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Hallo zusammen,

für meine Master-Thesis muss ich unter anderem eine FEM-Simulation eines Schneckengetriebes mit ANSYS Workbench 14.0 durchführen.
Qualitativ bekomme ich als Ergebnis auch sehr gute Verläufe, aber bei der Auswertung der Reaktionsmomente ist mir aufgefallen, dass diese zwar im Verlauf plausibel, aber in Summe viel zu klein für das gegebene Eingangsmoment ausfallen. Da die Thesis zusammen mit einem Industriepartner durchgeführt wird, kann ich leider kein Modell hochladen, daher hier eine kurze Beschreibung der Simulation:

Typ: Statisch Mechanisch
Kontakt: Reibungsbehaftet (µ=0,1); Augmented-Lagrange; Kontaktsteifigkeit in jedem Intervall aktualisieren; auf Berührung anpassen (separate Kontakte für jeden Zahn); keine Dämpfung
Lagerung: je 1 zylindrisches Lager an jedem Wellenende der Schnecke (beide radial fixiert, 1 Lager axial fixiert); fixierte Lagerung der Welle des Schneckenrade
Last: Moment auf Schneckenwelle (abgegrenzte Partition, keine gemeinsamen Knoten mit Kontakten oder Lagerung)
Analyseeinstellungen: große Verformungen ein, keine schwachen Federn, keine Stabilisierung, Zeitschrittsteuerung über Substeps

Bei Verwendung dieser Einstellungen beträgt das Reaktionsmoment an der Schneckenradlagerung leider nur ca. 1/10 des erwarteten Moments (Wirkungsgrad eingerechnet). Eine Umrechnung der Kontaktkräfte an der Schnecke in ein Widerstandsmoment beträgt zusammen mit den Lagermomenten der Schnecke(sehr klein, vermutlich durch numerische Fehler da der tangentiale Freiheitsgrad frei ist) nur ca. 1/8 des Eingangsmoments. Das Maximum der Fehlerenergie beträgt ca. 1/5 des Maximums der Dehnungsenergie (dafür sind bei der Fehlerenergie deutlich weniger Elemente mit hohen Werten betroffen und diese liegen ausschließlich im Bereich der Schneckenlager), aber nur ein 1/10000 der Verzerrungsenergie.

Ich habe an den unterschiedlichen Einstellungen auch schon verschiedene Alternativen (u.a. weggesteuerte Last über externe Verschiebung) untersucht, aber die haben es durchweg nur schlimmer gemacht. Eine transiente Analyse habe ich auch schon ausprobiert, aber damit konnte auch kein besseres Ergebnis erzielt werden.

Kennt irgendjemand hier eventuell ein ähnliches Problem oder weiß eine Lösung?

Vielen Dank schon einmal!

Beste Grüße
Simon

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Hallo,

was immer eine gute Option ist, sind die Reaktionskräfte und Kontaktkräfte zu prüfen, um festzustellen, wo die Last letztlich landet (Kraftfluss prüfen). Die 90% müssen ja irgendwohin, wenn man das weiß, hat man einen Indikator nach der "Umleitung" zu suchen. Wenn die Last aber am Schnecken-Kontakt schon nur 1/8 ist, klingt das für mich nach Problem in der Schneckenlagerung. Z. B. Rotation nicht frei.Um das zu prüfen mal ohne Schneckenrad mit vorgegebener Verdrehung an der Welle rechnen, da müsste ein Moment von nahe (ingenieurtechnisch) Null rauskommen. Tut es das?

Wenns zu knifflig wird das selbst zu durchleuchten schlage ich vor, den techn. Support von CADFEM zu kontaktieren. In einer Webex kann man konkrete Hilfestellung geben, ohne dass Simulationsdaten das Haus verlassen müssen.

Viele Grüße

CG

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Christof Gebhardt

CADFEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt(at)cadfem.de
www.cadfem.de

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Hallo Christof,

vielen Dank für deine schnelle Antwort.

Die Überprüfung der Lagerkräfte hatte ich auch schon mit vorgenommen und auch einmal die radialen Lagerkräfte als tangentiale Kräfte der Welle angenommen, aber selbst das ändert das Widerstandsmoment nicht annähernd auf den "benötigten" Wert für statisches Gleichgewicht an der Schnecke. Einzelne Simulationen der Zahnräder habe ich auch schon durchgeführt und hier hat alles wunderbar funktioniert. Der Kontakt scheint deshalb die zentrale Rolle zu spielen.

Ich habe mittlerweile die verschiebungsgesteuerte Simulation auch einmal auf das gewünschte Reaktionsmoment am Schneckenrad (Abtrieb) angepasst. Mit dieser Simulation entsprechen neben dem erwähnten Abtriebs-Reaktionsmoment auch sämtliche Lagerkräfte nahezu den analytisch berechneten Werten (Abweichung < 1%). Die Momentenauswertung an der externen Verschiebung der Schnecke ergibt jedoch ein Lastmoment, das in etwa dem 50-fachen des eigentlichen Eingangsmoments entspricht.

Die Spannungsauswertung an der Schnecke zeigt dabei keine Auffälligkeiten, die auf eine zusätzliche lokale Energieabfuhr aus dem System hindeuten. Da alle Lagerreaktionen zusammen (Reaktionsmomente + Reaktionskräfte mit zugehörigen Wirkradien) auch unter Berücksichtigung des Getriebe-Wirkungsgrades betragsmäßig nicht ausreichen um das Lastmoment zu kompensieren, wirken die Ergebnisse auf mich, als ob ANSYS das System künstlich dämpft, obwohl ich sowohl die Kontaktdämpfung, als auch die Stabilisierung bei den Analyseeinstellungen deaktiviert habe. Die zur Verfügung stehenden Lösungstools geben keinen Hinweis auf Ort und Höhe der gesuchten Energie-Dissipation und eine manuelle Anpassung der Kraftkonvergenz bei der nichtlinearen Steuerung zeigt selbst bei einer um Faktor 100 gesenkten Kraftkonvergenz-Schwelle keine erwähnenswerte Ergebnisänderung. Ein reibungsfreier Kontakt zwischen beiden Zahnrädern führt im Übrigen zur gleichen Problematik.

Gibt es eine evtl. eine Energiestichprobe für die dissipative Gesamt-Energie?

Beste Grüße
Simon

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Ich bleibe bei dem o. g. Tipp zum Drehen der freien Welle. Oder den Support kontaktieren: 08092 700555

Viele Grüße
CG

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Christof Gebhardt

CADFEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt(at)cadfem.de
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hi,
nimm doch mal das anpassen der Kontakte (auf Berührung anpassen) raus. Ich geh mal davon aus das die Geom korrekt modelliert ist und da braust du das nicht. Im Gegenteil. Es kommt bei der Sim ja auf die Form der Bauteile an (Krümmungen der Schnecke). Die solltest du nicht "unkontrolliert" verfälschen.
Dann wie Herr Gebhard bereits vorgeschlagen hat mit weggesteuerter Verdrehung die Last aufbringen.

Den Pinball nicht so groß wählen das er über eine Steigung der Schnecke hinweg reicht. Eher so Max 1/2 der Steigung.

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Der Tipp mit dem Drehen der freien Welle hat super funktioniert! Gestern hatte ich das leider falsch verstanden.

Tatsächlich waren die zylindrischen Lager das Problem, wobei der Spannungsverlauf darauf keinen Hinweis gegeben hatte und die Reaktionsmomente der Lager nahezu Null waren.
Mit externen Verschiebungen zur Lagerung der Schnecke läuft die Simulation und liefert gute Ergebnisse.

Vielen Dank für die Hilfe!

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