Berechnung und Optimierung von Geometrie und Eingriffsverhalten von Zahnformen beliebiger Achslage

Zimmer, Maximilian; Otto, Michael; Stahl, Karsten

doi:10.1007/s10010-016-0201-1

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“…Die experimentellen Ergebnisse für den Drehfehler und das Tragbild unter Last stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein und bestätigen somit die Wirksamkeit der freien Zahnflankenmodifikationen. Topologische Zahnflankenmodifikationen wendet auch Zimmer [27] an, um das Übertragungsverhalten von Beveloidverzahnungen simulativ zu optimieren. Mit einer Closed-Loop-Analyse kann in lastfreien Zahnkontaktanalysen das Tragbild gezielt vergrößert werden.…”

Section: Stand Der Forschungunclassified

Experimentelle Untersuchung des Abwälzverhaltens von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite

Marino

Bachmann

Binz

2022

Forsch Ingenieurwes

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ZusammenfassungZur Übertragung von Drehmoment und Drehzahl in beliebiger Achsanordnung eignen sich bei kleinem Achswinkel bis 30° Beveloidverzahnungen. Besonders die windschiefe Achslage bietet dabei Potenzial, Bauraum und Gewicht aufgrund eines möglichst direkten Leistungsfluss zu realisieren. Beveloidradpaarungen in nicht paralleler Achslage haben jedoch den Nachteil, dass aufgrund der geneigten Grundzylinder nur ein punktförmiger Kontakt vorliegt. Der auftretende Ease-Off kann ausschließlich durch komplexe Zahnflankenmodifikationen kompensiert werden, um so das Übertragungsverhalten zu verbessern. Zum Überprüfen der Wirksamkeit solcher Modifikation sind simulative Zahnkontaktanalysen unumgänglich. Zusätzlich sind Abwälzversuche erforderlich, um die simulativen Ergebnisse abzusichern. Durch Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite kann ein konjugierter Eingriff angenähert werden, was ein voll ausgebildetes Tragbild mit geringem Drehfehler in Kontaktsimulationen zeigt. In diesem Bericht sollen die vielversprechenden Ergebnisse der Kontaktsimulationen in Abwälzversuchen validiert werden. Zunächst wird mithilfe des Versuchskonzepts das Vorgehen definiert, um die Prüfstandsversuche durchzuführen und die erzielten Ergebnisse am Prüfstand mit den Simulationsergebnissen abzugleichen. Die exemplarisch ausgelegte Prüfverzahnung wird mittels Fünf-Achs-Fräsen gefertigt und kann mit drei Mikrogeometrien am Umfang verteilt ausgeführt werden. Zwei Ansätze zur Definition der Mikrogeometrien werden vorgestellt, mit denen ausgehend vom konjugierten Eingriff eine gezielte Positionierung und Skalierung des Tragbilds möglich ist. Die tatsächliche Zahnflankengeometrie wird topografisch vermessen und kann in Kontaktsimulationen untersucht werden. Der Vergleich zwischen diesen Simulationsergebnissen und den am Prüfstand ermittelten Ergebnissen zeigt beim Tragbild und lastfreien Drehfehlerverlauf eine hohe Übereinstimmung. Der Vergleich zwischen den Prüfstands- und Simulationsergebnissen validiert die analytische Berechnungsmethode zur Auslegung und Optimierung von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite.

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Section: Stand Der Forschungunclassified

Experimentelle Untersuchung des Abwälzverhaltens von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite

Marino

Bachmann

Binz

2022

Forsch Ingenieurwes

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“…Zimmer [24] entwickelt auf Basis des räumlichen Verzahnungsgesetzes einen Flankengenerator, der beliebige Flankengeometrien in beliebigen Achslagen erzeugen kann. Die mathematische Beschreibung geht dabei auf [7] zurück.…”

Section: Stand Der Forschungunclassified

“…So kann bei Beveloidrädern durch Vorgabe eines Werkzeugprofils die Zahngeometrie erzeugt oder ausgehend von einer vorgegebenen Verzahnung das benötigte Werkzeug abgeleitet werden. Darüber hinaus zeigt [24] für eine gegebene Beveloidradpaarung, dass eine Optimierung der Verzahnung mit einem rückwärts konjugierten virtuellen Bezugsprofil möglich ist. Die notwendige Werkzeugbahn muss jedoch in einer Closed-Loop-Analyse über den Ease-Off ermittelt werden.…”

