Stirnrad-Technologie

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neuesPeeD ViPer Mit innOVatiVen features

Die Höfler Stirnrad-Wälzschleifmaschine Speed Viper ist optimal auf das Produktionsumfeld von Industrie 4.0 ausgelegt und steht wie kaum ein anderes Maschinenkonzept für hochproduktives Wälzschleifen in der Großserie. Sie hat dabei
sowohl das Vertrauen der Branche als auch einen iF Design Award gewonnen.
Klingelnberg hat diese erfolgreiche Plattform nun weiterentwickelt: Neue Featuresnehmen das Geräuschverhalten von Getrieben in den Fokus und ermöglichen eine
längere Einsatzdauer der Schleifscheiben.

Stirnrad-TechnologieHöchstmögliche Produktivität,
sichere Prozesse und leichte
Bedienbarkeit sind die Erfolgsfaktoren eines Produktionssystems. Das gilt insbesondere für die Zahnradfertigung. Dennhier spielt nicht nur die messbare Geometrie der Zähne eine wesentliche Rolle,sondern auch weichere Faktoren wie das
Geräuschempfinden. So schlägt sich mancher Zahnradexperte im Alltag neben Härteverzügen auch mit Höherharmonischenund Geisterordnungen herum, die Akustiker in Getrieben entdecken. Und wenn
es gelingt, hier gute technische Resultate
abzuliefern, kommt die nächste Hürde:der Kostendruck.

Ein cyber-physischesProduktionssystem
Mit der Speed Viper Maschinenfamilie hat
Klingelnberg ein innovatives Konzept auf
den Weg gebracht, das in ein cyber-physisches Produktionssystem eingebettet
ist. Die vollumfängliche Digitalisierung
erzeugt für jeden Schritt im Entwicklungsund Produktionsprozess ein digitales
Abbild. So lassen sich kostspielige Nachbesserungen vermeiden und „nebenbei“
entsteht völlige Transparenz.

Das beginnt bereits bei der Verzahnungsauslegung. Um ein Hochleistungsgetriebe zu entwickeln, werden Zahnflankenmodifikationen angewandt, damit trotz
temperatur- und lastbedingter Verformungen der Komponenten in allen
Betriebspunkten ein gutes Geräuschund Lastlaufverhalten gegeben ist.
Diese Zahnflankenmodifikationen erfolgen nach funktionalen Gesichtspunkten. Wie genau sich das auf einem
existierenden Maschinenpark mit denvorhandenen Werkzeugen umsetzen
lässt, ist eine der vielen Herausforderungen in der Fertigung.
An diesem Punkt hilft die Dualität eines
cyber-physischen Produktionssystems: Ob
sich die gewünschte geometrisch ideale
Zahnflankenform wirtschaftlich herstellen
lässt, prüft die Software Gear Designer.
Sie berechnet anhand einer Herstellsimulation und den vorhandenen Freiheitsgraden in der Produktion eine tatsächlichherstellbare Zahnflankenmodifikation.
Dabei ergeben sich natürlich Abweichungen zwischen dieser berechneten und derursprünglich gewünschten Modifikation.
Der Vorteil der Gear Designer Software
liegt darin, dass dem Konstrukteur voraballes aufgezeigt wird, was später ohnehinin der Fertigung passiert. Statt langwie-SCHNELLLESEINFO
Drei Highlights der Speed Viper
Familie auf einen Blick:
Die Speed Viper Plattform ist
in ein cyber-physisches Produktionssystem eingebettet, daseinen Closed Loop sowohl für
die Produktion als auch für die
Entwicklung ermöglicht.
Mit QSS – Quiet Surface Shifting –lassen sich die Rauheitswerte derZahnflanken hinsichtlich eines
positiven Geräuschverhaltens
modulieren.
Über adaptives Shiften erzielt
Klingelnberg eine längereEinsatzdauer der Schleifscheibebzw. vergrößert die Anzahl derTeile, die geschliffen werden
können.

