Bauformen, Dimensionierung und Gestaltung hochübersetzender Getriebe mit miniaturisierten Zahnriemen

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1 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design Bauformen, Dimensionierung und Gestaltung hochübersetzender Getriebe mit miniaturisierten Zahnriemen Dr. Ing. Stefan Richter Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

2 Motivation Antriebssysteme erhöhen: Sicherheit Fahrkomfort Umweltverträglichkeit Lebensdauer Bedienfreundlichkeit Drosselklappensteller Kurvenlicht Fensterheber Klimagebläse Klimaklappensteller Spiegelverstellung Sitzversteller automatische Heckklappe ABS, ASR Lenksäulenversteller Türschließer Displaykinematik Elektronik Automotive, Sonderausgabe Audi A8, S. 106, Feb Leuchtweitenregulierung TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 2 von 30

3 Motivation TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 3 von 30

4 Inhalt 1 Stand der Technik 1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe 2 Aufgabenstellung 3 Miniaturisierte Zahnriemen 3.1 Aufbau 3.2 Messtechnik 3.3 Ergebnisse 4 Cyclobelt-Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben 4.5 Muster 5 Zusammenfassung und Ausblick TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 4 von 30

5 Stand der Technik Miniaturisierte Zahnriemen Zahnriemengetriebe: schlupffreie Drehzahl- und Drehmomentübertragung hohe zulässige Geschwindigkeiten und Belastungswerte hoher Wirkungsgrad schmierstofffrei, wartungsfrei nahezu frei wählbare Achsabstände schwingungsdämpfend massearm spielfrei geräuscharm Monaco V4, Quelle TAG Heuer Aber selten: Teilungen p b < 2 mm typisch: Übersetzung i < 10 Projektstudie IFTE; Kleinantrieb mit Schrittmotor, vor (links) und nach (rechts) der Optimierung TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 5 von 30

6 Stand der Technik Hochübersetzende Getriebe Hochübersetzende Getriebe i > 100 Beispiele Schneckengetriebe mehrstufige Planetengetriebe Wellgetriebe (Harmonic Drive) CYCLO sowie CORONET Getriebe Harmonic drive (Quelle: Harmonic Drive AG) Planetengetriebe (Quelle: feinwerktechnik-web.de) CYCLO Drive TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 6 von 30

7 Stand der Technik Hochübersetzende Getriebe Getriebe, welche nach dem Differenzenprinzip arbeiten, ermöglichen hohe Stufenübersetzungen. v 1 i v v v an res, v res v res v a, v b, 1 v an 2 v an i v van v v 1 2 v an ( a van b van), v 2 Prinzip eines Überlagerungsgetriebes i v 1 a b. Idee: Überlagerungsgetriebe mit Zahnriemen Hochübersetzende Zahnriemengetriebe (linear) TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 7 von 30

8 2 Aufgabenstellung 1 Stand der Technik 1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe 2 Aufgabenstellung 3 Miniaturisierte Zahnriemen 3.1 Aufbau 3.2 Messtechnik 3.3 Ergebnisse 4 Cyclobelt Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben 4.5 Muster 5 Zusammenfassung und Ausblick TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 8 von 30

9 Aufgabenstellung Ziele: Entwurf und Analyse von Bauformen von Cyclobelt-Getrieben sowie deren systematische Ordnung Untersuchung wesentlicher Betriebsparameter von Cyclobelt-Getrieben Miniaturisierung von Cyclobelt-Getrieben Zahnriemen in Hohlscheiben Funktionsmuster Dimensionierungsanleitung und konstruktive Hinweise Fokus: hohe Übersetzungen kleiner Bauraum guter Wirkungsgrad geringe Geräuschentwicklung moderate Drehmomente TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 9 von 30

10 Miniaturisierte Zahnriemen 1. Stand der Technik 1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe 2. Aufgabenstellung 3. Miniaturisierte Zahnriemen 3.1 Aufbau 3.2 Messtechnik 3.3 Ergebnisse 4. Cyclobelt-Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben 4.5 Muster 5. Zusammenfassung und Ausblick TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 10 von 30

11 Miniaturisierte Zahnriemen Aufbau Neuartige Riemen Profil: FHT 1 Werkstoff: Polyurethan Zugstrang: Aramid Variante 1: einseitig verzahnt mit 72 Zähnen Variante 2: zweiseitig verzahnt innen 72 Zähne außen 71 Zähne Außenverzahnung Zugstrang Innenverzahnung Ein- und zweiseitig verzahnter Riemen (Eigenentwicklung), exemplarisch ausgewählte Zahnscheiben Fenner FHT 1 Profil TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 11 von 30

