Rotating Rainflow
Effiziente Simulation und Auslegung wälzgeschälter Verzahnungen
Die Verzahnungsgeometrie beim Wälzschälen entsteht durch eine räumliche Hüllkurve. Daher muss die Geometrie simulationsbasiert abgebildet werden. Nur so lassen sich kostspielige Fehler durch ungeeignete Werkzeuge oder Abweichungen in der Verzahnungsgeometrie frühzeitig vermeiden.
Wälzschälen in der FVA-Workbench
Wälzschälen ist ein kontinuierliches Hochleistungsverfahren zur Herstellung von Innen- und Außenverzahnungen. Die Kinematik basiert auf einem Schraubradgetriebe: Werkzeug und Werkstück sind über einen Achskreuzwinkel zueinander verkippt und wälzen miteinander ab.
Das Fertigungsverfahren zur Profilerzeugung von Stirnrädern wurde hierfür in der FVA-Workbench vollständig abgebildet. Die Konfiguration erfolgt durch den neuen Werkzeugtyp „Wälzschäler”. Auf Basis der erzeugten Verzahnungsgeometrien lassen sich sowohl Flanken- und Fußtragfähigkeiten nach Norm als auch lokale 3D-Kontaktanalyse berechnen.
Damit schafft die FVA-Workbench die Grundlage für eine effiziente Auslegung von Verzahnung und Werkzeug. Gleichzeitig können Prozessänderungen, beispielsweise durch Nachschleifen des Werkzeugs, schnell und zuverlässig bewertet werden.
Ihr Nutzen auf einen Blick:
- Einfaches und effizientes Werkzeugdesign
- Bestimmung von Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Geometrie
- Automatische Berücksichtigung ISO 6336 sowie lokaler Berechnungsverfahren
Reale Lastkollektive können das Ergebnis Ihrer Zahnradtragfähigkeitsberechnung verändern
Jede Berechnung basiert auf Annahmen. Die entscheidende Frage ist jedoch, ob diese Annahmen das tatsächliche Betriebsverhalten des Antriebsstrangs realistisch abbilden. In der Praxis sind Zahnräder unterschiedlichen Drehmomenten und Lastniveaus sowie häufigen Übergängen zwischen verschiedenen Betriebszuständen ausgesetzt. Diese Lastreihenfolgeeffekte können den Ermüdungsschaden erheblich beeinflussen, bleiben in konventionellen Berechnungsverfahren jedoch häufig unberücksichtigt.
Die Berücksichtigung von Lastreihenfolgen ist daher weit mehr als eine theoretische Verfeinerung. Denn vereinfachte Annahmen erschweren eine belastbare Bewertung der Ergebnisse, während pauschal konservative Ansätze zu schwereren, größeren oder weniger kosteneffizienten Konstruktionen führen können.
FVA-Workbench begegnet dieser Herausforderung, indem die Rotating-Rainflow-Analyse direkt in den Workflow der Tragfähigkeitsberechnung integriert wird. Lastfälle können dadurch nicht nur als einzelne Betriebspunkte, sondern auch als realistische Abfolge von Zustandsübergängen bewertet werden. Das schafft eine verlässlichere Grundlage für die Ermüdungsbewertung und hilft dabei, komplexes Betriebsverhalten in konkrete Erkenntnisse für die Auslegung zu überführen.
Ein anschauliches Beispiel liefert ein Fahrzeugantriebsstrang. Typische Fahrmanöver wie Beschleunigen im Stadtverkehr, Beschleunigen beim Auffahren auf die Autobahn, Bremsen im Verkehr oder Bremsen vor einem Stau erzeugen unterschiedliche Lastzustände. Werden diese Manöver in einer pseudozufälligen zeitlichen Reihenfolge angeordnet, können sich positiv und negativ schwellende Lastfälle abwechseln. Damit sind nicht nur die einzelnen Lastniveaus entscheidend, sondern auch die Reihenfolge ihres Auftretens.
In einem Spannungs-Dehnungs-Diagramm bilden diese Lastwechsel Hysteresen. Die von ihnen eingeschlossene Fläche entspricht der in das Material eingebrachten Energie und dient als Indikator für die Schädigung. Schwellende Lasten erzeugen kleinere Hysteresen, während wechselnde Lasten größere Schleifen verursachen. Dadurch wird die Bedeutung der Lastreihenfolge unmittelbar sichtbar: Übergänge zwischen Betriebszuständen können wesentlich zum Ermüdungsschaden beitragen.
