Mit Druckkammtechnik zu energieeffizienten Getrieben

Allgemeines

Schrägverzahnte Getriebe, die heute üblicherweise eingesetzt werden, haben den Nachteil, dass neben einer radialen Lagerkraft auch eine Komponente in Axialrichtung auftritt, die über die Zahnradkörper, Wellen, Lagerungen und Gehäuse abgestützt werden muss. Gerade in den Axiallagerungen treten hohe Verlustkräfte auf, die den Wirkungsgrad solcher Getriebe mindern.

Druckkämme demgegenüber sind direkt an der Verzahnung angebrachte Ringe, mit denen sich Zahnrad und Ritzel axial aufeinander abstützen. Der Kraftfluss wird dadurch sehr viel kürzer geschlossen als bei der konventionellen Lagerung. Dadurch können Räder, Wellen und vor allen Dingen die Lager leichter ausgelegt werden, wodurch die Leistungsverluste minimiert werden. Zusätzlich können extern auftretende Axialkräfte von der schnell laufenden auf die langsam laufende Welle übertragen werden, wo sie mit weniger Verlusten über ein Axiallager abgeleitet werden können.

Auch wenn es noch keine allgemeinen Berechnungsvorschriften für Druckkämme gibt, sind sie Stand der Technik im Turbinengetriebebau. Darüber hinaus werden Sie in Schiffsgetrieben und begrenzt in Fahrzeuggetrieben eingesetzt. Am IMW fanden und finden Arbeiten statt, allgemeine Berechnungsvorschriften zu erstellen um so einen breiteren Einsatz der Druckkammtechnik zu ermöglichen.

Geschichte

Der Druckkamm wurde 1922 erstmals von der schweizer Firma BBC patentiert. Damals wurde er noch als separates Maschinenelement neben der Zahnradpaarung angebracht. eine auf der Ritzelwelle angebrachte Scheibe dreht dabei in einer umlaufenden Nut, die auf der Radwelle etwa in Höhe der Verzahnung umläuft. Die Reibkontakte sind befinden sich dabei rechts und links der Nut.

In der weiteren Entwicklung hat sich dann das bis heute übliche Design durchgesetzt, bei dem die Druckkämme die Verzahnung einschließen. Gerade bei schnell laufenden Getrieben werden so Probleme aufgrund der Rotordynamik minimiert.

In den achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts wurde erstmals ein Nutzfahrzeug-Getriebe mit Druckkämmen ausgestattet. Dadurch war es möglich, von Geradverzahnung auf Schrägverzahnung umzustellen, womit eine mittlere Geräuschreduzierung um 10 dB erzielt werden konnte.

Am Institut für Maschinenwesen der TU Clausthal wird seit Jahren im Bereich der Druckkämme geforscht. Bisher existieren umfangreiche Arbeiten, die sich mit dem Verformungsverhalten und dem Ablaufen der Ringe beschäftigen. Gegenwärtig verlagert sich der Schwerpunkt auf die Untersuchung des Reibkontakts, insbesondere soll das Anfahrverhalten untersucht werden.

Technik

Druckkämme werden üblicherweise als zwei Ringe links und rechts einer Zahnradpaarung ausgeführt. Sie bilden leichte Kegel, um einen konvergierenden Schmierspalt hervorzurufen. Aufgrund des Linienkontakts entstehen hohe Pressungen, so dass zur Berechnung die elasto-hydrodynamische Schmierfilmtheorie angewendet wird. Die Ölversorgung erfolgt über das in die Verzahnung eingespritzte Öl.

Aufgrund des sehr kleinen Schmierspalts ist der Druckkamm empfindlich gegen Verformungen der Kontaktpartner. Dieses lässt sich entweder durch eine steife Konstruktion oder durch eine gerundete Oberfläche eines der Reibpartner einstellen. Der Linienkontakt wird dann zum Punktkontakt.

Fernerhin ist die axiale Belastbarkeit der Druckkämme begrenzt. Je nach Montageweise bieten sich jedoch Möglichkeiten, das Aufklaffen der Nabe zu verhindern und so die Tragkraft zu erhöhen.

