.
Wann braucht es eine thermische Analyse?
Für die Frage nach den Leistungsverlusten und der Getriebetemperatur eines Getriebes sowie seiner Optimierung ist eine thermische Analyse auf Basis der erzeugten und der abgeführten Wärmemenge von grossem Interesse. Denn für die thermische Dimensionierung eines schnelllaufenden Getriebes oder eines Getriebes mit hoher Leistungsdichte - insbesondere eines Planetengetriebes - muss man sich oft auf Schätz- oder Erfahrungswerte verlassen.
ISO TR14179 in KISSsoft integriert
Bis heute steht noch kein bewährter und genormter, in sich geschlossener Formelsatz zur Verfügung. Im Rahmen einer Studienarbeit haben wir versuchsweise in einem KISSsys-Modell den Formelgang des ISO Technical Reports 14179 und andere Quellen implementiert, um praktische Erfahrung in diesem Themengebiet zu sammeln. Der ISO/TR 14179 setzt sich aus zwei Teilen zusammen, 14179-1 ist ein amerikanischer Vorschlag, 14179-2 geht auf europäische Quellen zurück. Beide Vorschläge verfolgen teilweise sehr unterschiedliche Ansätze. Zusätzlich weist der dazugehörige Formalismus noch gewisse Lücken auf. Wir mussten daher auf verwandte Literatur zurückgreifen, um sinnvolle Ergänzungen vorzunehmen.
Nachdem über eine Vorstudie eine Auswahl an verschiedenen Ansätzen getroffen war, wurden die Berechnungsformeln in einem KISSsys-Modell implementiert. Damit besteht nun die Möglichkeit, lastabhängige Verluste der Zahnräder und Lager sowie Plansch- und Dichtungsverluste zu berechnen. Für den Anwender wird zudem der bisherige, sehr aufwändige Berechnungsprozess drastisch vereinfacht. Erste Projekte mit Kunden, die eigene Tests mit den Modellen durchführen und sie anschliessend mit vorhandenen Erfahrungswerten vergleichen, sind gerade angelaufen.
Grundlage und Vorgehen
Zwei Punkte sind für die thermische Auslegung von grundlegen-dem Interesse: Zunächst geht es darum, die Wärmemenge zu ermitteln, welche die einzelnen Getriebekomponenten generieren. In einem zweiten Schritt ist dann zu klären, wie diese Wärme wieder abgeführt werden soll, wobei sich in den meisten Fällen - nach hinreichend langer Betriebszeit unter konstanten Umgebungsbedingungen - ein Gleichgewichtszustand einstellt.
Die Getriebetemperatur erreicht folglich einen annähernd konstanten Wert, der gleich der Öltemperatur angenommen werden kann. Insbesondere beim Sicherheitsnachweis für explosionsgefährdete Umgebungen ist die Ermittlung der Getriebe-/Öltemperatur ein wichtiger Bestandteil. Ausserdem sichert eine konstante Getriebetemperatur einen optimalen Betrieb hinsichtlich Schmierung, Verschleiss und Wirkungsgrad.
Ausgehend von Bauart und Geometrie wird zudem die Wärmeab-gabe über Getriebegehäuse, Fundament und Wellen bestimmt. Basierend auf den Wärmemengen können die Getriebetemperatur und gegebenenfalls die notwendige Kühlerleistung berechnet werden, da im thermodynamischen Gleichgewicht beide Wärmemengen gleich sein müssen.Die Abführung der Differenz von generierter und dissipierter Wärmemenge über einen Kühler trägt zur Gewährleistung der thermischen Sicherheit und zur Leistungsoptimierung des Getriebes bei.
Gefahren einer Temperaturüberschreitung
Bei den meisten Getrieben darf eine maximale Öltemperatur nicht überschritten werden. Diese Grenze ist notwendig, weil mit steigender Temperatur die Ölviskosität abnimmt und dadurch die Schmierfilmdicke zwischen den Zahnflanken der Zahnräder und in den Lagern sinkt. Ebenso bewirkt eine erhöhte Temperatur eine schnellere Fettalterung bzw. eine verstärkte Öloxidation. Durch die genannten Effekte wird eine optimale Schmierung beeinträchtigt und die Lebensdauer des Getriebes aufgrund eines höheren Verschleisses herabgesetzt.