DER FILM ZUM
GEAR DESIGNER:

Abb. 1: Das cyber-physische Produktionssystem von Klingelnberg

Stirnrad-Technologie

Kompakt
QSS – Quiet
Surface ShiftingDas Geräuschverhalten vonVerzahnungen allein über das
Ordnungsspektrum zu bewerten,greift zu kurz. Die psychoakustischen Kennwerte Schärfe undTonalität werden in hohem Maße
durch die Rauheit der Zahnflanken beeinflusst – und dieselässt sich durch das VerfahrenQSS von Klingelnberg gezielt
modulieren.

Abb. 2: Drehwegabweichung und Ordnungsspektrum bei
identischen Zähnen

riger und teurer Prototypen-Phasen kannbereits vorab in der Konstruktion bewertet und optimiert werden. Am Ende derEntwicklung steht der digitale Zwillingeines Zahnrads, der genau in dieser Formauch als real zu fertigendes Bauteil herstellbar ist. Herzlich willkommen in derWelt der cyber-physischen Produktionssysteme!
Ein weiterer Vorteil dieses Prinzips ist dieErfassung der reinen Fertigungsabweichung aus den Messdaten der klassischen
Stirnradmessung. Nur deshalb ist das Programm Gear Corrector in der Lage, automatisch Fertigungsabweichungen zu minimieren, indem korrigierte Einstellwerte
der Maschinenbewegung oder – falls erforderlich – des Abrichtprozesses erzeugt
werden. Somit gibt es einen Closed Loopfür die Produktion, der Fertigungsabweichungen automatisch minimiert, und einen Closed Loop für die Entwicklung, derfertigungs- und anforderungsgerechte
Zahnflankenmodifikationen erzeugt.
Nun weiß jeder, dass selbst bei präziser Zahnradgeometrie das Geräuschempfinden anderen Gesetzmäßigkeiten
folgt. Je präziser ein Zahnrad gefertigt
wurde, desto deutlicher treten einzelne
Ordnungen im Spektrum zutage. Sollman deshalb ein Zahnrad absichtlich inschlechterer Qualität fertigen? Das würde
sicherlich das Geräuschempfinden verändern – aber es darf bezweifelt werden, ob
das der richtige Ansatz ist. Dennoch muss
man sich bei allen Genauigkeitsüberlegungen über technisch und wirtschaftlich
vertretbare Fertigungstoleranzen Gedanken machen.

Rauheit nach Maß: QSS –Quiet Surface Shifting

Abb. 3: Ordnungsspektrum mit Geisterordnungen

Bislang liegt bzw. lag die Zahngeometrie
im Fokus der Betrachtungen: Simulationsprogramme sagen voraus, wie genau die
Drehbewegung von einem Rad auf das
andere übertragen wird. Obwohl es für

das Geräuschempfinden eines Getriebes
in der Psychoakustik mittlerweile brauchbare Kennwerte wie Lautheit, Schärfe,Tonalität, Rauigkeit, Schwankungsstärke
etc. gibt, ziehen viele Experten auch heute immer noch das Ordnungsspektrum
zur Bewertung des Geräuschverhaltens
heran. Dazu wird die Abweichung vonder drehfehlerfreien Übertragung mittels
Fourier-Transformation in ein Ordnungsspektrum überführt. Dabei entspricht dieerste Ordnung einer Umdrehung des zu
bewertenden Zahnrades. Dementsprechend wird das Spektrum – sofern alle
Zähne eine identische Geometrie aufweisen und keine Rund- und Planlaufabweichungen vorliegen – nur aus Ordnungender Zähnezahl und deren Vielfachen bestehen.
Ein Beispiel dafür zeigt Abbildung 2: Ein
Zahnrad hat 15 identische Zähne undweist keine Rund- oder Planlaufabweichungen auf. Das Ordnungsspektrum
zeigt folglich die 15-te Ordnung und deren Vielfache. Die Amplitude dieser Ordnungen hängt nur vom Verlauf der Drehwegabweichung ab.
Ein Aspekt, der in den Betrachtungenbislang ausgelassen wurde, ist die Oberflächenbeschaffenheit der Zahnflanken.
Wie wirken sich unterschiedliche Rauheits-Kennwerte auf das Ordnungsspektrum aus? Ohne in die eher philosophische
Fragestellung einzutauchen, ob Rauheit
als geometrische Änderung der Zahnflanke oder als reine Oberflächenbeschaffenheit zu deuten ist, zeigt sich Rauheit ineinem leicht veränderten Verhalten desZahnkontakts und damit in einer anderen
Drehwegabweichung.
Diesen Effekt visualisiert Abbildung 3:
Die Amplituden der ursprünglichen höherharmonischen Ordnungen sind etwas
kleiner geworden und dafür weist das
Ordnungsspektrum sogenannte Geisterordnungen auf. Geisterordnungen sinddefinitionsgemäß Ordnungen, die nicht

