Hammaskosketusanalyysi kaarevahampaisten kartiohammaspyörien suunnittelutyökaluna

Abstract

Hammasvaihteisiin kohdistuvien vaatimusten kasvaessa tarvitaan komponenttien suunnittelussa tarkempia laskentamenetelmiä. Kaarevahampaisten kartiohammaspyörien tapauksessa tarkkaan kolmiulotteiseen geometriaan perustuva hammaskosketusanalyysi on yksi tärkeimmistä tällaisista laskentatyökaluista.

ATA Gears Oy:ssä hammaskosketusanalyysiin käytetään muiden muassa Becal ohjelmaa. Numeerisista menetelmistä poiketen Becal ei edellytä suurta laskentakapasiteettia, koska sen laskentamenetelmät perustuvat valtaosin analyyttisiin teorioihin. Lisäksi ohjelma sisältää toiminnallisuuksia, jotka automatisoivat useita analyysiin liittyviä laskentavaiheita, tehden ohjelman käytöstä helposti omaksuttavaa ja ennen kaikkea nopeaa. Näin ollen Becal soveltuu potentiaalisesti hyvin käytännön suunnittelutyöhön. Ohjelman käyttöön ja tulosten luotettavuuteen liittyy kuitenkin edelleen epävarmuutta, jonka vuoksi ohjelman soveltuvuus suunnittelutyökaluksi on vielä joiltakin osin kyseenalainen.

Diplomityön tarkoituksena oli arvioida Becalin soveltuvuutta käytännön suunnittelutyöhön. Soveltuvuus määritellään luotettavuuden ja käytettävyyden yhdistelmänä. Käytettävyys liittyy siihen, miten vaativaa, virhealtista ja aikaavievää riittävän luotettaviin tuloksiin johtavan analyysin tekeminen käytännössä on.

Työn tavoitteet pyrittiin saavuttamaan analysoimalla Becalilla kaksi todellista esimerkkitapausta. Ne olivat merikäyttöön tarkoitettuja potkurilaitevaihteita. Laskennallisia kosketuskuvioita verrattiin vaihteiden kokoonpanossa (kuormittamaton tilanne) sekä täyden kuorman testissä (kuormitettu tilanne) dokumentoituihin todellisiin kosketuskuvioihin. Valmistuksen aikana kartiopyörät mitattiin koordinaattimittakoneella. Kartiopyörien suhteelliset siirtymät kuorman alla määritettiin mallintamalla laskennallisesti vaihteessa kuorman alla tapahtuvat muodonmuutokset ja siirtymät. Näitä tuloksia käytettiin lähtötietoina Becalissa. Pääajatus oli, että tarjoamalla laskentaan mahdollisimman tarkat lähtötiedot, saadaan vertailun kautta esille se tarkkuus, joka Becalilla on parhaimmillaan saavutettavissa. Samalla voitiin arvioida analyysiprosessia sen käytettävyyden kannalta.

Vertailun perusteella Becalin katsottiin kykenevän tarjoamaan tuloksia, jotka ovat tarkkuudeltaan riittäviä käytännön tapauksiin. Analyysin käytettävyyden todettiin määräytyvän suoraan edellä mainittujen lähtötietojen selvittämiseen liittyvän työmäärän kautta. Koska lähtötietojen tarkkuuden merkitys riippuu voimakkaasti tapauksesta, on myös Becalin käytettävyys tapauskohtaista. Yleispätevämpien johtopäätösten tekemisen katsottiin edellyttävän useampien erilaisten esimerkkitapausten analysointia ja tässä tutkimuksessa jäljelle jääneiden epävarmuustekijöiden elminointia. /Kir11

As the demands for power density, noise generation and costs are continuing to grow, more accurate calculation methods are needed in design of gear drive components. In case of spiral bevel gears, tooth contact analysis based on exact 3D -geometry is one of the most important of such calculation tools.

At ATA Gears Oy. tooth contact analysis based on program Becal has been used in the design process for many years. Unlike computationally intensive numerical methods like FEM, Becal doesn’t require great computing power. Simulation of bevel gear mesh, with and without load, can be executed in a matter of seconds using a typical work station. This is due to the mostly analytical calculation methods used. Becal also has many built in functionalities that automate the steps of the analysis process and therefore make it easier to adopt. Fast calculation times together with these functionalities make Becal potentially well suited for practical design of spiral bevel gears. However, there are still some remaining unclarities related to the reliability and use of Becal. The purpose of this master's thesis was to assess the suitability of Becal as a practical design tool. Here the suitability is considered as a combination of reliability and usability. Usability is related to time efficiency and user friendliness of such analysis process that leads to sufficiently accurate results.

Two real example cases, provided by ATA’s customer Rolls-Royce Oy Ab, were analysed with Becal. They were two identical marine thruster gear drives that utilize identical bevel gears, except for difference in handedness. Calculated contact patterns with and without load were compared to real ones documented at the assembly and full load test of the gear drives. During manufacturing the gears were measured using a co-ordinate measuring machine. Relative displacements of the gears were determined through analysis of deformations and displacements occurring in the gear drive under load. The deviations of geometry and relative position of the bevel gears were used as input for Becal. The main idea was that by providing Becal with as accurate as possible input data, the comparison will show the best accuracy that can be expected with Becal in real applications. At the same time assessments of the usability of the analysis process could be made.

Based on the comparison it was concluded that Becal is able to provide sufficiently accurate results for the needs of practical design process. The usability is dictated by the amount of work related to the abovementioned input data, the importance of which strongly depends on application. This means that the usability of Becal is case-specific. It was also concluded that for a more comprehensive assessment, more example cases of different kinds are needed and, in possible future studies, the known uncertainties related to this work should be eliminated.