Von der fortschrittlichen Methode zum praxisnahen Engineering-Workflow
FVA-Workbench macht die Rotating-Rainflow-Analyse unmittelbar für den täglichen Einsatz in der Tragfähigkeitsberechnung verfügbar. Ingenieurinnen und Ingenieure definieren die relevanten Lastfälle und legen mithilfe einer Übergangsmatrix fest, wie häufig ein Betriebszustand in einen anderen übergeht. So werden komplexe Lastverläufe in eine strukturierte und nachvollziehbare Berechnungsgrundlage überführt.
Für jeden Lastfall führt FVA-Workbench eine vollständige Systemberechnung einschließlich der verknüpften Analysen durch. Dadurch lassen sich Anregungsverhalten, Verlustleistung und vollständig aggregierte Tragfähigkeitsergebnisse innerhalb eines konsistenten Modells bewerten. Der Vorteil liegt auf der Hand: Realistische Lastreihenfolgeeffekte können berücksichtigt werden, ohne den etablierten Engineering-Workflow zu verlassen. Das ermöglicht fundiertere Entscheidungen, gezielte Optimierungen und den Abbau unnötiger Sicherheitsreserven.
Genauigkeit der Methode: Realitätsnähere Ergebnisse bei geringerer Streuung
Im Rahmen des Forschungsprojekts FVA 718 II wurde der Einfluss des Gleitanteils sowie der Lastreihenfolge experimentell untersucht. Das Diagramm vergleicht diese Versuchsergebnisse mit der Rotating-Rainflow-Simulation. Eine konventionelle Berechnung nach ISO 6336 ohne Berücksichtigung eines Wechsellastfaktors weist eine große Streuung auf, die zu erheblichen Unsicherheiten führt und durch eine Wahl einer höheren Sicherheit nur schwer zu beeinflussen ist.
Die Berücksichtigung des Wechsellastfaktors Y_M führt dagegen zu sehr konservativen Ergebnissen. Dies ließe sich zwar durch eine Anpassung der zulässigen Sicherheitsniveaus teilweise kompensieren, die verbleibende Streuung bleibt jedoch weiterhin beträchtlich.
Im Vergleich dazu liefert die Rotating-Rainflow-Methode sowohl den genauesten Median als auch die geringste Streuung und stimmt damit am besten mit den experimentellen Ergebnissen überein.
| Median | Streuung | |
|---|---|---|
| Rotating Rainflow | 1.89 | 3.94 |
| Konventionell (ohne Wechsellastfaktor) | 1.38 | 7.55 |
| Konventionell (ISO 6336 mit Wechsellastfaktor) | 27.46 | 5.05 |
Mit Rotating Rainflow in FVA-Workbench zu fundierteren Auslegungsentscheidungen
Mit der Rotating-Rainflow-Analyse in FVA-Workbench erhalten Ingenieurinnen und Ingenieure eine praxisnahe Möglichkeit, realistische Lastverläufe in bessere Entscheidungen bei der Zahnradtragfähigkeitsberechnung umzusetzen. Die Methode ermöglicht:
Reale Lastreihenfolgen anstelle ausschließlich einzelner Betriebspunkte zu berücksichtigen
Unsicherheiten bei ermüdungsrelevanten Tragfähigkeitsnachweisen zu reduzieren
Übermäßigen Konservatismus zu vermeiden, wenn eine validierte Lastreihenfolgenbewertung fundiertere Erkenntnisse liefert
Optimierungspotenziale hinsichtlich Materialeinsatz, Leistungsdichte und Konstruktionseffizienz zu identifizieren
Validierte Ergebnisse aus der FVA-Forschung direkt in einer integrierten Engineering-Umgebung anzuwenden
Wenn Ihre Tragfähigkeitsberechnung noch überwiegend auf vereinfachten Lastannahmen basiert, konstruieren Sie möglicherweise um bestehende Unsicherheiten herum. FVA-Workbench hilft dabei, realistische Lastkollektive in validierte Erkenntnisse für die Auslegung zu überführen – damit Sie Tragfähigkeiten mit größerer Sicherheit bewerten und Optimierungspotenziale frühzeitig erkennen können.