Stirnrad-Technologie

ganzzahlig durch die Zähnezahl teilbar
sind. Die Energie, die vorher ausschließlich in den Höherharmonischen steckte,
wird nun auf mehrere Ordnungen verteilt. Deswegen ändert sich das Geräuschempfinden. Denn die Wahrnehmung
der Höherharmonischen wird durch die
Geisterordnungen beeinflusst. Dieser Effekt zeigt sich in besseren psychoakustischen Kennwerten der Schärfe und derTonalität.
Wie lässt sich nun eine stochastische Änderung der Rauheitskennwerte auf den
Zahnflanken erreichen? Die Antwort darauf liegt im Abrichtprozess. Die Rauheit
der Zahnflanken ist durch die Eigenschaften der Schleifschnecke gegeben, die sichdurch den Abrichtprozess beeinflussen
lässt: Ändert man das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen der Abrichtrolle undder Schleifschnecke, dann lassen sichdarüber die Eigenschaften entlang deraxialen Ausdehnung der Schleifschnecke
modulieren.
Bei den Speed Viper Maschinen wurde
die Variation der Geschwindigkeitsverhältnisse von Abrichtrolle und Schleifschnecke nicht durch eine reine Modulation der Abrichtrollendrehzahl realisiert,
sondern über die Modulation der Shiftgeschwindigkeit. Natürlich muss dann
für die korrekte Form der Schleifschnecke
ihr Drehwinkel in Abhängigkeit von derShiftposition nachgeführt werden. Dadurch lässt sich zunächst die gewünschte
Modulation der Schleifschneckeneigenschaften erreichen. Die feste kinematische Kopplung zwischen der Shiftposition und der Drehwinkelposition derSchleifschnecke wird in der Steuerung
der Maschine realisiert. Die Genauigkeit
dieser Kopplung ist immer begrenzt. Das
mag jetzt auf den ersten Blick nachteilig
erscheinen – es entpuppt sich bei genauerer Betrachtung aber als weiterer
Vorteil dieses Verfahrens. Denn: Durch
kleinste Ungenauigkeiten in der Kopplung entstehen winzige geometrische

Fehler, die sich entlang der Schleifschnecke verteilen. Dies führt dazu, dass jederZahn ein klein wenig anders aussieht undsomit die Zahneingriffe nicht mehr absolut identisch sind. Entsprechend wird
die Drehwegabweichung winzig kleinen
Schwankungen unterliegen. Das hat einen positiven Effekt auf das Geräuschempfinden.
Das Ergebnis verdeutlicht Abbildung 4:Durch die kleinen geometrischen Ungenauigkeiten entstehen Seitenbänder zu
den höherharmonischen Ordnungen. Estreten auch Ordnungen unterhalb derersten Zahneingriffsordnung auf, wie sie
sonst aus Rund- und Planlaufabweichungen herrühren. Die psychoakustischen
Kennwerte Schärfe und Tonalität nehmen
ab. Klingelnberg hat diesem Verfahren
den Namen QSS – Quiet Surface Shifting – gegeben. Die rein physikalischen
Schallfeldgrößen ändern sich nur unwesentlich, trotzdem wird die menschliche
Empfindung des Schalls deutlich angenehmer. Die erzeugten Ungenauigkeiten
sind beim QSS jedoch keine Zufallsergebnisse, sondern gezielt anwendbare Maßnahmen zur Verbesserung des Geräuschempfindens.