Section: Stand Der Forschungunclassified

Herleitung einer analytischen Optimierungsmethode für Beveloidräder durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten

Marino

Bachmann

Binz

2020

Forsch Ingenieurwes

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ZusammenfassungBei schneidend oder windschief angeordneter An-und Abtriebswelle (kleine Achswinkel bis 30°) bieten Beveloidverzahnungen, auch konische Verzahnungen genannt, eine Möglichkeit, Bauraum und Gewicht einzusparen. Aufgrund der zueinander geneigten Grundzylinder liegt jedoch keine gemeinsame Eingriffsebene vor, weshalb Beveloidradpaarungen im Allgemeinen nur punktförmig an einer Breitenposition der Zahnflanke abwälzen. Dieser punktförmige Kontakt führt bei nicht modifizierten Beveloidradpaarungen zu hohen lokalen Flankenpressungen. Um wie bei Zylinderrädern einen konjugierten, linienartigen Eingriff zu erzielen, sind bei Beveloidrädern derzeit komplexe, iterative Modifikationen der Flankenfeingeometrie notwendig. Daher wird in diesem Bericht ein analytischer Ansatz hergeleitet, der eine Bestimmung der modifizierten Flankenfeingeometrie für Beveloidräder in beliebiger Achslage ermöglicht. Grundlage dieses Optimierungsansatzes ist die stirnschnittweise Anpassung der Verzahnungsdaten, sodass ein konjugierter Eingriff erzielt wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass eine zusätzliche tangentiale Modifikation die korrekte Position der Stirnschnitte entlang der Zahnbreite gewährleistet. Hierzu wird ein analytischer Ansatz basierend auf dem Verzahnungsgesetz verwendet, welcher die evolventische Zahnform im Stirnschnitt nicht verändert. Die Wirksamkeit der Modifikation wird mit lastfreien Kontaktsimulationen für drei exemplarisch modifizierte Beveloidradpaarungen gezeigt. Das Tragbild ist wie beim konjugierten Eingriff voll ausgebildet und der Drehfehler ist vergleichbar gering zu nicht modifizierten Beveloidrädern.

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“…For cylindrical gears, modifications in the profile direction are realised by changing the tool geometry and modifications in the facewidth direction are realised by adapting the machine kinematics. 23 Zimmer 24 proposes a modification in facewidth direction by modifying the tool stroke during face gear manufacturing. This requires changes to the machine kinematics.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

“…Similarly, Zschippang et al 25,26 plunge the tool to achieve a facewidth modification. Zimmer 24 and Guo et al 27 achieve modifications in the face gear profile direction by modifying the flank shape of the tool.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Face gear drive manufacturing: Pinion/cutter design for a crowned contact pattern

Hochrein,

Güntner,

Otto

et al. 2023

Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B:

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Face gear drives are special angular gears in which an involute pinion and face gear wheel mesh. They enable high transmission ratios in small construction spaces. The face gear is typically manufactured by gear hobbing or gear shaping using an involute pinion-type cutter. Face gear drives with identical pinion and cutter parameters form a conjugated pairing. Conjugate pairings tend to have unfavourable edge contact, which is usually counteracted by geometric flank modifications during manufacture. A common modification technique is the crowning of the flanks. This usually requires changes to the machine kinematics. Due to their geometry and manufacturing process, face gear drives offer an easy way to achieve a crowned contact pattern in the facewidth direction without changing the machine kinematics, making them promising for multiple applications. Using a pinion with fewer teeth than the cutter results in a crowned contact pattern (lead crowning). The position of the contact point along the facewidth can be adjusted by varying the profile shift coefficient of the pinion or the cutter. This paper presents a straightforward method for selecting proper design parameters depending on the contact distances. The contact distances can be estimated analytically to evaluate the chosen design parameters. Example calculations are given as proof of the developed method presented in this paper. Overall, this study offers a novel evaluation strategy for an ideal cutter/pinion design for manufacturing durable face gear drives with optimised contact patterns.

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Berechnung und Optimierung von Geometrie und Eingriffsverhalten von Zahnformen beliebiger Achslage

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Experimentelle Untersuchung des Abwälzverhaltens von Beveloidverzahnungen mit lokal angepassten Verzahnungsdaten entlang der Zahnbreite

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Herleitung einer analytischen Optimierungsmethode für Beveloidräder durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten

Face gear drive manufacturing: Pinion/cutter design for a crowned contact pattern

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