Due to their high power density and sliding speeds within the tooth contact, frictional heat and thermal stresses are higher compared to helical, bevel and hypoid gears, and thus the thermal load capacity of worm gears is lower. If torque conversion with high gear ratio, compact installation space and 90-degree axis-crossing angle is needed, often worm gears are used. Anhand von Messdaten aus Forschung und Industrie umfassend validierte Simulationsergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung für unterschiedlichste Getriebeausführungen und Betriebspunkte. Zudem wurden die notwendigen Gleichungen zur Beschreibung der thermischen Leitwerte entsprechend angepasst oder neu formuliert. Zur Bestimmung des Wirkungsgrads und Wärmehaushalts von Schneckenverzahnungen wurden neue Ansätze zur Berechnung lastunabhängiger und lastabhängiger Verzahnungsverlustleistungen sowie neue Algorithmen zur Knotenzuweisung und -vernetzung der Thermalnetzwerkmethode entwickelt und in WTplus implementiert. Die Grundlage für eine effiziente und hinreichend genaue Berechnung lokaler Komponententemperaturen unter Anwendung der Thermalnetzwerkmethode ist eine geeignete Abstraktion des betrachteten Getriebesystems. Die Berechnung des Wärmehaushalts eines Getriebes basiert auf der Kenntnis der Wärmeübergänge zwischen den einzelnen Komponenten des Getriebes sowie der Wärmeabfuhr an die Umgebung. Unter Berücksichtigung der Einzelverlustleistungen von Verzahnungen, Lagern, Dichtungen und sonstigen Elementen im Getriebe wird die Gesamtverlustleistung aus lastabhängigen und lastunabhängigen Verlustleistungen aufsummiert und der Wirkungsgrad bestimmt. Zur Analyse des Wirkungsgrads und Wärmehaushalts von Getriebesystemen mit Stirn- und Kegelradverzahnungen ist das Berechnungsprogramm WTplus weit verbreitet. Im Ingenieurwesen existieren dafür bisher keine automatisierten Berechnungsprogramme für mehrstufige Getriebesystemen mit Schneckenverzahnungen.
Die möglichst genaue Beschreibung des Wirkungsgrads und Wärmehaushalts ist folglich ein entscheidender Faktor in der frühen Entwicklungsphase der Getriebeauslegung. Bei dieser Verzahnungsart treten dabei oft hohe Gleitgeschwindigkeiten im Zahnkontakt auf, was zu einer hohen Reibungswärme und einer erhöhten thermischen Belastung führt. Simulation results were validated with measurements from research and industry showing very close alignment for various operating points and gear designs.Īufgrund der hohen Übersetzung in einer Getriebestufe ermöglichen Schneckenverzahnungen kompakte Bauweisen und hohe Leistungsdichten. Moreover, essential formulas describing the thermal resistances were customized. For this, new approaches for the calculation of load-dependent and no-load losses, as well as new algorithms for nodalization and node-linking, were developed and implemented. The simulation program WTplus was extended to automatically analyze the efficiency and heat balance of various designs of worm gears. A suitable abstraction of the gearbox by nodal points is conducted for an efficient and accurate calculation of local temperatures using a thermal network model. The calculation of the heat balance of the gearbox is based on the heat transfer between the single components, as well as heat dissipation to the environment. The efficiency is determined by adding up load-dependent and no-load power losses of gears, bearings, seals and other rotating components.
The simulation program “WTplus” is widely used to calculate the efficiency and heat balance of gearbox systems containing cylindrical and bevel gears. Currently, no calculation method is available to automatically analyze worm gears with regard to efficiency and heat balance.
Therefore, an exact calculation regarding efficiency and heat balance is essential in the early stages of gear design.
However, they often show high sliding speeds within the tooth contact, resulting in high frictional heat and increased thermal stresses. Worm gears enable compact gear design and high power density due to a high gear ratio within a single gear stage.
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