Abb. 4: Ordnungsspektrum bei modulierter
Rauheit und minimal unterschiedlichen Flankentopographien

Adaptives Shiften: Sohält Werkzeug länger
Die dritte hier vorgestellte Spezialität desWälzschleifens von Klingelnberg zielt auf
die Reduzierung der Werkzeugkostenab. Üblicherweise wird die Shiftstrategie
so ausgelegt, dass die Prozesssicherheit
des Schleifens bei kleinstem Schleifscheibendurchmesser sichergestellt ist. Die-Abb. 5 b: Aktive Schleifkörner und Shiftsprung

Abb. 5 a: Profilbildungszone auf derSchleifschneckeStirnrad-Technologie

Mit dem Wechsel der Shiftstrategie auf
adaptives Shiften lassen sich Werkzeugkosten um mehr als 18 Prozent senken.

Kompakt
Adaptives Shiften
Die Idee des adaptiven Shiftens
verändert das Shiftverhältnis
und den Shiftsprung so, dassunabhängig vom Schleifscheibendurchmesser stets gleichetechnologische Kennwerte gegeben sind. Als maßgeblichen
Kennwert hat Klingelnberg die
Eingriffsdichte eingeführt. (SieheFormel rechts.)

DIE FILME ZUR ...

... Speed Viper
mit DoppelspindelKonzept... Speed Viperse fixe Shiftstrategie wird auch für eineneue unverbrauchte Schleifschnecke
angewandt. Die Abbildungen 5 a und
5 b zeigen die Verhältnisse an einer eingängigen Schleifschnecke. Beim Shiften
unterscheidet man zwischen Shiftverhältnis und Shiftsprung. Während beim
Shiftsprung die Schleifschnecke vor dem
nächsten Bauteil axial um einen gewissen
Betrag verschoben wird, verschiebt man
die Schleifschnecke beim Shiftverhältnis
kontinuierlich mit jeder Umdrehung desWerkstückes.

nis sv wird zunächst in einen Shiftweg sw
pro Werkzeugumdrehung umgerechnet.
Daraus lässt sich der Schraubweg pro
Werkzeugumdrehung bestimmen. Die
Eingriffsdichte ist dann der Kehrwert desSchraubweges pro Werkzeugumdrehung.

gz

Shiftweg:

sw = sv ·Steigungswinkel:

tan(h) = 2 ·Schraubweg:
Eingriffsdichte:

sv
gzm
D

π ·m
D

sw
sin(h)
d=sin(h)sw

Shiftverhältnis
Gangzahl der Schleifschnecke
Zähnezahl Werkstück
Modul
Außendurchmesser Schleifschnecke

Die axiale Länge lp des profilgebenden Bereichs der Schleifschnecke ist unabhängigvom Durchmesser, jedoch nicht deren
Länge der Abwicklung. Die rot eingezeichneten Linien (siehe Abbildung 5 b)
verdeutlichen, welche Schleifkörner bei
der Bearbeitung eines Zahnrads wirksamsind. Ein größeres Shiftverhältnis zeigt
sich in der Darstellung der Abwicklung ineiner größeren Länge und flacheren Neigung der Linien. Beim Shiftsprung sinddie Linien zweier aufeinanderfolgend geschliffener Zahnräder parallel zueinander
verschoben.

Die Eingriffsdichte d zeigt also an, wiehoch die Belastung der Schleifkörner
auf einem Millimeter Flankenlänge derSchleifschnecke ist. Beim adaptiven
Shiften setzt man eine konstante Eingriffsdichte d voraus. Für das erprobte
Shiftverhältnis sv bei kleinstem Schleifschneckendurchmesser Dmin wird die Eingriffsdichte d berechnet. Für die gegebene Eingriffsdichte d berechnet man dann
aus angegebenen Formeln das Shiftverhältnis sv(D).