12 Miniaturisierte Zahnriemen Messtechnik Neuer Versuchsstand Drehwinkel- und Drehmomentmessung für An- und Abtrieb Kraftsensor Experimentelle Untersuchungen Übertragungsgenauigkeit Drehzahlen und Drehmomente Wirkungsgrad einstellbare Vorspannkraft Versuchsstand Miniaturriemen Geometrische Analyse Passfähigkeit spielfrei Mikroskopaufnahme TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 12 von 30

13 Miniaturisierte Zahnriemen Ergebnisse Profil - FHT-1 Riemenbreite - 3 mm Messergebnisse: Reißfestigkeit 50 N/mm Übersprungmoment 800 mn m Torsionssteifigkeit bis zu 1 N m/rad (bei z p = 20) Wirkungsgrad bis zu 98 % Prüfung der Reißfestigkeit Festlegungen für die Dimensionierung: maximale Drehmomente 200 mn m (bei Drehzahlen von 5000 U/min; entspricht 25 % des Übersprungmomentes) Biegewechselfestigkeit (minimale Zähnezahl = 20) TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 13 von 30

14 Miniaturisierte Zahnriemen Ergebnisse Winkeldifferenz am Abtrieb bei Drehrichtungsumkehr in n = 100 U/min F V = 10 N F V = 12,5 N F V = 15 N F V = 17,5 N F V = 20 N Drehmoment am Abtrieb in mn m TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 14 von 30

15 Miniaturisierte Zahnriemen Ergebnisse Wirkungsgrad in % n = 100 U/min F V = 10 N F V = 12,5 N F V = 15 N F V = 17,5 N F V = 20 N Drehmoment am Abtrieb in mn m TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 15 von 30

16 Cyclobelt-Getriebe 1. Stand der Technik 1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe 2. Aufgabenstellung 3. Miniaturisierte Zahnriemen 3.1 Aufbau 3.2 Messtechnik 3.3 Ergebnisse 4. Cyclobelt-Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben 4.5 Muster 5. Zusammenfassung und Ausblick TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 16 von 30

17 Cyclobelt-Getriebe Aufbau Zahnscheibe 2 Zahnscheibe 2 Riemen1 Zahnscheibe 2 Zahnscheibe 2 Riemen2 Zahnscheibe 1 oder Hohlzahnscheibe 1 Zahnscheibe 2 Zahnscheibe 2 Zahnscheibe 3 oder Hohlzahnscheibe 3 Zahnscheibe 2 Zahnscheibe 2 Steg Fest zum Gehäuse umlaufend Antrieb drehbar, Abtrieb Schematischer Aufbau von Cyclobelt-Getrieben TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 17 von 30

18 Cyclobelt-Getriebe Aufbau Cyclobelt-Getriebe sind Differenzengetriebe mit umlaufenden Zahnriemen. Scheibe 2 Scheibe 2 Riemen 2 Riemen 2 Riemen 1 Scheibe 2 Scheibe 2 Scheibe 2 Scheibe 2 Riemen 1 Steg Riemen 2 Riemen 1 Steg Steg Scheibe 3 Scheibe 1 Scheibe 1 Scheibe 3 Scheibe 3 Gehäuse Gehäuse Gehäuse Scheibe 1 Cyclobelt-Getriebe Typ A I I Cyclobelt-Getriebe Typ B I I Cyclobelt-Getriebe Typ C I I TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 18 von 30

19 Cyclobelt-Getriebe Funktion z 2 z 2 Scheibe 2 r 2 r 2 v 2 v 2 Riemen 1 Riemen 2 Steg Scheibe 2 r Steg v Steg z 1 z 3 Gehäuse Riemen 1 Riemen 2 Steg r 3 r 1 u Scheibe 1 Übersetzung: i n n an ab 1 1 i 0, Scheibe 3 n i 0 z z 1 2 p p Riemen1_Scheibe1 Riemen1_Scheibe2 z 2' z 3 p p Riemen2_Scheibe2' Riemen2_Scheibe3. n ab n an Kutzbachplan für ein Cyclobelt-Getriebe vom Typ A I I (Schema links) TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 19 von 30

20 Cyclobelt-Getriebe Funktion Die Übersetzung von Umlaufrädergetrieben ermittelt sich mit: y(x) i n n an an 1 1 i 0. Damit folgt die Übersetzung einer Funktion der Form x y( x) 1. 1 x y(x) rot für x > 1; blau für x < 1 TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 20 von 30

