Skip to main content
SpringerLink
Log in

Potenzial von freien Flankenmodifikationen für Beveloidverzahnungen

Potential of free flank modifications for beveloid gears

  • Originalarbeiten/Originals
  • Published:
Forschung im Ingenieurwesen Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

In den vergangenen Jahren rückt die Beveloidverzahnung, auch konische Verzahnung genannt, in den Fokus. Die Beveloidverzahnung findet bei Schiffsgetrieben, in Allradfahrzeugen und bei Robotergetrieben verstärkte Anwendung. Die konjugierte Gegenflanke zeigt dabei das bestmögliche Einsatzverhalten von Beveloidverzahnung auf. Aufgrund des konischen Grundkörpers lässt sich die konjugierte Gegenflanke jedoch nicht mit Standardverfahren herstellen. Standardmikrogeometriemodifikationen, wie Breitenballigkeiten, ermöglichen die Optimierung des Einsatzverhaltens, reizen allerdings nicht das volle Potenzial der konjugierten Gegenflanke aus. Daher wird in diesem Bericht das Potenzial von freien Flankenmodifikationen für Beveloidverzahnungen zur Optimierung des Einsatzverhaltens untersucht.

Im Anschluss an einen kurzen Überblick über bestehende Auslegungsmethoden für Beveloidverzahnungen wird die Auslegungsmethode für freie Flankenmodifikationen vorgestellt und auf einen Beispielradsatz angewendet. Die Optimierung des Einsatzverhaltens des Beveloidradsatzes wird anhand einer gewichteten Zielfunktion durchgeführt. Die Ergebnisse der Optimierung zeigen ein hohes Potenzial freier Flankenmodifikationen für die Verbesserung des Einsatzverhaltens auf. Im Vergleich zu einer unmodifizierten und einer mit Standardmodifikationen modifizierten Variante zeigt die Variante mit freien Flankenmodifikationen auf den drei untersuchten Laststufen eine höhere Tragfähigkeit und eine geringere Geräuschanregung.

Abstract

In recent years the beveloid gear, also known as conical involute gear, is shifting more and more into the spotlight. The beveloid gear has been an important part of marine transmissions for years and is nowadays used to transmit the torque of the output shaft of the gearbox onto the front axle in a four wheel drive vehicle. The small need of design space and the reduced amount of design parts necessary in comparison to conventional transfer gearboxes, distinguish the beveloid gear. The conjugate flank of beveloid gears promises the best operational behavior. However because of its geometry the conjugate flank cannot be manufactured with standard manufacturing processes. Standard modification such as crowning offer a possibility to enhance the operational behavior of involute beveloid gears but cannot reach the whole potential given by conjugated beveloid gears. Therefore, the objective of the following report is to investigate the potential of free flank modifications of beveloid gears regarding the operational behavior. After a brief overview on existing geometry optimization methods for beveloid gears, the method for free flank modifications by means of a weighted objective function is defined and applied to an example gear. The results of the investigation show that free flank modifications offer a high level of improvement of the operational behavior. The comparison with a non-modified gear, a gear with standard modifications and a gear with free flank modifications for three different load steps proves that free flank modifications offer a higher durability and lower noise excitation.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8
Abb. 9
Abb. 10
Abb. 11
Abb. 12

Literatur

  1. Alxneit H (2010) Optimierung des Übertragungsverhaltens konischer Außenstirnräder mit kreuzenden Achsen. Dissertation, Universität Stuttgart

  2. Binz H, Bachmann M, Traut C (2011) Systematische Optimierung des Übertragungsverhaltens konischer Stirnräder. Mithilfe DOE Kongress für Simulation im Produktentstehungsprozess, Würzburg.

    Google Scholar 

  3. Binz H, Bachmann M, Traut C (2013) Calculation of the conjugate tooth flank geometry of conical involute gears by correction of the addendum modification. In: Höhn B‑R (Hrsg) International Conference on Gears, Bd. 1. VDI Verlag, München, S 231–242

    Google Scholar 

  4. Börner J, Humm K, Joachim FJ (2005) Development of conical involute gears (Beveloids) for vehicle transmissions. Gear Technol (6):28–35. (doi des Originals: 10.1115/DETC2003/PTG-48089)

  5. Brecher C, Löpenhaus C, Brimmers J (2015) Verbesserung der Zahnfußtragfähigkeit von Beveloids durch Optimierung der Mikrogeometriemodifikationen. In: Schlecht B (Hrsg) Dresdner Maschinenelemente Kolloquium. 8. und 9. Dezember 2015, 1. Aufl. TUDpress, Dresden, S 385–404

    Google Scholar 

  6. Europäische Union (2009) Verordnung (EG) Nr. 443/2009

    Google Scholar 

  7. Geiser H (2002) Grundlagen zur Beurteilung des Schwingungsverhaltens von Stirnrädern. Dissertation, TU München

  8. Griggel T (2010) Einfluss von Korrekturen und Fertigungsabweichungen auf die Schwingungsanregung von Stirnrädern. Dissertation, TU München

  9. Hellmann M (2015) Fertigungsabweichungen in der Auslegung von Zahnflankenmodifikationen für Stirnradverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen

  10. Hemmelmann JE (2007) Simulation des lastfreien und belasteten Zahneingriffs zur Analyse der Drehübertragung von Zahnradgetrieben. Dissertation, RWTH Aachen

  11. Henser J (2015) Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit von Beveloidverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen

  12. Johann A, Scheurle J (2009) On the generation of conjugate flanks for arbitrary gear geometries. GAMM Mit 32(1):61–79. doi:10.1002/gamm.200910005

    Article  MathSciNet  MATH  Google Scholar 

  13. Jones DR (2009) Direct global optimization algorithm. In: Floudas CA, Pardalos PM (Hrsg) Encyclopedia of optimization. Springer, Boston, S 725–735

    Chapter  Google Scholar 

  14. Komatsubara H, Mitome K‑I, Ohmachi T (2002) Development of concave conical gear used for marine transmissions. Jpn Soc Mech Eng 45(1):371–377

    Google Scholar 

  15. Komatsubara H, Mitome K‑I, Ohmachi T (2002) Development of concave conical gear used for marine transmissions. Jpn Soc Mech Eng 45(2):543–550

    Google Scholar 

  16. Liu C‑C, Tsay C‑B (2002) Contact characteristics of beveloid gears. Mech Mach Theory 37(4):333–350. doi:10.1016/S0094-114X(01)00082-9

    Article  MATH  Google Scholar 

  17. Radev S (2007) Einfluss von Flankenkorrekturen auf das Anregungsverhalten gerad- und schrägverzahnter Stirnradpaarungen. Dissertation, TU München

  18. Roth K (1998) Evoloid‑, Komplement‑, Keilschräg‑, Konische -, Konus‑, Kronenrad‑, Torus‑, Wälzkolbenverzahnungen, Zahnrad-Erzeugungsverfahren. Zahnradtechnik – Evolventen-Sonderverzahnungen zur Getriebeverbesserung. Springer, Berlin

    Google Scholar 

  19. Röthlingshöfer T (2012) Auslegungsmethodik zur Optimierung des Einsatzverhaltens von Beveloidverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen

  20. Saljé H (1987) Optimierung des Laufverhaltens evolventischer Zylinderrad-Leistungsgetriebe. Einfluss der Verzahnungsgeometrie auf Geräuschemission und Tragfähigkeit. Dissertation, RWTH Aachen

  21. Salomon D (2006) Curves and surfaces for computer graphics. Springer, New York

    MATH  Google Scholar 

  22. Schäfer J (2008) Erweiterung des Linienkontaktmodells für die Finite-Elementebasierte Zahnkontaktanalyse von Stirnradverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen

  23. Schriefer H (2008) Kontinuierliches Wälzschleifen von Verzahnungen, 1. Aufl. Reishauer, Wallisellen

    Google Scholar 

  24. Stahl K, Otto M, Zimmer M (Hrsg) (2016) Anwendernahe Umsetzung der Erzeugung allgemeiner Flankengeometrien nach FVA 604/I und Adaption an bestehende FVA-Programme. Flankengenerator. Abschlußbericht. FVA-Heft. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt am Main

    Google Scholar 

  25. Traut C, Binz H, Bachmann M (2013) Systematische Auslegung hohlballiger Flankenkorrekturen für konische Stirnräder mithilfe der konjugierten Flankengeometrie. In: Jacobs G (Hrsg) Antriebstechnisches Kolloquium ATK 2013, 1. Aufl. Apprimus-Verlag, Aachen, S 551–566

    Google Scholar 

  26. Tsai S‑J (1997) Vereinheitlichtes Sytem evolventischer Zahnräder. Auslegung von zylindrischen, konischen, Kronen- und Torusrädern. Dissertation, TU Braunschweig

  27. Wagner M (1993) Beitrag zur geometrischen Auslegung von Stirnradpaaren mit kleinen Achsenkreuzungswinkeln. Dissertation, Universität Stuttgart

  28. Winkler T (2002) Untersuchung zur Belastbarkeit hohlkorrigierter Beveloidgetriebe für Schiffsgetriebe mittlerer Leistung. Dissertation, Universität Stuttgart

  29. Würfel R, Geiser H (2015) Neue Möglichkeiten bei der Wahl der Makro- und Mikrogeometrie von wälzgeschliffenen Verzahnungen. In: Forschungsvereinigung Antriebstechnik e. V. (Hrsg) 5. GETPRO Kongress zur Getriebeproduktion

    Google Scholar 

Download references

Förderung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (BR 2905/67-1) für die Bereitstellung der finanziellen Mittel zur Durchführung des den vorgestellten Ergebnissen zugrunde liegenden Forschungsprojekts. Die Autoren danken dem WZL Getriebekreis für die Bereitstellung der finanziellen Mittel für die Entwicklung der FE-basierten Zahnkontaktanalyse ZaKo3D.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Werkzeugmaschinenlabor, RWTH Aachen, Steinbachstraße 19, 52074, Aachen, Deutschland

    Jens Brimmers, Christian Brecher & Christoph Löpenhaus

Authors
  1. Jens Brimmers
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Christian Brecher
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Christoph Löpenhaus
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Jens Brimmers.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Brimmers, J., Brecher, C. & Löpenhaus, C. Potenzial von freien Flankenmodifikationen für Beveloidverzahnungen. Forsch Ingenieurwes 81, 83–94 (2017). https://doi.org/10.1007/s10010-017-0232-2

Download citation

  • Received:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s10010-017-0232-2

Search

Navigation