Web demo Kunststoffzahnräder

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1 Web demo Kunststoffzahnräder Themen 1. Verfügbare Informationen zu Kunststoffen 2. Verfügbare Rechenmethoden in KISSsoft 3. Beispiel: Stirnradpaarberechnung 4. Beispiel: Schraubradpaarberechnung 5. Kunststoffmanager Präsentation: Fragen Chat: Matthias Hoffmann, Support & Engineering Ilja Tsikur, Technischer Vertrieb / Vertrieb GUS 1

2 Materialdaten Kunststoffe in der KISSsoft-Datenbank FREI VERFÜGBARE: 25 allgem. Kunststoffe (PA66, POM, PA46,...) Aus Normen und Industriemessungen AUF ANFRAGE: 32 spezielle Kunststoffe 22 von SABIC Innovative Plastic 5 von Alcom (keine Dauerfestigkeitswerte) 3 von DSM Performance Material 1 von Victrex Zusammenfassung Frei verfügbar: 25 Werkstoffe Auf Anfrage: 32 Werkstoffe Insgesamt: 57 Werkstoffe Zahnfuss: Flanke: Verschleiss: 36 Werkstoffe 10 Werkstoffe 44 Werkstoffe 2

3 Materialdaten Grundsätzliches Richtlinien und Daten für die Konstruktion von Kunststoffgetrieben in KISSsoft: VDI 2545 (PA12, PA66, POM) Keine gültige Norm vorhanden 2008 Materialdaten gemessen z.b. von Victrex, Sabic, DSM 2013 VDI 2736 Erforderliche Daten für die Berechnung: Statische Festigkeitsberechnung: Bruchfestigkeit, Streck- oder Zuggrenze Verschleissberechnung: Verschleissfaktor abhängig von Materialkombination, Schmierung, Temperatur Lebensdauerberechnung: Wöhlerkurven für Zahnfuss und Flanke (als Funktion der Temperatur) 3

4 Materialdaten Wöhlerkurven Wöhlerkurven hängen stark von den tatsächlichen Fuss- / Flankentemperatur ab Wöhlerkurven sind als Funktion von der Temperatur erforderlich Die Messung der Wöhlerkurven ist sehr zeitaufwändig und teuer Rad 1 Material: PA 66 Rad 2 Material: POM 4

5 Materialdaten Wöhlerkurven in KISSsoft Wöhlerkurven sind als editierbare Textdateien implementiert zweidimensionale Tabellen mit sigflim in Abhängigkeit von Temperatur (Spalten) und Lastwechselzahlen (Zeilen) Streckgrenze und Zugfestigkeit, E-Modul, Reibungskoeffizient, Verschleisskoeffizient, Zahnfuss- und Flankenermüdungsdaten,... 5

6 Aufbau der DAT Dateien in KISSsoft Zulässige Zahnfuss-Spannungen und Flankenpressung berechnet nach verschiedenen Berechnungsmethoden. 6

7 Zusätzliche Optionen für die Temperaturberechnung Eigenschaften, die von der Materialkombination abhängen Reibungskoeffizient Datei CoefficientOfFriction.DAT im DAT- Verzeichnis 7

8 Zusätzliche Optionen für die Temperaturberechnung Eigenschaften, die von der Materialkombination abhängen Wärmeübergangskoeffizient (VDI 2736) Date HeatTransferCoefficient.DAT im DAT- Verzeichnis 8

9 Verschleissberechnung zusätzliche Optionen Eigenschaften, die von der Materialkombination abhängen Verschleiss-Faktoren Datei WearFactors.DAT im DAT- Verzeichnis 9

10 Verschleiss Methode in KISSsoft zusätzliche Möglichkeit Berechnung Schersicherheit für Kunststoffe am verschlissenen Zahn Quelle: Fürstenberger M.: Betriebsverhalten verlustoptimierter Kunststoffzahnräder, Lehrstuhl für Maschinenelemente, München,

11 Grafische Methode Gemäss Obsieger wird ein verbesserter Ansatz gemacht, indem an der effektiv auf Grund des Herstellverfahrens bestimmten Zahnform für alle Punkte im ganzen Fussbereich das Produkt von Zahnform- Y F und Spannungskorrekturfaktor Y S berechnet und der Maximalwert bestimmt wird. Die Festigkeitsberechnung wird dann mit diesem Maximalwert durchgeführt. Die Faktoren Y F und Y S werden entsprechend der Formeln in ISO 6336 oder DIN 3990 berechnet. Insbesondere bei Sonderzahnformen und bei Innenverzahnungen ist die Methode sehr empfehlenswert. Diese Rechenprozedur wird, wenn die Verwendung erwünscht ist, in der Festigkeitsberechnung nach ISO 6336 und DIN 3990, sowie auch in der Feinauslegung angewandt. 11

12 Schraubradpaarung Schnecken- Getriebe Berührverhältnisse Schneckengetriebe zu Schraubradpaar Globoid-Schneckenrad Kontaktlinien Zylinderschnecke Stirnschraubrad Kontaktpunkte Zylinderschnecke (Schneckenschraubrad) 12

