglied des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen, an dem er auch den Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren innehatte.

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Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhalt10
1 Einführung18
1.1 Geschichte des Zahnrades19
1.2 Einteilung der Getriebetechnik22
1.3 Gestufte Zahnradgetriebe23
2 Grundlagen der Verzahnung28
2.1 Das Verzahnungsgesetz29
2.2 Stirnradverzahnungen31
2.2.1 Arten der Stirnradverzahnungen31
2.2.1.1 Zykloidenverzahnungen32
2.2.1.2 Triebstockverzahnungen33
2.2.1.3 Kreisbogenverzahnungen34
2.2.1.4 Wildhaber-Novikov-Verzahnungen34
2.2.1.5 Evolventenverzahnungen35
2.2.2 Schrägverzahnungen36
2.2.3 Erzeugungsprinzip von Evolventenverzahnungen38
2.2.3.1 Die Evolventenfunktion38
2.2.3.2 Das theoretische Herstellprinzip des Evolventenprofiles39
2.2.3.3 Das Bezugsprofil40
2.2.3.4 Das praktische Herstellprinzip des Evolventenprofiles42
2.2.3.5 Räumliche Erzeugung des Flankenprofiles43
2.2.4 Geometrische Größen der Evolventenverzahnung44
2.2.4.1 Modul und Teilung44
2.2.4.2 Zähnezahl und Übersetzungsverhältnis46
2.2.4.3 Eingriffswinkel und Überdeckungsgrad46
2.2.4.4 Durchmesser49
2.2.4.5 Profilverschiebung und Achsabstand52
2.2.4.6 Lückenweiten, Zahndicken und Zahnweiten57
2.2.5 Kontaktbedingungen zylindrischer Stirnräder62
2.3 Kegelradgetriebe63
2.3.1 Zahnprofile und Erzeugungsprinzip64
2.3.2 Flankenlinie68
2.3.3 Geometrische Größen69
2.3.3.1 Mittlerer Modul und Spiralwinkel71
2.3.3.2 Eingriffswinkel und Profilüberdeckung72
2.3.3.3 Zahnhöhenverlauf, Zahndicke und Zahnweite73
2.3.3.4 Profilverschiebung75
2.3.3.5 Besonderheiten der Hypoidverzahnung76
2.3.4 Kontaktbedingungen von Kegelradverzahnungen78
2.4 Beveloidverzahnungen78
2.4.1 Erzeugungsprinzip von Beveloidverzahnungen80
2.4.2 Geometrische Größen von Beveloids82
2.4.2.1 Konuswinkel82
2.4.2.2 Eingriffs-, Schrägungswinkel und Überdeckungsgrad83
2.4.3 Kontaktbedingungen von Beveloidverzahnungen86
3 Getriebeentwicklung96
3.1 Vorauslegung von Zahnradgetrieben97
3.1.1 Konzeptionierung von Zahnradgetrieben100
3.1.2 Vordimensionierung von Stirnradstufen105
3.1.3 Vordimensionierung von Planetenstufen115
3.2 Optimierung der Makrogeometrie122
3.2.1 Akustische Optimierung durch Hochverzahnungen123
3.2.2 Tragfähigkeitsorientierte Auslegung asymmetrischer Verzahnungen129
3.2.3 Auslegung wirkungsgradoptimierter Low-Loss-Verzahnungen133
3.2.4 Rechnergestützte Makrogeometrieoptimierung135
3.3 Auslegung der Verzahnungsmikrogeometrie137
3.3.1 Arten von Korrekturen139
3.3.2 Topografieseparation durch Polynome143
3.3.3 Auslegung funktionaler Modifikationen144
3.3.3.1 Variantenrechnung144
3.3.3.2 Berücksichtigung verfahrensbedingter Verschränkungen in der Mikrogeometrieauslegung146
3.3.3.3 Toleranzfeldbasierte Mikrogeometrieoptimierung147
3.3.3.4 Anwendungsbeispiel für toleranzfeldbasierte Mikrogeometrieauslegung150
