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Produktbeschreibung

   Basic information

Steifigkeit und Torsionsschwingungen von Keilwellenkupplungen

In diesem Beitrag beschreiben wir einige grundlegende Eigenschaften der Keilwellenkupplung und untersuchen ihr Torsionsschwingungsverhalten. Wir erforschen außerdem den Einfluss einer Keilwellenfehlausrichtung auf die Rotor-Keilwellenkupplung. Diese Ergebnisse tragen zur Entwicklung verbesserter Keilwellenkupplungssysteme für verschiedene Anwendungen bei. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Steifigkeit der Keilwellenkopplung

Die Steifigkeit einer Keilwellenkupplung ist eine Funktion der Eingriffskraft zwischen den Keilwellen in einem Rotor-Keilwellenkupplungssystem und der statischen Schwingungsamplitude. Die Eingriffskraft hängt von den Kupplungsparametern wie dem übertragenen Drehmoment und der Keilwellendicke ab. Sie steigt nichtlinear mit der Keilwellendicke an.
Ein vereinfachtes Keilwellenkupplungsmodell kann zur Bewertung der Lastverteilung von Keilwellen unter Vibrationen und transienten Belastungen verwendet werden. Die Keilwellenhülse der Achse wird in z-Richtung verschoben, und ein Widerstandsmoment T wird auf die Außenfläche der Hülse aufgebracht. Dieses einfache Modell erfüllt ein breites Spektrum an technischen Anforderungen, kann jedoch bei komplexen Belastungszuständen Schwächen aufweisen. Das asymmetrische Spiel kann das Eingriffsverhalten und die Spannungsverteilung beeinflussen.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die maximale Schwingungsbeschleunigung in den Abbildungen 10 und 22 jeweils 3,03 g/s betrug. Dies deutet darauf hin, dass eine Fehlausrichtung in Umfangsrichtung die Stoßbelastung erhöht. Auch im Eingriff ist eine Asymmetrie der Kupplungsgeometrie erkennbar. Die Zähne der rechten Verzahnung greifen fest ineinander, während die der linken Verzahnung nicht fluchten.
Unter Berücksichtigung der Geometrie der Spline-Kupplung wird ein semi-analytisches Modell zur Berechnung der Steifigkeit verwendet. Dieses Modell ist eine vereinfachte Form eines klassischen Spline-Kupplungsmodells, wobei Submatrizen die Form und Steifigkeit der Verbindung definieren. Da das Auslegungsspiel bekannt ist, kann die Steifigkeit eines Spline-Kupplungssystems mit derselben Formel analysiert werden.
Die Simulationsergebnisse zeigen, dass sich das Keilwellenkupplungssystem mit MASTA, einem kommerziellen CAE-Tool der Leistungsklasse für Getriebeanalysen, modellieren lässt. Dabei wurden die Keilwellensegmente zunächst als eine Reihe von Segmenten mit variabler Steifigkeit modelliert, die auf Basis des anfänglichen Zahnabstands berechnet wurde. Anschließend wurden die Keilwellensegmente als eine Reihe von Keilen mit zunehmender Steifigkeit modelliert, um Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen. Die resultierende Analyse der Keilwellenkupplungsgeometrie wird mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Methode verglichen.
Trotz der hohen Steifigkeit eines Keilwellenkupplungssystems ändert sich der Kontaktzustand der Kontaktflächen häufig. Darüber hinaus beeinflusst die Keilwellenkupplung die seitlichen Schwingungen und Verformungen des Rotors. Die Steifigkeitsnichtlinearität ist bei Keilwellenrotoren jedoch aufgrund des Fehlens eines vollständig analytischen Modells noch nicht ausreichend erforscht.