Wann braucht es eine thermische Analyse?
Für die Frage nach den Leistungsverlusten und der Getriebetemperatur eines Getriebes sowie seiner Optimierung ist eine thermische Analyse auf Basis der erzeugten und der abgeführten Wärmemenge von grossem Interesse. Denn für die thermische Dimensionierung eines schnelllaufenden Getriebes oder eines Getriebes mit hoher Leistungsdichte - insbesondere eines Planetengetriebes - muss man sich oft auf Schätz- oder Erfahrungswerte verlassen.
ISO TR14179 in KISSsoft integriert
Bis heute steht noch kein bewährter und genormter, in sich geschlossener Formelsatz zur Verfügung. Im Rahmen einer Studienarbeit haben wir versuchsweise in einem KISSsys-Modell den Formelgang des ISO Technical Reports 14179 und andere Quellen implementiert, um praktische Erfahrung in diesem Themengebiet zu sammeln. Der ISO/TR 14179 setzt sich aus zwei Teilen zusammen, 14179-1 ist ein amerikanischer Vorschlag, 14179-2 geht auf europäische Quellen zurück. Beide Vorschläge verfolgen teilweise sehr unterschiedliche Ansätze. Zusätzlich weist der dazugehörige Formalismus noch gewisse Lücken auf. Wir mussten daher auf verwandte Literatur zurückgreifen, um sinnvolle Ergänzungen vorzunehmen.
Nachdem über eine Vorstudie eine Auswahl an verschiedenen Ansätzen getroffen war, wurden die Berechnungsformeln in einem KISSsys-Modell implementiert. Damit besteht nun die Möglichkeit, lastabhängige Verluste der Zahnräder und Lager sowie Plansch- und Dichtungsverluste zu berechnen. Für den Anwender wird zudem der bisherige, sehr aufwändige Berechnungsprozess drastisch vereinfacht. Erste Projekte mit Kunden, die eigene Tests mit den Modellen durchführen und sie anschliessend mit vorhandenen Erfahrungswerten vergleichen, sind gerade angelaufen.
Grundlage und Vorgehen
Zwei Punkte sind für die thermische Auslegung von grundlegen-dem Interesse: Zunächst geht es darum, die Wärmemenge zu ermitteln, welche die einzelnen Getriebekomponenten generieren. In einem zweiten Schritt ist dann zu klären, wie diese Wärme wieder abgeführt werden soll, wobei sich in den meisten Fällen - nach hinreichend langer Betriebszeit unter konstanten Umgebungsbedingungen - ein Gleichgewichtszustand einstellt.
Die Getriebetemperatur erreicht folglich einen annähernd konstanten Wert, der gleich der Öltemperatur angenommen werden kann. Insbesondere beim Sicherheitsnachweis für explosionsgefährdete Umgebungen ist die Ermittlung der Getriebe-/Öltemperatur ein wichtiger Bestandteil. Ausserdem sichert eine konstante Getriebetemperatur einen optimalen Betrieb hinsichtlich Schmierung, Verschleiss und Wirkungsgrad.
Ausgehend von Bauart und Geometrie wird zudem die Wärmeab-gabe über Getriebegehäuse, Fundament und Wellen bestimmt. Basierend auf den Wärmemengen können die Getriebetemperatur und gegebenenfalls die notwendige Kühlerleistung berechnet werden, da im thermodynamischen Gleichgewicht beide Wärmemengen gleich sein müssen.Die Abführung der Differenz von generierter und dissipierter Wärmemenge über einen Kühler trägt zur Gewährleistung der thermischen Sicherheit und zur Leistungsoptimierung des Getriebes bei.
Gefahren einer Temperaturüberschreitung
Bei den meisten Getrieben darf eine maximale Öltemperatur nicht überschritten werden. Diese Grenze ist notwendig, weil mit steigender Temperatur die Ölviskosität abnimmt und dadurch die Schmierfilmdicke zwischen den Zahnflanken der Zahnräder und in den Lagern sinkt. Ebenso bewirkt eine erhöhte Temperatur eine schnellere Fettalterung bzw. eine verstärkte Öloxidation. Durch die genannten Effekte wird eine optimale Schmierung beeinträchtigt und die Lebensdauer des Getriebes aufgrund eines höheren Verschleisses herabgesetzt.