13 Berührverhältnisse Schraubräder Der Berührpunkt weitet mit zunehmender Belastung zu einer Berührellipse aus. Einlaufverschleiss vergrössert die Kontaktfläche. Niedrige Belastung Hohe Belastung Unterschiede in der Tragfähigkeit: Stahl/Bronze Stahl/Kunst stoff 1 : : 1.2* *Durch das Einlaufen, verringert sich die Pressung in den Flanken und die Bedingungen werden ähnlicher wie bei Schneckenräder mit globoidischer Zahnform Quelle: Barton, P.: Tragfähigkeit von Schraubrad- und Schneckengetrieben der Werkstoffpaarung Stahl/Kunststoff, Ruhr Universität Bochum, Deutschland,

14 VDI Grundsätzliches Geometrieeinschränkung: Materialkombination Metall-Schnecke/Kunststoff-Rad Achskreuzungswinkel Σ = 90 m 0.3 mm, Z Schnecke < 6 (besserer Wirkungsgrad, Festigkeit) Berechnungsmöglichkeiten: Zahnfusstragfähigkeit Zahnflankentragfähigkeit Wirkungsgrad 14

15 VDI 2545 Grundsätzliches VDI 2545 beinhaltet keine Berechnung für Schraubräder KISSsoft hat das Berechnungsverfahren angepasst, so dass es auch für Schraubräder verwendet werden kann Auch für Kunststoff / Kunststoff-Kombinationen möglich Mögliche Berechnungen Zahnfusstragfähigkeit Zahnflankentragfähigkeit Allgemeine Bemerkungen: Berechnete Sicherheitsfaktoren könnten zu niedrig sein, dass ist abhängig vom langgestreckten elliptischen Kontakt unter Last oder Verschleiss. 15

16 Die Auslegungen in KISSsoft Kunststoff spezifische Auslegungsfunktionen: Temperaturabhängige Materialkennwerte für die statische Festigkeitsberechnung Temperaturabhängige Wöhlerlinien für Zahnfuss und Zahnflanke für die Lebensdauerberechnung Verschleissfaktoren für Materialkombinationen und Schmierarten sind vorhanden Iterativer Verschleissfortschritt mit Kontaktanalyse unter Berücksichtigung der effektiven Zahnform Scherfestigkeit -> Sicherheit des verschlissenen Zahns Bewertung der Veränderung des theoretischen Flankenspiels durch Quellen und Wärmedehnung mit Betriebsflankenspielberechnung Optimierung der Zahnfussfestigkeit mittels elliptischer Fussmodifikation und Bewertung mit grafischem Verfahren 16

17 Die Resultate in KISSsoft umfassen Ausgabe von Resultaten bei Stirnrädern: Zahnfuss- und Flankensicherheit, Sicherheit gegen Zahnbiegung und gegen Verschleiss. Ausgabe von Resultaten bei Schraubrädern: Zahnfuss- und Flankensicherheit, plastische Deformation nach Pech, Verschleiss nach Pech Die Berechnungen werden protokolliert mit allen Werten, Methoden und Grafiken. 17

18 Verwendete Module ZPK ZA5 Stirnradbasispaket Geometrie-Auslegungsfunktionen und Sonderberechnungen ZA 10 ISO 6336: 2006 ZA 15 ZA 17 ZA 18 ZA 21 ZA 30 Grafische Methode zur Zahnfussspannungsberechnung VDI 2545: 1988 für Kunststoffe, Verschleissberechnung mit Scherungssicherheit nach Fürstenberger Statische Festigkeit (Kunststoffe und Metall) VDI 2736: 2014 für Kunststoffe (Blatt 2), Verschleissberechnung mit Scherungssicherheit nach Fürstenberger Kontaktanalyse von Stirnrädern 18

19 Verwendete Module ZE1 ZE2 ZE3 ZE4 ZE5 Schraubradgeometrie Festigkeit in Anlehnung an ISO 6336/Niemann, Methoden Hirn Festigkeit Kunststoffe nach VDI 2545, Methode Hoechst, Verschleissberechnung nach Pech Statische Festigkeit (Biegung und Scherung) für Kunststoff und Metall VDI 2736 für Kunststoff (Blatt 3), Verschleissberechnung nach Pech ZY6 ZZ3 ZZ6 Topologische Korrekturen,, Progressive Profilkorrektur, Kreisbogenförmige Einlaufkurve, Elliptische Fussausrundung Flankenspiel Kunststoff-Manager 19

20 Mögliche Erweiterungen ZA3 ZA4 ZA24 ZA37 NEU! ZE6 ZE5 Grobauslegung (Stirnräder) Feinauslegung (Stirnräder) Zahnfuss-Spannungen mit FEM 2D Zahnfuss-Spannungen mit FEM 3D Betaversion in kostenfrei Rechte: Z38b (benötigt min. ZA30 oder ZA34) Feinauslegung für Schraubräder VDI 2736 für Kunststoff (Blatt 3), Verschleissberechnung nach Pech ZY6 ZZ1 CA1 CB1 Topologische Korrekturen,, Progressive Profilkorrektur, Kreisbogenförmige Einlaufkurve, Elliptische Fussausrundung Lastkollektive 2D DXF und IGS Export STEP und Parasolid Format Export in 3D über Parasolid Kern 20