< Terug naar vorige pagina

Project

Geavanceerde technieken voor de numerieke contactanalyse van kegeltandwielen met spiraalvertanding

Deze verhandeling behandelt de ontwikkeling van numeriek efficiënte methodes voor de simulatie van het tandwielcontact in spiraalvormige kegeltandwielen.

In de ontwikkeling van moderne transmissies is tandcontactanalyse (TCA) een waardevol instrument voor het voorspellen van de mechanische prestaties van tandwielparen, zonder te moeten steunen op dure prototypes en experimenten. De geometrische complexiteit van kegeltandwielen met spiraalvormige tanden vormt echter een actuele rekenkundige uitdaging voor de TCA-methode. Om accuraat de bewegingsoverbrenging en de krachtverdeling in het contactgebied te voorspellen, is het gebruik van een driedimensionaal model de facto noodzakelijk. Vandaag wordt de tandcontactanalyse voornamelijk gesimuleerd met behulp van de eindige-elementenmethode (FEM), hoewel ook andere meer specifieke oplossing bestaan. De meeste van deze FEM-oplossingen gebruiken generieke methodes (bijv. node-to-surface) om de contactgebieden te bepalen, waarbij de tandoppervlakken vanwege hun complexiteit als willekeurig worden beschouwd. Het niet in acht nemen dat de tandflanken ontworpen zijn om de beweging over te brengen op een bijna geconjugeerde wijze, vertaalt zich voor tandwielen echter in een zeer inefficiënte contactdetectie. De bijgevolg hoge rekenlast beperkt TCA in haar toepassing tot statische componentanalyse en verhindert uitbreidingen tot dynamische analyses of tot de simulatie van transmissies als systemen.

Bouwend op concepten zoals het oppervlak van rolhoeken en de interpenetratie van de tandflanken, ontwikkelt deze verhandeling een nieuw driedimensionaal contactmodel voor tandwielen, die al dan niet uitlijnfouten vertonen. De methodologie voorspelt het correcte contactgedrag van het tandwielpaar aan een lagere rekenkost die de weg effent voor toekomstige toepassingen in de statische of dynamische analyse van systemen met spiraalvormige kegeltandwielparen. Een nauwkeurige beschrijving van de tandoppervlakken van de spiraalvormige kegeltandwielen is essentieel om zowel de kinematica te beschrijven als ook alle complexe contactfenomenen correct in rekening te brengen. Het ideale profiel, gelijkaardig aan het evolvente tandprofiel voor cilindrische tandwielen, bestaat echter niet voor spiraalvormige kegeltandwielen. Een wiskundig model is daarom vereist om de kinematica van het snijproces te simuleren en zo de macro- en microgeometrie van de tand te modelleren. In dit onderzoek wordt het verspaningsproces, genaamd five-cut face-milling (frezen), gebruikt om de geometrie van een spiraalvormige kegeltandwielpaar virtueel te genereren.

Een methode, die in de literatuur wordt geponeerd om de rekenkost van de contactdetectie te reduceren, combineert het oppervlak van de rolhoeken met het concept van ease-off topografie. Deze topografie kwantificeert het gebrek aan geometrische conformiteit van een paar tandflanken in contact. Toch heeft deze methode haar beperkingen met het oog op de analyse van tandwielsystemen, daar de ease-off topografie sterk gevoelig is aan optredende uitlijnfouten. Daarom verruilt de ontworpen methodologie het ease-off concept met een contactmodel dat berust op de interpenetratie van de tandflanken, zodat deze toepasbaar is in een meer systeemgeoriënteerde methode zoals de meerlichamensimulatie. Een analytisch model wordt geformuleerd om de interpenetratie tussen de tandflanken te vertalen naar contactkrachten. De vervorming van een tandpaar in contact is beschreven als de som van twee componenten: een lineaire voor de globale tandvervorming en een niet-lineaire voor de contactvervorming.

De ontwikkelde methodologie kan de prestaties van een verkeerd uitgelijnd tandwielpaar voorspellen, vertrekkende van de rolhoekoppervlakken die berekend zijn voor de tandflankparen in afwezigheid van de uitlijnfouten. Een op ease-off gebaseerde methode moet echter de topografie herberekenen telkens de uitlijning van het tandwielpaar verandert (bijv. door systeemgeïnduceerde verplaatsingen), waardoor haar anders uitstekende numerieke efficiëntie sterk vermindert. Het op interpenetratie gebaseerde contactmodel identificeert het contact door middel van het rolhoekoppervlak maar brengt het gebrek aan geometrische conformiteit in rekening via de ogenblikkelijke positie en oriëntatie van de tandoppervlakken. Hierdoor is de accuraatheid van de methode minder afhankelijk van uitlijnfouten. Een strategie om de rolhoekoppervlakken parametrisch te herdefiniëren in functie van de ogenblikkelijke uitlijnfout wordt ook geopperd om de nauwkeurigheid van de contactdetectie nog verder te verbeteren.

Een toolchain prototype is gecreëerd die alle gepresenteerde technieken omvat, inclusief methodes voor onbelaste en belaste tandcontactanalyse. Deze zijn in feite essentieel in het huidige ontwerpproces van spiraalvormige kegeltandwielen. Routines voor het automatisch creëren van FEM modellen zijn ontwikkeld om zo de methodes te valideren bij middel van niet-lineaire FEM contactsimulaties. Dit alles ondersteunt toekomstig onderzoek naar methodologische verbeteringen.

Datum:8 apr 2015  →  8 jul 2019
Trefwoorden:mechanical engineering, numerical modeling, contact modeling, gears
Disciplines:Productietechnieken, Andere mechanische en productie ingenieurswetenschappen, Productontwikkeling, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechanica
Project type:PhD project