Massenabschätzung von Stirnradgetrieben : Erstellung eines Programms zur massenoptimierten Industriegetriebekonstruktion

Abstract

Die optimale Konstruktion bzw. Entwicklung von Getrieben hängt von vielen Faktoren ab, vor allem in Hinblick auf das resultierende Bauvolumen und die Getriebemasse. Eine Optimierung gestaltet sich folglich als kompliziert und komplex, besonders dann, wenn das Getriebe eine möglichst geringe Gesamtmasse aufweisen soll. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zu entwickeln, die den Konstruktions- bzw. Entwicklungsprozess von Getrieben beschleunigen. So früh wie möglich soll eine Abschätzung der endgütigen Getriebemasse möglich sein. Eine einfache Abschätzung der endgültigen Masse wird dadurch erreicht, dass mithilfe einer statistischen Auswertung von bekannten Industriegetrieben ein Erwartungswert für die Masse eines neu zu entwickelnden Industriegetriebes ermittelt wird. Obwohl diese Methode eine große Streuung und weitere Unsicherheiten aufweist, ermöglicht sie jedoch beispielsweise Elemente, die das Getriebe beinhalten (Tragrahmen, Fundamente, etc.), früh im Konstruktionsprozess entsprechend zu dimensionieren. Im Zuge dieser Diplomarbeit wurde ein Programm zur Massenminimierung von Stirnradgetrieben entwickelt. Dies soll den Konstruktions- bzw. Entwicklungsprozess des Getriebes durch den Erhalt von Kenntnissen über die Wahl der einzelnen Parameter beschleunigen. Das Hauptaugenmerk liegt somit bei der Bereitstellung wichtiger geometrischer Konstruktionsparameter (Modul, Zähnezahl, etc.). Die vorliegende Arbeit macht deutlich, dass die Getriebemasse vorrangig vom Gehäuse und den Verzahnungen abhängt. Das primäre Ziel bei der Getriebekonstruktion sollte daher sein, das Gehäusevolumen möglichst klein zu halten und entsprechend kompakt zu konstruieren. Dies kann erreicht werden, indem vor allem die Kopfkreisdurchmesser der Großräder, aber auch die Längen der Wellen sowie die Anzahl der Übersetzungsstufen möglichst klein gehalten werden.

Die wohl wichtigste Erkenntnis dieser Arbeit ist, dass die einzelnen Getriebeelemen-te immer gemeinsam ausgelegt werden müssen, um ein massenminimiertes Getriebe zu erhalten. Die Verschränkung der Berechnungen der einzelnen Getriebeelemente zueinander führt zu einem immensen Rechenaufwand, der aufgrund der Ergebnisse gerechtfertigt ist. Für die Industrie bedeutet dies besonders bei Massenprodukten ohne Baukastenprinzip eine erhebliche Materialeinsparung und somit eine Kostenreduktion.

The optimal design and development of transmissions depends on many factors, especially with regards to the resulting volume and mass of the transmission. The optimization is complicated and complex, most of all when it comes to gaining minimum mass. The purpose of this diploma thesis is to develop methods to speed up the construction process. There should be a way to estimate the mass of the completed transmission as soon as possible. An easy estimate of the final mass is achieved by gaining an expectation value for a new transmission. This is done by means of a statistic evaluation of known masses of transmissions from manufacturers. Although it shows a large variance and further uncertainties, this estimation enables the possibility of scaling elements such as support frames or fundaments early in the construction process. Through this diploma thesis, a program for mass minimization of cylindrical gear transmissions is developed. This is intended to speed up the design and construction process of the transmission by obtaining knowledge of the choice of the individual parameters. The main focus is on providing the important design parameters (module, number of teeth, etc.). It is shown, that the mass of transmissions depend preferential on the housing and the tooth system. The primary goal in transmission design should therefore be keeping the housing volume as small as possible and to design as compact as possible. This can be reached by keeping the tip diameters, but also the length of the shafts and the number of stages as small as possible. Probably the most important discovery in this thesis is that the individual elements of the transmission always have to be designed together in order to get a transmission with minimized mass. Entanglements between the calculations of these elements lead to an immense computing time, which is justified on the basis of the results. The meaning for the industry is an incredible saving in material and costs for transmissions that are mass-produced without belonging to construction kits.