3.3.4 Inverse Ermittlung optimaler Sollkorrekturen151
3.3.5 FE-basierte Auslegung von Kopfrücknahmen153
3.4 Auslegung von Beveloids156
3.5 Auslegung von Kegelradverzahnungen162
3.5.1 Bestimmung der Tragfähigkeit163
3.5.2 Auslegung der Mikrogeometrie165
4 Herstellverfahren176
4.1 Prozessketten und Wärmebehandlung178
4.1.1 Prozessketten der Zahnradfertigung178
4.1.2 Übliche Zahnradwerkstoffe180
4.1.3 Wärmebehandlung von Zahnrädern181
4.1.3.1 Glühverfahren182
4.1.3.2 Härten und Vergüten184
4.1.3.2.1 Thermische Verfahren184
4.1.3.2.2 Thermochemische Verfahren185
4.1.3.2.3 Härteverzug190
4.2 Vorverzahnen193
4.2.1 Anforderungen an das Vorverzahnen193
4.2.2 Schneidstoff-Schicht-Systeme196
4.2.3 Wälzverfahren202
4.2.3.1 Wälzhobeln202
4.2.3.2 Wälzfräsen203
4.2.3.2.1 Prozesskinematik203
4.2.3.2.2 Achsen und Aufbau einer Wälzfräsmaschine206
4.2.3.2.3 Werkzeuggeometrie und -gestaltung207
4.2.3.2.4 Spangeometrie und Bauteilabweichungen209
4.2.3.2.5 Prozessanalyse im Modellversuch213
4.2.3.3 Wälzstoßen215
4.2.3.4 Wälzschälen219
4.2.4 Formschneidverfahren223
4.2.4.1 Formfräsen223
4.2.4.2 Räumen226
4.2.5 Verfahrensvergleich229
4.2.6 Entgraten und Anfasen230
4.3 Weichfeinbearbeitung mit definierter Schneide233
4.3.1 Anforderungen an die Weichfeinbearbeitung233
4.3.2 Zahnradschaben235
4.3.3 Fertigwälzfräsen239
4.4 Hartfeinbearbeitung243
4.4.1 Hartfeinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide244
4.4.1.1 Schälwälzfräsen244
4.4.1.2 Schälwälzstoßen245
4.4.1.3 Hartwälzschälen246
4.4.2 Hartfeinbearbeitung mit geometrisch unbestimmten Schneiden246
4.4.2.1 Der Abrichtprozess247
4.4.2.2 Aufbau und Zusammensetzung von Werkzeugen mit nicht definierter Schneide251
4.4.2.3 Verfahren zur Hartfeinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide256
4.4.2.3.1 Diskontinuierliches Profilschleifen256
4.4.2.3.2 Kontinuierliches Profilschleifen262
4.4.2.3.3 Diskontinuierliches Wälzschleifen (Teilwälzschleifen)263
4.4.2.3.4 Kontinuierliches Wälzschleifen265
4.4.2.3.5 Verzahnungshonen271
4.5 Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen274
4.5.1 Erzeugung von Profilmodifikationen275
4.5.2 Erzeugung von Flankenmodifikationen276
4.5.3 Entstehung von verfahrensbedingten Verschränkungen277
4.5.3.1 Verfahrensbedingte Verschränkung beim Profilschleifen278
4.5.3.2 Verfahrensbedingte Verschränkung beim kontinuierlichen Wälzschleifen280
4.6 Alternative Fertigungsverfahren281
4.6.1 Endkonturnahe Fertigungsverfahren281
4.6.1.1 Querwalzen von Verzahnungen282
4.6.1.2 Pulvermetallurgische Herstellung von Zahnrädern284
4.6.1.3 Feinschneiden288
4.6.1.4 Präzisionsschmieden292
4.6.2 5-Achs-Fräsen von Verzahnungen295
4.7 Qualitätsprüfung und Analyse fertigungsbedingter Produkteigenschaften300
4.7.1 Motivation zur Bauteilprüfung300
4.7.2 Geometrische Prüfung von Verzahnungen300
4.7.2.1 Erfassung der makrogeometrischen Verzahnungsabweichungen301
4.7.2.2 Erfassung der mikrogeometrischen Abweichung317
4.7.3 Metallografische Analyse von Verzahnungen324
