Methode zur Dimensionierung beliebiger Planetengetriebe in rechnergestützte Getriebesynthese

transcript

Technische Universität München

A. García1

24.7.2015 Rechnergestützte Getriebesynthese und Grobkonstruktion

Lehrstuhl für MaschinenelementeForschungsstelle für Zahnräder und GetriebebauProf. Dr.-Ing. K. Stahl

Methode zur Dimensionierung und Modellierung beliebiger

Planetengetriebe für rechnergestützte Getriebesynthese

Masterarbeit Nr. 52

A. García2

Inhalt

Zielsetzung

Rechnergestützte Getriebesynthese in PlanGear

Zahnradauslegungsmethode

Implementierung

Erstellung 3D-Modellen in STEP-Format

Ergebnisse

A. García3

Inhalt

Zielsetzung

Implementierung

Export von 3D-Modellen in STEP-Format

Ergebnisse

A. García4

Zielsetzung

Grobe Verzahnungsauslegung von beliebigen Planetengetrieben und

Stirnradstufen. Bestimmung von:

Durchmessern

Zähnezahlen

Zahnbreite

Vorgaben zum Planetengetriebe (Bauart und Betriebsdaten) aus einem

beliebigen Syntheseprogramm oder ähnlichem (z.B. Excel-Berechnung)

Erstellung von 3D-Bauraummodellen in STEP-Format

Funktionen autark ohne weitere Benutzervorgaben während des Programmlaufs

Parametrierung einfach konfigurierbar

Einbindung und Validierung im Syntheseprogramm PlanGear der ZG GmbH

A. García5

Inhalt

Zielsetzung

Implementierung

Ergebnisse

A. García6

Programm entwickelt bei der ZG GmbH

Balkenanalogiemodell nach Helfer

Logo PlanGear und ZG GmbH.

Quelle: ZG GmbH

Kinematische Äquivalenz Statische Äquivalenz

A. García7

A. García8

A. García9

A. García10

Rechnergestützte Getriebesynthese: PlanGear

Vollkombinatorische Berechnung komplexer Getriebestrukturen

(Syntheseschritt I)

Automatikgetriebe

Doppelkupplungsgetriebe

Hybridgetriebe

Überprüfung der Baubarkeit

Ausgabe der Betriebzustände

Betriebszustände im Balkenmodell

8-Gang Automatgetriebes von AISIN. Quelle: GM Powertrain

A. García11

Ausgabe der Betriebszustände in Planeten-und Stirnradstufen (Syntheseschritt II)

Auswahl der Getriebestrukturen für die Synthese

Berechnung der Betriebszustände für jede Getriebestrukturoption

Rechnergestützte Getriebesynthese: PlanGear

A. García12

Synthese-

schritt I

Synthese-

schritt II

Ravigneaux-Satz. Quelle: PlanGear ®

A. García13

Inhalt

Zielsetzung

Implementierung

Ergebnisse

A. García14

Auslegung mit K* -und U-Faktoren nach Niemann/Winter, Band II

K*-Faktor: Ausdruck für Flankenpressung

𝐾∗ = 𝐹𝑡𝑏∙𝑑𝑟

∙𝑢+1𝑢

U-Faktor: Ausdruck für Zahnfußspannung

𝑈 =𝐹𝑡

𝑏 ∙ 𝑚 Vor- und Nachteile

K*-und U-Faktoren aus Basisgetriebe

Kleine Anzahl an Eingabewerte

Geringe Rechenzeit

- Keine detaillierte Verzahnungsauslegung nach Norm

A. García15

Inhalt

Zielsetzung

Implementierung

Ergebnisse

A. García16

Implementierung: Gegebene Eingangsgrößen

Vorgewählte Getriebestruktur die ausgelegt werden soll:

Betriebszustände der Getriebestruktur in allen berechneten Gängen

Zähnezahlverhältnisse

K* -und U-Faktoren und eine geometrische Bedingung:

Entweder: Achsabstand für Stirnradstufen

Oder: Breite-Durchmesser-Verhältnis für Planetengetriebe

CARavigneaux-Satz.