Eigenschaften der Spline-Kopplung

Die Untersuchung von Keilwellenkupplungen umfasst eine Reihe von Konstruktionsfaktoren. Dazu gehören Gewicht, Werkstoffe und Leistungsanforderungen. Das Gewicht spielt insbesondere in der Luftfahrt eine wichtige Rolle. Für Konstrukteure ist das Gewicht oft ein Problem, da Werkstoffe unterschiedliche Dimensionsstabilität, Gewichte und Haltbarkeiten aufweisen. Darüber hinaus können Platzbeschränkungen und andere Konfigurationsvorgaben in bestimmten Anwendungen den Einsatz von Keilwellenkupplungen erforderlich machen.
Die wichtigsten Parameter für die Auslegung von Keilwellenkupplungen sind die maximale Hauptspannung, der Verteilungsfaktor und die maximale Zahnbelastung. Um Stabilität zu gewährleisten, muss jeder dieser Parameter kleiner oder gleich dem Außendurchmesser der Keilwelle sein. Der Außendurchmesser der Keilwelle muss mindestens 4 Zoll größer sein als ihr Innendurchmesser.
Nach der Validierung des physikalischen Designs wird die Wissensbasis für die Spline-Kopplung erstellt. Dieses Modell ist vorprogrammiert und speichert die Designparametersignale, einschließlich Leistungs- und Fertigungsbeschränkungen. Anschließend vergleicht es die Parameterwerte mit den Designregelsignalen und erstellt eine geometrische Darstellung der Spline-Kopplung. Aus den Eingangssignalen wird ein visuelles Modell generiert, das durch Ändern verschiedener Parameter und Spezifikationen angepasst werden kann.
Die Steifigkeit einer Keilwellenverbindung ist ein weiterer wichtiger Parameter zur Bestimmung der Steifigkeit der Keilwellenkupplung. Die Steifigkeitsverteilung der Keilwellenverbindung beeinflusst die seitlichen Schwingungen und Verformungen des Rotors. Die Finite-Elemente-Methode ist ein nützliches Verfahren zur Ermittlung der seitlichen Steifigkeit von Keilwellenverbindungen. Diese Methode erfordert jedoch zahlreiche Netzverfeinerungen und einen hohen Rechenaufwand.
Der Durchmesser der Keilwellenkupplung muss ausreichend groß sein, um das Drehmoment zu übertragen. Eine Keilwelle mit größerem Durchmesser kann aufgrund ihres kleineren Umfangs eine höhere Drehmomentübertragungskapazität aufweisen. Allerdings ist der größere Durchmesser einer Keilwelle dünner als die Welle, und letztere kann besser geeignet sein, wenn das Drehmoment auf eine größere Anzahl von Zähnen verteilt wird.
Keilwellenkupplungen werden anhand ihres Zahnprofils in axialer und radialer Richtung klassifiziert. Das radiale und axiale Zahnprofil beeinflusst das Verhalten und den Verschleiß des Bauteils. Keilwellen mit gekröntem Zahnprofil neigen zu Winkelabweichungen. Typischerweise sind diese Keilwellenkupplungen überdimensioniert, um Langlebigkeit und Sicherheit zu gewährleisten.

Steifigkeit der Spline-Kopplung in der Torsionsschwingungsanalyse

Dieser Artikel stellt ein allgemeines Rahmenwerk zur Untersuchung von Torsionsschwingungen vor, die durch die Steifigkeit von Keilwellenkupplungen in Triebwerken verursacht werden. Es basiert auf einer früheren Studie zu Keilwellenkupplungen und ist durch drei Faktoren charakterisiert: Biegesteifigkeit, Gesamtflexibilität und Tangentialsteifigkeit. Das erste Kriterium ist der äquivalente Durchmesser der äußeren und inneren Keilwellen. Sowohl die Steifigkeit der Keilwellenkupplung als auch die Verschiebung der Keilwellen werden mithilfe der Ableitung der Gesamtflexibilität ermittelt.
Die Steifigkeit einer Keilwellenverbindung kann je nach Lastverteilung entlang der Verzahnung variieren. Zu den Einflussfaktoren auf die Steifigkeit von Keilwellenverbindungen zählen das Drehmoment, Zahnteilungsfehler und Fluchtungsfehler. Um die Auswirkungen dieser Faktoren zu untersuchen, wurde eine analytische Formel entwickelt. Die Methode ist für verschiedene Arten von Keilwellenverbindungen anwendbar, beispielsweise für solche mit mehreren Komponenten.
Trotz der Schwierigkeit, die Steifigkeit von Keilwellenkupplungen zu berechnen, lässt sich der Kontakt zwischen den Zähnen der Welle und der Nabe analytisch modellieren. Dieser Ansatz hilft, wichtige Größen des Kupplungsvorgangs wie Kontaktspitzendrücke, Reaktionsmomente und Drehimpuls zu bestimmen. Er ermöglicht präzise Ergebnisse für Keilwellenkupplungen und eignet sich sowohl für die Torsions- als auch für die Strukturschwingungsanalyse.
Die Steifigkeit von Keilwellenkupplungen wird in dynamischen Modellen üblicherweise als starr angenommen. In hochpräzisen Antriebsstrangmodellen müssen jedoch verschiedene dynamische Phänomene im Zusammenhang mit Keilwellenverbindungen erfasst werden. Zu diesem Zweck wird eine allgemeine analytische Steifigkeitsformulierung auf Basis eines semi-analytischen Modells der Keilwellen-Lastverteilung vorgeschlagen. Die resultierende Steifigkeitsmatrix enthält Werte für die Radial- und Kippsteifigkeit sowie die Torsionssteifigkeit. Die Analyse wird durch die blockweise Inversionsmethode weiter vereinfacht.
Vor der Auswahl der Kupplung muss unbedingt die Torsionsschwingung eines Kraftübertragungssystems berücksichtigt werden. Eine genaue Analyse der Torsionsschwingungen ist für die Sicherheit der Kupplung unerlässlich. Dieser Artikel behandelt außerdem Fallstudien zum Verschleiß von Keilwellen und zu durch Torsion verursachten Ausfällen. Abschließend wird eine robuste und effiziente Methode zur Simulation dieser Probleme in realen Anwendungsszenarien entwickelt.