4.7.3.1 Zerstörungsfreie Prüfverfahren324
4.7.3.2 Zerstörende Prüfverfahren336
4.8 Kegelradherstellung348
4.8.1 Diskontinuierliches Kegelradfräsen349
4.8.2 Kegelradschleifen350
4.8.3 Kontinuierliches Kegelradfräsen351
4.8.4 Kegelradläppen353
4.8.5 Kegelradverzahnmaschinen354
4.8.5.1 Mechanische Kegelradfräsmaschinen354
4.8.5.2 6-Achs-Universal-Fräsmaschinen356
4.8.6 Der Closed Loop358
4.8.7 Analogieversuche für das Kegelradfräsen359
5 Untersuchung von Zahnradgetrieben380
5.1 Beanspruchungs- und Schadensformen an Zahnrädern381
5.1.1 Beanspruchung des Zahnfußes382
5.1.2 Beanspruchung der Zahnflanke384
5.1.2.1 Pressung im Zahnflankenkontakt385
5.1.2.2 Beanspruchung in Folge der Kinematik387
5.1.3 Zahnflankenschäden391
5.1.3.1 Graufleckigkeit392
5.1.3.2 Grübchenbildung394
5.1.3.3 Fressen397
5.1.3.4 Abrasivverschleiß398
5.1.3.5 Zahnflankenbruch400
5.1.4 Zahnfußschäden401
5.1.4.1 Gewaltbruch401
5.1.4.2 Dauerbruch402
5.2 Einflussgrößen auf die Beanspruchbarkeit von Zahnrädern404
5.2.1 Werkstoff404
5.2.2 Schmierstoff407
5.2.3 Oberflächengestalt409
5.2.4 Randzoneneigenschaften414
5.3 Untersuchung der Zahnradtragfähigkeit416
5.3.1 Prüfstandkonzepte – Laufversuch418
5.3.1.1 Zwei-Wellen-Verspannungsprüfstände419
5.3.1.2 Drei-Wellen-Verspannungsprüfstände421
5.3.1.3 Standardisierte Prüfverzahnungen für Tragfähigkeitsuntersuchungen423
5.3.2 Prüfstandskonzepte – Analogieversuch426
5.3.2.1 Zahnfußtragfähigkeit427
5.3.2.2 Zahnflankentragfähigkeit431
5.3.3 Schadenskriterien und Vorgehensweisen435
5.3.4 Auswertemethoden für Zahnradtragfähigkeitsuntersuchungen437
5.3.4.1 Statistische Grundlagen zur Zahnradtragfähigkeitsauswertung439
5.3.4.2 Wöhlerdiagramm: Auswertung der Dauerfestigkeit442
5.3.4.3 Wöhlerdiagramm: Auswertung der Zeitfestigkeit447
5.3.4.4 Quantifizierung der Schmierstofftragfähigkeit449
5.3.5 Übertragbarkeit zwischen Lauf- und Analogieversuch457
5.3.5.1 Zahnfußtragfähigkeit457
5.3.5.2 Zahnflankentragfähigkeit461
5.4 Grundlagen der Getriebeakustik465
5.4.1 Bewertungskenngrößen466
5.4.1.1 Spektrale Zusammensetzung des Schalls466
5.4.1.2 Kennwerte der Technischen Akustik467
5.4.1.3 Zahneingriffsfrequenz und Ordnungsspektrum470
5.4.1.4 Spektralanalyse von Getriebegeräuschen471
5.4.2 Getriebegeräusche473
5.4.2.1 Objektive Einteilung von Getriebegeräuschen474
5.4.2.2 Subjektive Bewertung476
5.4.3 Anregungsmechanismen im Zahneingriff484
5.4.3.1 Parameteranregung486
5.4.3.2 Stoßanregung488
5.4.3.3 Weganregung489
5.4.3.4 Einfluss von geometrischen Abweichungen489
5.4.4 Maßnahmen zur Reduzierung der Geräuschabstrahlung495
5.5 Untersuchung der Getriebeakustik498
5.5.1 Untersuchungsmethoden499
5.5.1.1 Einflankenwälzprüfung499
5.5.1.2 Zweiflankenwälzprüfung503
5.5.1.3 Drehbeschleunigungsmessung504
5.5.1.4 Körperschallmessung512
5.5.1.5 Luftschallmessung516
5.5.1.6 Sondermessverfahren524
5.5.1.7 Alternative Methoden zur Messung der Geräuschemission532