Quelle: PlanGear ®

MInusgetriebe.

Quelle: PlanGear ®

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Implementierung: Modellierung

Beispiel: Ravigneaux-Satz mit Stufenplanet ZAHNEINGRIFFEBENE 1

ZAHNEINGRIFFEBENE 2

Räderkette 1.1

Eingriff1.1.2

Eingriff 1.1.1

Räderkette 2.2

Eingriff2.2.2

Eingriff 2.2.1

Aufteilung der Getriebe in Zahnradeingriffsebenen, Räderketten und Eingriffe

A. García18

5L40-E Aut. Getriebe. Quelle: ATSG

Implementierung: Modellierung

Beispiel: 5-Wellen Getriebe im GM-Automatgetriebe „5L40-E Hydramatic“

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ZAHNEINGRIFFEBENE 1

Räderkette 1.1

Räderkette 1.2

Räderkette 1.3

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Implementierung: Berechnung

Beispiel: 8-Gang Automatgetriebe von AISIN (GM)

Ravigneaux-

A. García21

Drehmomente auf einem Planet mit mehreren Eingriffe (3 Planetengruppe am

Umfang)

2. Gang

154,8 Nm 342,6 Nm

497,4 Nm 0 Nm

Sonne 1Sonne 2

Hohlrad

*) Absolute Werte

A. García22

Umfang)

2. Gang

154,8 Nm 342,6 Nm

497,4 Nm

Sonne 1Sonne 2

Hohlrad

A. García23

154,8 Nm 0 Nm

340,4 Nm

Sonne 1

Sonne 2

Hohlrad

Umfang)

A. García24

13592,8

497,4 Nm

203,5 Nm

Umfang)Sonne 1

Sonne 2

Hohlrad

A. García25

135 22892,8

380,7 Nm 342,6 Nm

Umfang)Sonne 1

Sonne 2

Hohlrad

A. García26

Drehmomente der einzelnen Räder

Von … Sonne 1 Sonne 2 Hohlrad

Gang T T T

1 0,00 228,45 228,41

2 92,84 228,45 135,66

3 63,96 157,39 93,46

4 50,35 123,89 73,57

5 0,00 50,65 61,75

6 50,05 0,00 50,00

7 41,31 0,00 41,27

8 34,40 0,00 34,36

R 205,60 0,00 205,40

Planet (Id=5)

Gang T T T

1 0,00 380,75 380,68

2 154,74 380,75 226,10

3 106,60 262,31 155,76

4 83,91 206,48 122,61

5 0,00 84,42 102,91

6 83,42 0,00 83,33

7 68,85 0,00 68,78

8 57,33 0,00 57,27

R 342,66 0,00 342,34

Sonne 1(Id=1)

Gang T T T

1 0,00 837,66 837,49

2 340,42 837,66 497,41

3 234,52 577,08 342,68

4 184,61 454,26 269,75

5 0,00 185,72 226,41

6 183,52 0,00 183,33

7 151,47 0,00 151,32

8 126,13 0,00 126,00

R 753,85 0,00 753,14

Hohlrad (Id=2)

Gang T T T

1 0,00 236,07 236,02

2 95,94 236,07 140,18

3 66,09 162,63 96,57

4 52,03 128,02 76,02

5 0,00 52,34 63,81

6 51,72 0,00 51,67

7 42,69 0,00 42,64

8 35,55 0,00 35,51

R 212,45 0,00 212,25

Planet (Id=6)

Gang T T T

1 0,00 342,68 342,61

2 139,26 342,68 203,49

3 95,94 236,08 140,19

4 75,52 185,83 110,35

5 0,00 75,97 92,62

6 75,07 0,00 75,00

7 61,96 0,00 61,90

8 51,60 0,00 51,55

R 308,39 0,00 308,10

Sonne 2 (Id=3+B30:E41)