Die Idee des adaptiven Shiftens verändert
das Shiftverhältnis und den Shiftsprungso, dass stets gleiche technologischeKennwerte gegeben sind. Als maßgeblichen Kennwert hat Klingelnberg die
Eingriffsdichte eingeführt. Das Prinzip
des adaptiven Shiftens lässt sich gut am
Beispiel des Shiftverhältnisses erläutern:
Das Shiftverhältnis sv ist der Shiftweg pro
Werkstückumdrehung. Das Shiftverhält-Was lässt sich damit genau erreichen? Inwiefern sich die Einsatzdauer der Schleifschnecke konkret verbessert, zeigt ein
Beispiel (siehe Tabelle 1): Hat man bisher
immer nach 80 Teilen bei einem Shiftverhältnis sv = 0,3 die Schleifschnecke abgerichtet, so kann für die Schleifschneckemit maximalem Durchmesser ein Shiftverhältnis sv = 0,205 bei konstanter Eingriffsdichte verwendet werden. Dieses

Stirnrad-Technologie

Setzt man einen radialen Abrichtbetragvon 0,25 mm an, so lässt sich die Schleifschnecke in diesem Beispiel insgesamt
196 mal abrichten. Mit dem adaptiven
Shiften sinken die Werkzeugkosten alsoum über 18 Prozent (siehe Tabelle 2).
Dabei geht man keinerlei technologischeRisiken ein. Zusätzlich reduziert sich imMittel die Bearbeitungszeit, da die Abrichtfrequenz zu Beginn wesentlich niedriger ist.

Drei Pluspunktevon vielen
Die drei hier vorgestellten Besonderheiten des Speed Viper Konzepts bieten mit
Blick auf die eingangs erwähnten Herausforderungen – höchstmögliche Produktivität, sichere Prozesse und leichte Bedienbarkeit – größtmögliche Unterstützung
im Produktionsalltag. Sämtliche Features
der Speed Viper Familie sind darauf ausgerichtet, hochproduktives Wälzschleifen
in der Serie in einem Umfeld von Industrie 4.0 gerade unter dem Blickwinkel derWirtschaftlichkeit zu realisieren.

VerzahnungsbeispielZähnezahl

z29

Zahnbreite [mm]b40Modul [mm]m2,5Gangzahl der Schleifschnecke

g5

kleinster Schleifschneckendurchmesser [mm]

Dmin

210

größter Schleifschneckendurchmesser [mm]

Dmax

308

Shiftverhältnis [mm/Werkstückumdrehung]sv(Dmin)

0,3Anzahl Teile vor Abrichten

80

Eingriffsdichted(Dmin)1,441

Shiftverhältnis [mm/Werkstückumdrehung]sv(Dmax)

0,205

Tabelle 1: Beispielhafte Berechnung der Einsatzdauer einer Schleifschnecke

konstantes Shiften

adaptives ShiftenSchleifscheibendurchmesser 210 mm

sv = 0,300 mm

sv = 0,300 mm

Schleifscheibendurchmesser 308 mm

sv = 0,300 mm

sv = 0,205 mm

radialer Abrichtbetrag

0,25 mmAnzahl Teile vor Abrichten

80

117 … 80Anzahl Teile pro Schleifscheibe

15.68019.208Werkzeugstandlänge

100 %

122,5 %

Tabelle 2: Konstantes versus adaptives Shiften

Dr.-Ing. Hartmuth Müller
Head of Technology & Innovation,
KLINGELNBERG GmbH

Copyright KLINGELNBERG GmbHneue Shiftverhältnis erhöht die Anzahl
der Teile, nach denen ein Abrichtprozess
erfolgen muss, im Verhältnis der jeweiligen Shiftverhältnisse von 80 auf 117. Mit
dem Mittelwert von 98 für die gesamte
Einsatzdauer der Schleifschnecke verbessert sich die Anzahl der Teile, die mit
einer Schleifscheibe geschliffen werden
können.