21 Cyclobelt-Getriebe Funktion Für Planetengetriebe (rückkehrende Plusgetriebe) mit blockierter Scheibe 1 und Antrieb über den Steg ermittelt sich die Standübersetzung mit: i 0 z z 1 2 2' und damit die Übersetzung: z z 3, Planetengetriebe 200 i n n an ab 1 1 z1 z 2 z z 2' ,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Beispieldarstellung im Diagramm: -200 z є 20 Zähne < z < 25 Zähne Standübersetzung i 0 TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 21 von 30

22 Cyclobelt-Getriebe Funktion Übersetzung von Cyclobelt-Getrieben: n i n mit: i 0 z z an ab i p p R1_S1 Beispieldarstellung im Diagramm: 0 R1_S2, z 2' z 3 p p R2_S2' R2_S Cyclobelt-Getriebe 1 0,8 1,2 1,4 1,6 z є 20 Zähne < z < 25 Zähne ein Riemen mit z innen = 71 Zähne = 72 Zähne z außen Standübersetzung i 0 TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 22 von 30

23 Cyclobelt-Getriebe Auslegung Ausgangspunkt bekannte Dimensionierungsregeln der Hersteller Zahntragfähigkeit, Zugstrangbelastbarkeit, Biegewilligkeit. Θ = 19 Besonderheit Cyclobelt-Getriebe: notwendige Riemenbreite: Scheibe 2 b mit: F 2 M d U_spez ab 3 k z, dsteg 2 Riemen 2 Scheibe 2 k z bc d3 360 p b c z Umschlingungswinkel Scheibe 3 b c (belt contacts) Anzahl der Zahnscheibenpaare 2 und 2 k z (Eingriffsbelastungsfaktor) Kenngröße für Cyclobelt-Getriebe TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 23 von 30

24 Cyclobelt-Getriebe Hohlscheiben Der Begriff Hohlscheibe bezeichnet innenverzahnte Scheiben Riemen wird in die Hohlscheibe gedrückt Mehrfacheingriff möglich keine Vorspannung notwendig Scheibe 3 F F F Anpresskraft F ap F Scheibe Zahneingriff Hohlscheibe Scheibe Hohlscheibe Örtlich auftretende Druckspannungen (links) in mn/mm 2 ; von Mises Vergleichsspannungen (rechts) in mn/mm 2 ; dargestellt ist ein ungünstiger Einzahnungsvorgang in eine Hohlscheibe Keine Vorspannung des Riemens notwendig TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 24 von 30

25 Cyclobelt-Getriebe Muster Funktionsmuster 1: Cyclobelt-Getriebe vom Typ A I I i = Drehzahl in U/min Ansicht Cyclobelt-Getriebe vom Typ A II TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 25 von 30

26 Cyclobelt-Getriebe Muster Schalldruckpegel in db(a) Synchronmotor ohne Getriebe Synchronmotor mit Getriebe Frequenz in Hz Cyclobelt-Getriebe vom Typ A XX ohne Gehäuse TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 26 von 30

27 Cyclobelt-Getriebe Muster Funktionsmuster 3: Cyclobelt-Getriebe vom Typ C X X i = U/min 100 U/min U/min ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Drehmoment in N m Ansicht des demontierten Getriebes TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 27 von 30

28 Zusammenfassung und Ausblick 1. Stand der Technik 1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe 2. Aufgabenstellung 3. Miniaturisierte Zahnriemen 3.1 Aufbau 3.2 Messtechnik 3.3 Ergebnisse 4. Cyclobelt-Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben 4.5 Muster 5. Zusammenfassung und Ausblick TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 28 von 30

29 Zusammenfassung und Ausblick Miniaturisierte Zahnriemen sind herstellbar positive Eigenschaften nutzbar Problem für Anwendung: geringes Sortiment kundenspezifische Riemen: Zugstrang: Durchmesser, Anzahl der Filamente und Steigung Riemengeometrie Doppel- oder Schrägverzahnung Erschließung neuer Anwendungsgebiete in der Medizin-, Hausgeräte- und Kfz- Technik TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 29 von 30

30 Zusammenfassung und Ausblick Cyclobelt-Getriebe neue Getriebeart Wirkungsweise nachgewiesen Einsatz von Hohlscheiben sinnvoll hohe Übersetzungen bei kompakter Bauweise erzielbar spezifische Vorteile der Zahnriemengetriebe nutzbar Steg Zukünftige Aufgaben Wirkungsgrad Übertragungsgenauigkeit neue Strukturen Hohlscheibe Riemen Ausblick Zahnscheiben (gelb), umspannt durch Zahnriemen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit TU Dresden, Cyclobelt-Getriebe Folie 30 von 30