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Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik – Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Sebastian Fraulob
4. Tagung „Feinwerktechnische Konstruktion“am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden
04. November 2010
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Inhalt
1. Einleitung
2. Methodik
3. Ergebnisse
4. Fazit
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Einleitung
Bild: BMW AG
Elektrische Antriebe im Automobil (Auswahl im Bereich des Fahrgastraumes)
Scheibenwischer
FensterheberSpiegelverstellung
Türschließer
Schiebedach
Sitzversteller Lenksäulenversteller
Gurthöhenversteller
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Einleitung
Bild: maxon motor ag
Aufbau der Antriebe: Elektromotor, Getriebe (meist Zahnradgetriebe), elektrische Ansteuerung.
ausgewählte Anforderungen an die Getriebe: Übertragen hoher Lasten, geringe Masse, kleines Volumen, geringe Kosten, geringe Geräuschemission.
verstärkter Einsatz von Zahnradgetrieben aus Kunststoff mit kleinem Modul (m < 1 mm)
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Einleitung
Problem: Dimensionierung:
keine gültige Vorschrift für Kunststoffräder(VDI 2545, 1996 zurückgezogen, aber in Praxis gängig),
kaum Veröffentlichungen.
Diskrepanz zwischen Anwendungen und grundlegendem Wissen zu Kunststoffzahnradgetrieben mit kleinem Modul
Interessante Punkte: Welche Besonderheiten haben kleine Module? Welches Betriebsverhalten weisen diese Getriebe auf?
(Gibt es Unterschiede zu metallischen Getrieben?) Gibt es sinnvolle konstruktive Maßnahmen zum verbessern der Eigenschaften?
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Besonderheit kleiner Module
Teilungseinzelabweichung bezogen auf Teilung für verschiedene Module (Bezugsprofil DIN58400 und Qualität Q8)
Bild: H. Linke, Stirnradverzahnung
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Methode
Berechnen des Betriebsverhaltens für eine Beispielgetriebestufe mit Hilfe der FEM.
Ergebnisgrößen:• Eingriffsverhalten,• Zahnfußspannungen,• Zahnflankenpressung,• Verschleiß- / Geräuschverhalten,• Übertragungsverhalten.
Geometrische Varianten:• Nennprofil nach DIN 58400 (gerad- und schrägverzahnt),• DIN-Profil mit ungünstigsten Toleranzpaarungen,• sinnvolle geometrische Modifikationen.
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Berechnungsmethode - Simulationsmodell
Mab
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Berechnungsmethode - Simulationsmodell
Mab
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Berechnungsmethode - Simulationsablauf
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Ergebnisse geradverzahnt – Eingriffsverhalten
Stahl / StahlNennprofil
POM / POMNennprofil
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Ergebnisse geradverzahnt – Eingriffsverhalten
POM / POMmax. Teilungseinzelabweichung
POM / POMNennprofil
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Ergebnisse geradverzahnt – Eingriffsverhalten
Problem: starker Kopfkanteneingriff
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Ergebnisse geradverzahnt – Eingriffsverhalten
Problem: starker Kopfkanteneingriff
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Profilmodifikation
Problem:Kopfkanteneingriff
sinnvolle konstruktive Maßnahme:Profilmodifikation - Kopfrücknahme
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Ergebnisse geradverzahnt – Eingriffsverhalten
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Ergebnisse geradverzahnt – Zahnflankenpressung
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Ergebnisse geradverzahnt – Zahnflankenpressung
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Ergebnisse geradverzahnt – Zahnflankenpressung
zulässige Flächenpressung POM
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Ergebnisse geradverzahnt – Zahnfußspannung
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Ergebnisse geradverzahnt – Zahnfußspannung
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Ergebnisse geradverzahnt – Übertragungsverhalten
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Ergebnisse schrägverzahnt
Bild: W. Krause,Konstruktionselemente der Feinmechanik
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Ergebnisse schrägverzahnt - Zahnflankenpressung
POM, Nennprofil
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Ergebnisse schrägverzahnt - Zahnflankenpressung
POM, NennprofilPOM, mod. Nennprofil
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Ergebnisse schrägverzahnt - Zahnflankenpressung
POM, max. Toleranz
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Ergebnisse schrägverzahnt - Zahnflankenpressung
POM, max. Toleranz
POM, mod. Profil mit Toleranz
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Fazit
feinwerktechnische Zahnradgetriebe aus Kunststoff zur Leistungsübertragung zeigen:
hohe Zahndeformation unter Last, große relative Toleranzen,
durch gezielte konstruktive Maßnahmen vermeiden von: Eingriffsstörungen, hohem Verschleiß, großer Geräuschemission.
Ziel – allgemeine konstruktive Dimensionierungsrichtlinie
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Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive
Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik – Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design
Sebastian Fraulob
4. Tagung „Feinwerktechnische Konstruktion“am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden
04. November 2010
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!