Wälzlagerungen in Fahrzeuggetrieben können bei der Auslegung nicht als einfache starre Maschinenelemente angesehen werden, sondern sind Teil der elastischen Getriebestruktur und stehen in starker Wechselwirkung mit Wellen, Verzahnungen und Gehäuse. Daher muss der Wälzlager-Hersteller zur Dimensionierung und Lebensdauervorhersage der Lagerungen das Getriebe stets als Ganzes betrachten.
Der Autor: Sebastian Langhans, Anwendungstechnik Industriegetriebe, Elektromotoren, Fördertechnik und Kunststoffmaschinen, Schaeffler
Im Rahmen der Auslegung müssen die Getriebekomponenten inklusive der Lagerungen so früh wie möglich im Entwicklungsprozess konzeptionell und im Detail aufeinander abgestimmt werden. Hierfür stellt Schaeffler seinen Kunden das Berechnungs- und Analysetool Bearinx zur Verfügung. Das Besondere: In Bearinx steckt das gesamte Know-how des Unternehmens aus den Bereichen Simulation, Wälzkörper-Kontakt und Lebensdauervorhersage. Auch sehr komplexe Getriebe können als Ganzes modelliert, analysiert und ausgelegt werden, wie das Beispiel eines stufenlos verstellbaren Off-Highway-Getriebes von Dana Rexroth Transmission Systems beweist.
Stufenlose Getriebe für die Schadstoff- und Verbrauchsreduzierung
Mit stufenlosen Getrieben kann die Drehzahl optimal zur Motorlast eingestellt werden. Die neuen Abgasnormen Tier 4 (US) und Stage 4 (EU) machen derartige Entwicklungen erforderlich: Für Non-Road Mobile Machinery (NRMM) sind seit 2014 deutliche Reduktionen der Schadstoffe CO, HC, NOx und PM um bis zu 90 % vorgeschrieben. Neben der Abgasnachbehandlung kommt daher dem optimalen Betrieb des Dieselmotors in allen Geschwindigkeitsbereichen und Lastzuständen eine entscheidende Bedeutung zu.
Stufenlose Getriebe sind schon sehr lange bekannt, allerdings waren die als Zugmittelgetriebe ausgeführten CVT (Continuously Variable Transmission) meist kleineren und mittleren Drehmomenten vorbehalten. Den technologischen Durchbruch auf dem Gebiet der stufenlosen Getriebe für sehr große Drehmomente stellen Planetengetriebe mit Leistungsverzweigung und stufenloser hydromechanischer Verstellung dar, wie das HVT-Getriebe (HVT – Hydromechanical Variable Transmission) von Dana Rexroth.
Mit Bearinx & Co. Schritt für Schritt analytisch zur besten Getriebelösung
Wie aus der graphischen Programmierung bekannt, wird in Bearinx das Getriebe zunächst als Blockschaltbild mit einer logischen Struktur definiert. In dieser Struktur ist auch der Leistungs- bzw. Kraftfluss des Getriebes (z. B. Eingang, Wandlung, Verzweigung, Ausgang) festgelegt. In einem zweiten Schritt modellieren die Schaeffler-Ingenieure die Wellengeometrien sowie gegebenenfalls die Steifigkeiten der Lagersitze bzw. Bohrungen. Optional lässt sich der Detaillierungsgrad des Rechenmodells mit einem elastischen Gehäuse erhöhen. Hierzu werden aus FEM-Berechnungen reduzierte Steifigkeitsmatrizen der Bereiche um die Lageraußenringe erzeugt, die wiederum als Eingabe in Bearinx dienen. Der dritte Schritt umfasst die datenbankbasierte Aufnahme aller inneren Lagergeometrien inklusive der Profilierung zwischen Laufbahnen und Wälzkörpern. So können sehr realitätsnah und schnell sämtliche Flächenpressungen in den Wälzlager-Kontakten, Lagerreaktionen, Wellendurchbiegungen, Zahneingriffe und Gehäuseverformungen unter dem jeweiligen Lastfall beurteilt und die Lagerlebensdauer ermittelt werden.