Darüber hinaus besteht, wie bei allen hydrodynamischen Lagern, das Problem, das Mischreibungsgebiet bei niedrigen Geschwindigkeiten schadfrei zu durchfahren. Wenn die Leistung dazu nicht ausreicht, kann durch geeignete Oberflächenbehandlung die Schadensentstehung reduziert werden.

Aktuelle Forschungsarbeiten

Gegenwärtig werden zwei Schwerpunkte am Institut für Maschinenwesen untersucht:

Verformungsanalyse

Zum einen wird das Verformungsverhalten von dicken Kreisringplatten untersucht, die mit exzentrischer Axialkraft beaufschlagt werden. Die Erkenntnisse aus diesem Vorhaben führen zu einer analytischen Auslegungsrichtlinie für dünne, breite Naben, die als Pressverband ausgeführt sind. Neben Druckkämmen fallen auch breite Ritzel unter die Kategorie der exzentrisch belasteten dünnen Naben.

Die Untersuchungen laufen an einem statischen Verformungsprüfstand ab, der mittels 3D-Koordinatenmesstechnik untersucht wird. Darüber hinaus werden numerische Berechnungen durchgeführt, die durch die experimentellen Ergebnisse abgeglichen werden. Mit beiden Untersuchungen wird basierend auf der Kirchhoff'schen Plattentheorie eine analytische Berechnungsformel entwickelt.

Verschleißuntersuchungen

Mit einem Zwei-Scheiben-Prüfstand wird der Einfluss verschiedener Gestaltungsarten von Druckkämmen auf den Verschleiß beim Anfahren untersucht. Bei mittleren Umfangsgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s können Axialkräfte bis 120 kN aufgebracht werden. Im Dauerbetrieb können damit unterschiedlich gestaltete Druckkammprüflinge bis zum Versagen der Oberfläche untersucht werden. Aus den Ergebnissen werden Auslegungs- und Gestaltungsrichtlinien für den schadlosen Dauerbetrieb abgeleitet.

Auch diese Untersuchung wird durch numerische Simulation begleitet, um die Ergebnisse auf ein größeres Parameterfeld anwenden zu können. Darüber hinaus soll eine Grundlage für weitergehende Untersuchungen des Betriebsverhaltens gelegt werden.

Literatur

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Thoden, D.: Elasto-hydrodynamische Schmierung von Druckkämmen. In: Dietz, Peter (Hrsg.): Institutsmitteilung 2006. Clausthal-Zellerfeld, 2006, S. 23–26

Thoden, D.: Über die Verformung von dicken Kreisringplatten unter exzentrischer Axiallast. In: Lohrengel, Armin; Müller, Norbert (Hrsg.): Institutsmitteilung 2009. Clausthal-Zellerfeld, 2009, S. 5–12

Thoden, D. ; Lohrengel, A. ; Dietz, P.: Aktuelle Entwicklungen in der Druckkammauslegung. In: Schlecht, Berthold (Hrsg.): DMK 2009 - Dresdner Maschinenelemente Kolloquium : 24. und 25. November 2009. Dresden : TUDpress, 2009

Brown, Boveri & Cie AG: Stirnradgetriebe mit einseitiger Schraubenverzahnung; Patent 401652 (1922)

Murch, L. ; Wilson, W.: A Thermal Elastohydrodynamic Inlet Zone Analysis. In: Transactions of ASME, Journal of Lubrication Technology 97 (1975)

Dowson, D. ; Higginson, G.: Elasto-hydrodynamic Lubrication. SI ed. Oxford : Pergamon Press; Pergamon Pr., 1977

Kehl, G. ; Mertin, F.: Schmierfilmtragfähigkeit in Druckkammgetrieben. In: Tribologie und Schmierungstechnik 48 (2001) (2001), Nr. 1, S. 12–15

Langer, H.: Hydrodynamische Axialkraftuebertragung bei Wellen schnellaufender Getriebe. In: Konstruktion im Maschinen-, Apparate- und Gerätebau 34 (1982) Heft 12, Seite 473-478

Kontakt

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