Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 11/2017, 10.11.2017

Versuch und Simulation auf dem Prüfstand

Bei der Entwicklung neuer Getriebe werden die Simulation des Zahnradgetriebes und des Getriebegehäuses separat durchgeführt. Darunter leidet die Genauigkeit. Ein neuer Workflow führt nun die Zahnradberechnungen mittels analytischer Methoden und die Steifigkeits- und Festigkeitsberechnung mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zusammen. Das Beste aus Analytik und Numerik erlaubt nun eine effiziente, genauere und umfassende Getriebeauslegung. Die Frage ist: Wie genau ist dieser Ansatz im Vergleich zum Prüfstand?

Autor: Markus Dutly, Giampaolo Franzoso, Cadfem (suisse) AG, Daniel Häberli, Freier Journalist

Mit dem neuen Verfahren lassen sich qualifizierte Aussagen über das Verhalten des gesamten Getriebes machen. Dabei werden auch nichtlineare Effekte berücksichtigt, die durch Vorspannungen, Temperatureffekte, reibungsbehaftete Kontakte, Schraubenvorspannungen, Lagerspiel und Zahnflankenkontakt entstehen können. Im ersten Schritt wird dabei die Gehäusesteifigkeit über eine FEM-Software («Ansys») berechnet und mittels der Superelement-Methode ein reduziertes Modell generiert. Die so erhaltenen Steifigkeitswerte lassen sich in Form einer Steifigkeitsmatrix automatisiert an die Zahnradauslegungssoftware «KISSsys» übertragen. Dort wird im zweiten Schritt der Lagerversatz mit Berücksichtigung der Zahnräder, Wellen und Lager iterativ berechnet. Der Lagerversatz ist die Voraussetzung, um eine exakte Nachrechnung der Verzahnungen mit Kontaktanalyse (Pressung, Geräusch, ...) durchzuführen. Die Lagerreaktionskräfte wiederum dienen im letzten Schritt dazu, die Deformationen und Spannungen im Gehäuse zu berechnen.

Bei der Entwicklung eines neuen Berechnungsverfahrens ist es unverzichtbar, die Resultate mit den Ergebnissen auf dem realen Prüfstand zu verifizieren. Nur wenn Simulation und Versuch übereinstimmen, ist auch sichergestellt, dass ein neues Simulationsverfahren verlässliche Resultate liefert und somit in den regulären Entwicklungsprozess integriert werden kann.

Dabei stellen sich folgende Fragen: Ist der Versuch genau? Ist die Simulation genau? Das hier vorgestellte Verfahren wurde erstmals beim Getriebe eines Moto3-Motorrads der Suter Industries AG (ehemals Suter Racing Technology AG) angewendet und experimentell validiert. Die Ergebnisse von Simulation und Versuch stimmten jedoch nicht von Anfang an überein. Also galt es, die «Fehler» zu finden und zu beheben. Das Entwicklerteam stellte sich die Frage: «Sind die Bedingungen auf dem realen Prüfstand identisch mit denjenigen der Simulation?» Um das herauszufinden, wurden alle Randbedingungen, sowohl die realem als auch die simulierten, akribisch überprüft. Es zeigte sich, dass die Mehrzahl der Fehler und Unterschiede auf unpräzise oder unzureichende Kommunikation zwischen den Berechnern und den Versuchstechnikern zurückgeführt werden konnte. So testete man zum Beispiel beim Versuch auf dem Prüfstand das Getriebe im zweiten Gang, während im Simulationsmodell stets der erste Gang eingelegt war.

Nachdem diese Fehlerquellen erkannt und behoben wurden, war die Übereinstimmung von Messdaten und Simulationsergebnissen jedoch weiterhin unbefriedigend. Es zeigte sich, dass die verwendeten Messuhren die äusserst kleinen Verschiebungen, die für die Optimierung des Getriebes relevant sind, nicht ausreichend abbilden konnten. Folglich musste eine genauere Messtechnik gefunden werden. Das optische Messverfahren der Firma GOM International AG brachte den Durchbruch. Mit dieser relativ einfach anwendbaren, aber hochpräzisen Methode gelang es, das Simulationsergebnis auf dem Prüfstand zu verifizieren.

Das neue Berechnungsverfahren verdeutlichte, dass in modernen Getrieben noch ein grosses Optimierungspotenzial steckt. Zum Beispiel lassen sich damit Bereiche für die Gewichtsreduktion zuverlässig identifizieren. Für Getriebe im Hochleistungsbereich sind Verbesserungen in der Grössenordnung von zehn Prozent durchaus möglich. Die Erfahrungen aus diesem Projekt zeigen, dass dank Simulation Hightech-Produkte weiterentwickelt werden können. Um diesen Erfolg zu erreichen, wird die Simulation idealerweise durch den Versuch ergänzt und abgeglichen. Der engen Kommunikation zwischen der Versuchs- und Simulationsabteilung kommt eine entscheidende Rolle zu.

Das eigentliche Problem ist: Wer keine Simulations- oder Versuchsresultate hat, der kann nicht vergleichen. Ein seriöser Entwicklungsprozess basiert auf der Symbiose von Versuch und Simulation; idealerweise 10 Simulationen, um zu optimieren und 1 Versuch, um zu validieren.

Cadfem (Suisse) AG
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Am Beispiel der Getriebeentwicklung für eine Moto3-Rennmaschine konnten Simulation und Realität abgeglichen und deckungsgleich gemacht werden. (Bild: Suter Industries)

Am Rande bemerkt

Die Veranstaltung zum Artikel

Am Technologietag «Versuch und Simulation auf dem Prüfstand» präsentiert die Cadfem AG am 30. November 2017, 13:15 bis 17:30 Uhr, die Erfolgsfaktoren für den wirtschaftlichen Einsatz der Simulation und der Messtechnik in den Räumlichkeiten und am Beispiel der Suter Industries AG, Turbenthal. Weitere Informationen gibt es unter cadfem.ch/techtag