Auswirkung der Keilwellenfehlausrichtung auf die Rotor-Keilwellen-Kopplung

In dieser Studie wird der Einfluss einer Fehlausrichtung der Keilwellenverzahnung in der Rotor-Keilwellenkupplung untersucht. Die Stabilitätsgrenze und der Mechanismus der Rotorinstabilität werden analysiert. Es zeigt sich, dass die Eingriffskraft einer fehlausgerichteten Keilwellenkupplung nichtlinear mit der Keilwellendicke zunimmt. Die Ergebnisse belegen, dass die Fehlausrichtung für die Instabilität des Rotor-Keilwellenkupplungssystems verantwortlich ist.
Um eine Presspassung und spielfreie Verbindung zu erreichen, wird eine absichtliche Verzahnungsabweichung eingeführt. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Lastverteilung auf die Verzahnungszähne. Eine weitere Verzahnungsabweichung von 50 µm kann zum Versagen der Rotor-Verzahnungs-Kupplung führen. Die maximale Zugspannung an der Zahnwurzel verschiebt sich unter diesen Bedingungen nach links.
Eine positive Verzahnungsfluchtung erhöht die Eingriffsabweichung der Zahnräder. Eine negative Verzahnungsfluchtung hat hingegen keinen Einfluss. Die rechtsgängige Verzahnungsfluchtung wirkt der Schrägungsfluchtung entgegen. Die größte Kontaktfläche verschiebt sich von der Mitte nach links. In beiden Fällen kommt es aufgrund der Durchbiegung und Verkippung des Zahnrads unter Last zu einer Eingriffsabweichung.
Diese Variation der Zahnoberfläche wird als Änderung des Zahnflankenspiels in der Querebene gemessen. Die Werte für das radiale und axiale Zahnflankenspiel sind gleich, wobei die Differenz zwischen beiden geringer ist. Zusätzlich zur Reibungskraft ist das axiale Zahnflankenspiel gleich, was die Verzahnungsfehlstellung erhöht. Daher kann dasselbe Verfahren zur Bestimmung der Reibungskraft einer Rotor-Keilwellen-Kupplung verwendet werden.
Fehlausrichtungen im Zahneingriff beeinflussen die Leistungsfähigkeit von Keilwellen-Rotor-Kupplungen. Diese Fehlausrichtung verändert die Verteilung des Zahneingriffs und beeinflusst die Kontakt- und Biegespannungen. Daher ist es unerlässlich, die Auswirkungen von Fehlausrichtungen in Keilwellenkupplungen zu verstehen. Anhand eines vereinfachten Systems aus Schrägverzahnungspaaren untersuchten Hong et al. die Lastverteilung entlang der Zahnflanke der Keilwelle. Diese Fehlausrichtung führte zu einer Änderung des Flankenkontaktmusters. Die fehlausgerichteten Zähne zeigten unter Last eine Durchbiegung und erzeugten ein Kippmoment am Zahnrad.
Die Auswirkungen von Verzahnungsfehlern in Rotor-Verzahnungskupplungen werden durch einen Mechanismus minimiert, der das Zahnflankenspiel reduziert. Dieser Mechanismus besteht aus kooperativ verzahnten männlichen und weiblichen Elementen. Ein Element setzt sich aus zwei koaxial ausgerichteten Verzahnungssegmenten zusammen, deren Endflächen so geformt sind, dass sie in Gleitbeziehung ineinandergreifen. Die Verbindungsvorrichtung übt axiale Kräfte auf diese Segmente aus und bewirkt so deren Rotation relativ zueinander.