Bei der Eingabe in Bearinx sind Lastkollektive aus Fahrzyklussimulationen ebenso wie Prüfstand-Lastkollektive möglich. Mit der Simulation von Prüfstand-Lastkollektiven können Prüfdauer und Ergebnisse vorausberechnet, optimiert und dann auf den realen Prüfstand übertragen werden. Auf diese Weise reduzierten die Schaeffler-Ingenieure zusätzlich die Entwicklungszeit des Getriebes. Außerdem wurden alle Schaltzustände des HVT-Getriebes (rein hydraulisch, hydraulisch-mechanisch und rein mechanisch) in Bearinx untersucht und die für die Wellen und Lager jeweils ungünstigen Lastfälle identifiziert. Insgesamt sind 56 Schaeffler-Lager im HVT von Dana Rexroth verbaut. Dazu gehören:
- 22 Kegelrollenlager und zwei einbaufertige Kegelrollenlagersätze für die einfache Montage ohne Mess- und Einstellungsaufwand
- 2 Kegelrollenlager in X-life-Qualität, um die geforderte Lebensdauer für eine Welle mit beengtem Bauraum sicherzustellen
- 21 Nadelkränze, davon 20 KZK-Nadelkränze
- 8 Rillenkugellager und
- 1 Pendelkugellager zur Führung mit Verkippungsfreiheitsgrad
Kosten und Entwicklungszeit sparen mit Variantenmanagement und Sensitivitätsanalyse
Welche Anordnungen der Getriebewellen und Lager sind hinsichtlich Bauraum, Lagerkräfte, Gehäuseteilung und Montierbarkeit optimal? Bereits in der Konzeptphase untersuchen die Ingenieure von Schaeffler in Zusammenarbeit mit dem Anwender mehrere Getriebevarianten, um späte Designänderungen zu vermeiden. Mithilfe einer Sensitivitätsanalyse beurteilen sie außerdem Toleranzen und deren Einfluss auf Verzahnungen und Wälzlagerungen. Durch Veränderung einzelner Toleranzen kann der Getriebehersteller diese gezielt entfeinern und somit Kosten in der Produktion oder Montage einsparen.
Einbaufertige Lagerlösungen für Getriebe reduzieren Zykluszeiten
Kegelrollenlager sind in Getrieben weit verbreitet, erfordern jedoch eine genaue Einstellung des axialen Wellenspiels. In den einbaufertigen FAG-Kegelrollenlagersätzen ist das optimale Lagerspiel bezüglich der Lager-, Wellen- und Bohrungstoleranzen ab Werk eingestellt. Mit diesen Lagern ersparen sich Getriebehersteller den Einstellaufwand und erzielen kürzere Zykluszeiten am Montageband.
Dynamische Belastungen in Planetenstufen beherrschen
Planetenräder und deren Lagerungen sind in manchen Getriebeapplikationen großen Radialbeschleunigungen ausgesetzt. Die dadurch sehr hohen internen Kräfte im Lager müssen über den Käfig und die Planetenlaufbahn abgestützt werden. Schaeffler setzt für sehr hohe radiale Führungsbeschleunigungen speziell entwickelte KZK-Nadelrollensätze ein. Für das Dana-Rexroth-Getriebe wurden die KZK-Käfige aufgrund der hohen radialen Führungsbeschleunigungen von mehr als 500g mittels FEM weiter optimiert, um den hohen internen Lagerkräften dauerfest standzuhalten.
Erarbeitung von serienreifen Lösungen, die eine Unterbelastung vermeiden
In Schaltgetrieben laufen Wellen und Lager häufig lastfrei. Wälzlager benötigen jedoch eine gewisse Mindestlast, um das Risiko von Schäden durch Schlupf (vor allem bei wechselnden Betriebszuständen) auszuschließen. Wie kann diese Mindestlast für Wälzlager konstruktiv ausgeführt werden? Ist der konkrete Fall unbedenklich? Ist eine andere Lagerbauart zu empfehlen? Die Schaeffler-Spezialisten erarbeiten gemeinsam mit dem Getriebehersteller serienreife Lösungen.
Antworten auf alle Getriebefragen – das Ganze verstehen und mit Blick aufs Detail lösen
Wärmedehnungen, Verunreinigungen, erforderlicher Ölvolumenstrom für eine ausreichende Schmierung und Kühlung, Unterbelastung, Anlaufschmierung, Festigkeitsuntersuchungen – welche Fragen sich bezüglich der Lagerung von Fahrzeuggetrieben auch ergeben, mit frühzeitigen Simulationen und Berechnungen auf dem neuesten technologischen Stand sowie mit realitätsnahen Prüfstandsläufen liefert Schaeffler die benötigten Antworten. Der Mehrwert besteht vor allem in der geringen Zahl an Änderungsschleifen und einer kurzen Entwicklungszeit bis zur optimalen Lagerlösung. Nach dem Motto: das Ganze verstehen und mit Blick aufs Detail lösen. I
Info & Kontakt
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Herzogenaurach
Gerhard Zintl, Leiter technische Berechnung, CAE-Support
Tel.: · +49 9132 82-3396
Detaillierte Informationen zum Thema Wälzlager-Auslegung:
t1p.de/ubtd
Unsere Webinar-Empfehlung
Antriebstechnik - wenig Platz ist kein Argument. Jetzt Webcast ansehen und mehr erfahren über Lösungsansätze für kleinere – aber leistungsfähige – Komponenten!
Teilen:
