antriebstechnik 10/2016

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN
04 Getriebezustandsbewertung nach mehrmonatigem Robustheitstest
auf dem Systemprüfstand
05 Prinzip der Leistungsverzweigung im Differentialgetriebe
auf zwei Planetenstufen (oben) und Leistungsdichteerhöhung
mit vier und fünf Planeten für Leistungen bis
10 MW (unten)
Ziel war es die erforderliche Leistung der
Ölversorgung auf ein Mindestmaß zu reduzieren
und gleichzeitig die minimal erforderlichen
Ölmengen an den Verzahnungen
und Lagern sicherzustellen.
Nicht zuletzt spielt die richtige Wahl der
Verzahnungsparameter in Bezug auf das
Anregungsverhalten eine wichtige Rolle. Im
Differentialgetriebe werden konsequent Geradverzahnungen
eingesetzt. Das hat den
Vorteil, dass keine Axialkräfte auftreten, die
bei der vorliegenden Getriebegröße erheblich
wären. Die Axialkräfte würden die Tragstruktur
erheblich belasten und zu deutlich
größeren Lagern an den Planetenträgern
führen. Zudem tritt bei der Geradverzahnung
kein Kippmoment an den Planeten
auf, was eine optimale Lastverteilung in den
Planetenlagern sicherstellt. Die Geradverzahnungen
erfordern allerdings eine besondere
Kenntnis zweckmäßiger Auslegungsparameter
für ein günstiges Anregungsverhalten.
Mit Hilfe der Mehrkörpersimulation konnte
gezeigt werden, dass mit einer geeigneten
Auslegung der Verzahnung die Körperschallanregung
um Faktor 10 reduziert werden
kann. Die Messung bestätigt, dass das
Anregungsverhalten so auf das Niveau eines
3-MW-Getriebes gebracht wurde.
Besser als erwartet
Schließlich wurde die Zuverlässigkeit des
Produktes mit Hilfe einer umfänglichen
Validierungsstrategie nachgewiesen. Diese
beruht im Wesentlichen auf den drei Säulen
Funktion, Robustheit und Ermüdungslebensdauer.
Die Validierung umfasst Tests
auf Komponenten- und Systemprüfständen
sowie einen Feldtest. Die Validierungsinhalte
leiten sich aus den höchsten Risikoprioritätszahlen
der FMEA ab. Mit den
Funktionstests wurde die grundsätzliche
Funktion des Systems unter verschieden
Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise
die Schmierung oder die Leerlaufparameter
bei Temperaturen von - 40 °C bis + 50 °C
nachgewiesen. Mit den Komponententests
konnten relevante Funktionen des Systems
oder auch Prozessschritte validiert. Beispielsweise
wurde die korrekte Aufbringung
der Vorspannkraft auf die Planetenlager
validiert werden.
Auf dem Systemprüfstand wurde gemeinsam
mit dem Kunden die Robustheit
des Getriebes validiert. Abgeleitet aus den
Antriebsstranglasten, konnten geeignete
Lastkollektive mit Überlastanteilen von bis
zu 200 % der Nennlast aufgebracht werden.
Auch externe Lasten wie die Rotorbiegemomente
wurden in das Getriebe eingeleitet.
Während des Prüflaufs wurden umfängliche
Messungen mit einer getriebeinternen
Sensorik durchgeführt. So wurden die Lagertemperaturen,
Öldrücke und nicht zuletzt
die Lastverteilung im Getriebe gemessen.
Die Messungen bestätigten die Lastverteilung
sowie die in der Auslegung angenommenen
Randbedingungen. So konnten
Breitenlastverteilungen von K Fβ
≈ 1,20 und
K γ
< 1,05 nachgewiesen werden.
Nach mehrmonatigem Prüflauf auf dem
Systemprüfstand wurde das Getriebe vollständig
demontiert und inspiziert. Der Fokus
lag dabei auf den Wälzkontakten zum
einen, aber auch auf den in der FMEA als
kritisch bewerteten Funktionselementen,
wie z. B. Flansch- oder Welle-/Nabe-Verbindungen.
Die Tragbilder der Lager- und Verzahnungen
bestätigten die Auslegung, der
Gesamtzustand übertraf die Erwartungen
deutlich.
Kooperation als Erfolgsfaktor
Letztlich konnte nach mehrjähriger Entwicklungszeit
die Systemzuverlässigkeit mit
Hilfe aufwändiger Simulationen und konsequenter
methodischer Entwicklung sichergestellt
werden und im Rahmen der umfänglichen
Validierung bestätigt werden. Die
enge Kooperation zwischen Anlagenbauer,
Getriebehersteller und Unterlieferanten hat
sich dabei als ein maßgeblicher Erfolgsfaktor
herausgestellt. Das Produkt ist dank der
simultanen Prozessentwicklung bereit mit
stabilen Prozessen in Serie für Offshore-
Parks in Europa gefertigt zu werden.
Das Differentialgetriebe erweist sich als
robustes Getriebekonzept, welches Potential
für die nächste Generation der Leistungsklasse
9 bis 10 MW ausweist. Aufgrund des
Leistungsverzweigungsprinzips auf zwei
Planetenstufen lassen sich mühelos fünf Planeten
je Stufe bei gleicher Übersetzung und
gleichem Bauraum einsetzen. Drehmomentsteigerungen
auf mehr als 12 000 kNm sind
bei gleichem Getriebeaußenabmaßen und
gleichen Komponentengrößen ohne weiteres
möglich. Dies ist ein bedeutender Vorteil für
die gesamte Lieferkette im Hinblick auf Fertigungsverfahren
der Ur- und Umformung
sowie der mechanischen Bearbeitung, der
innerbetrieblichen Logistik sowie dem
Transport. Nicht zuletzt können die Entwicklungs-
und Validierungskosten durch Beibehaltung
des validierten Getriebedesigns auf
ein Mindestmaß reduziert werden.
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