A. García27

Gang T T T

1 0,00 228,45 228,41

2 92,84 228,45 135,66

3 63,96 157,39 93,46

4 50,35 123,89 73,57

5 0,00 50,65 61,75

6 50,05 0,00 50,00

7 41,31 0,00 41,27

8 34,40 0,00 34,36

R 205,60 0,00 205,40

Planet (Id=5)

Maßgebend für die Auslegung ist das kleinste Zahnrad:

1. Suchen des größten Drehmoments

2. Wählen des kritische Eingriffs (Übersetzung)

Kontakt Planet-Planet

schlechter hinsichtlich

Flankenpressung

(Krümmungsverhältnisse)

A. García28

Auslegung des kleinsten Zahnrads:

3. Berechnung der Kennwerte

𝑑𝑘𝑟𝑖𝑡. =3 2000 · 𝑇𝑘𝑟𝑖𝑡.𝐾∗ · (𝑏/𝑑𝑘𝑟𝑖𝑡.)

·𝑢𝑘𝑟𝑖𝑡. + 1

𝑢𝑘𝑟𝑖𝑡.

𝑏 = 𝑑𝑘𝑟𝑖𝑡. ∙ (𝑏

𝑑𝑘𝑟𝑖𝑡.)

Diese Breite wird die maximal mögliche Breite im Getriebe

𝑧𝑘𝑟𝑖𝑡. =𝑈 · (𝑏 · 𝑑𝑘𝑟𝑖𝑡.

2000 · 𝑇𝑘𝑟𝑖𝑡.≥ 𝑧𝑚𝑖𝑛

mn=𝑑1

A. García29

Berechnung der anderen Zahnräder

Anpassung/Optimierung der Breiten aller Zahneingriffsebene

(Überdimensionierung in weniger belasteten Kontakten anderer Radebenen

werden vermieden)

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Inhalt

Zielsetzung

Implementierung

Ergebnisse

A. García31

Räumliche Anordnung der Zahnräder

Breite 1

Breite 2

A. García32

Erstellung der 3D-Modelle mit „Begrenzungsflächen-Darstellung“

Zylindermodelle ohne Zahn- und Anschlussgeometrie

A. García33

Inhalt

Zielsetzung

Implementierung

Ergebnisse

A. García34

Ergebnisse

Validierung mit STPlus (ISO 6336): Planetengetriebe aus ZF-8HP

Verzahnungsgeometrie ergänzt aus vorliegenden Verzahnungsdaten

A. García35

Ergebnisse

Validierung mit STPlus (ISO 6336): Planetengetriebe aus ZF-8HP

Verzahnungsgeometrie ergänzt aus vorliegenden Verzahnungsdaten

Balken 3

S-P P-H

SH 1.04 1.16

SF 1.8 1.3 1.1 1.3

K* 9.74 6.12

U 127.6

A. García36

Ergebnisse

Synthese eines 2-Gang-Getriebes

K*-Faktor = 8 N/mm² U-Faktor = 100 N/mm² b/d = 0,8

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Ergebnisse

Synthese eines 2-Gang-Getriebe mit Koppelsätzen

i02 = -3

i01 = -2.66

108 mm

131 mm

V = 350,5 +158,2 = 508,7 cm³

A. García38

Ergebnisse

Synthese eines 2-Gang-Getriebe mit reduziertem Koppelsatz

153 mm

V = 862,5 cm³

A. García39

Zusammenfassung

Auslegungsalgorithmus von Niemann/Winter gewählt und exemplarisch in

PlanGear implementiert.

Routinen zur automatischen STEP-Modellerzeugung für die generierte

Verzahnungsauslegung erstellt.

Verzahnungsauslegungen validiert mit STplus (ISO 6336).

Schnelle Auslegungsmethode für Massenrechnungen nun verfügbar.

Beurteilung geometrischer Verhältnisse sehr schnell möglich.

Abschätzung des Gewichts eines Getriebes sehr schnell möglich.

A. García40

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Methode zur Dimensionierung beliebiger Planetengetriebe in rechnergestützte Getriebesynthese

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