5.5.2 Prüfstandskonzepte536
5.5.2.1 Radsatzuntersuchung537
5.5.2.2 Gesamtgetriebeuntersuchung544
5.6 Wirkungsgradbestimmung von Getrieben546
5.6.1 Verlustleistungsmessung548
5.6.2 Leistungsdifferenzmessung550
5.6.3 Reibkraftmessung im Analogieversuch552
6 Simulationstechnik572
6.1 Vorgehensweise zur Modellbildung572
6.2 Fertigungssimulation574
6.2.1 Grundlagen von Fertigungssimulationen575
6.2.1.1 Werkzeug576
6.2.1.2 Maschinenkinematik577
6.2.2 Geometrieberechnung580
6.2.3 Durchdringungsrechnung583
6.2.3.1 Spanungskenngrößen585
6.2.3.2 Spanungsdickenberechnung586
6.2.3.3 Kraftberechnung588
6.2.3.4 FE-Simulation der Spanbildung590
6.2.4 Simulationsbasierte Fertigungs- und Prozessauslegung592
6.2.4.1 Verschleißanalyse für die spanenden Fertigung592
6.2.4.2 Bestimmung von charakteristischen Fertigungsabweichungen595
6.2.4.3 Bezogenes Zeitspanungsvolumen und Kraftberechnung für das kontinuierliche Wälzschleifen596
6.3 Zahnkontaktanalyse599
6.3.1 FE-basierte Zahnkontaktanalyse600
6.3.1.1 Geometrievorgabe602
6.3.1.2 Kontaktfindung und lastfreie Verzahnungskennwerte602
6.3.1.3 FE-Strukturgenerierung604
6.3.1.4 Verschiebungseinflusszahlen604
6.3.1.5 Mathematisches Federmodell606
6.3.1.6 Lastverteilung und Kennwerte unter Last609
6.3.2 Auslegung mit der Zahnkontaktanalyse am Beispiel der Zahnfußoptimierung612
6.3.3 Mikrogeometrische Kontaktanalyse mit realen Oberflächenstrukturen615
6.4 Höherwertige Berechnungsverfahren für die Zahnradtragfähigkeit618
6.4.1 Methode zur lokalen Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit621
6.4.1.1 Vergleichsspannung und Überlebenswahrscheinlichkeit für den Zahnfuß622
6.4.1.2 Erweiterung der Methode um eine Fehlstellenanalyse626
6.4.1.3 Validierung und Anwendung der Methode628
6.4.2 Methode zur lokalen Wälzfestigkeitsberechnung629
6.4.2.1 Volumen- und Oberflächenbeanspruchung im Wälzkontakt631
6.4.2.2 Werkstofffestigkeit im Wälzkontakt632
6.4.2.3 Vergleichsspannung und Überlebenswahrscheinlichkeit für den Wälzkontakt634
6.4.2.4 Validierung der lokalen Wälzfestigkeitsberechnung636
6.5 Dynamik des Zahneingriffs639
6.5.1 Mathematische Beschreibung der Anregungsmechanismen im Zahneingriff639
6.5.1.1 Der Einmassenschwinger als vereinfachtes Ersatzmodell von Verzahnung und Zahnradpaar640
6.5.1.2 Parameterregung641
6.5.1.3 Weganregung644
6.5.1.4 Stoßanregung646
6.5.1.5 Reibkraftanregung648
6.5.1.6 Kippmomente648
6.5.1.7 Rechnerische Abbildung des Dämpfungsverhaltens649
6.5.2 Aufbau von Schwingungsmodellen650
6.5.2.1 Ziele und Aufgaben der Modellbildung650
6.5.2.2 Abbildung von Strukturkomponenten652
6.5.2.3 Dynamikmodell eines einstufigen Getriebes655
6.5.3 Entwicklung und Berechnung der mathematischen Ersatzmodelle658
6.5.4 Methoden der Körperschall- und Luftschallberechnung659
6.5.4.1 Zahnkraftpegel660
6.5.4.2 Methoden der Körperschallberechnung661
6.5.4.3 Methoden der Luftschallberechnung662
Index678

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