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Kisssoft1Fachartikel

Für Zahnradgetriebe werden immer häufiger Kunststoffe verwendet, welche eine geeignete Alternative zu Stahl darstellen. Insbesondere mit modernen, faserverstärkten Kunststoffen können Zahnradstufen erhebliche Momente übertragen. Da die Festigkeit von Kunststoffen jedoch stark von der Temperatur abhängig ist, fällt die Ermittlung von Werkstoffkennwerten zur Auslegung von Zahnrädern sehr viel aufwändiger aus als bei Stahlrädern. Seit Jahren läuft bereits eine Zusammenarbeit zwischen der Kisssoft AG und Sabic Innovative Plastics BV. Das aktuelle Kisssoft-Release bietet nun zwei neue Datensätze.

 



Für die Zahnradauslegung wurden im Rahmen dieser Kooperation bisher Werkstoffkennwerte von 17 Sabic-Kunststoffen ermittelt. Das Sortiment umfasst Sorten mit eingelagertem Schmierstoff (wie PTFE),  Kunststoffe mit und ohne Carbonfasern oder (Lang-) Glasfasern, basierend auf 8 verschiedene Polymeren. Im aktuellen Kisssoft-Release 03/2011 kamen zwei neue Datensätze für Kunststoffe von Sabicdazu: Verton RVL36 (PA66/ LGF/ PTFE) mit statischen Werten, Verschleissdaten und mit Fussfestigkeitsdaten über der Anzahl Lastwechsel, sowie Lubricomp ECL36 (PEI/ CF/ PTFE) mit statischen Werten und Verschleissdaten. Außerdem wurden bei Lubricomp RFL36 Zeitfussfestigkeitskennwerte zugefügt.

Die von Sabic gemessenen und KIsssoft zur Verfügung gestellten Daten umfassen temperaturabhängige Werte für den Elastizitätsmodul und die statische Biegebruch-Festigkeit sowie Verschleisskennwerte bei Trockenlauf. Da für die Ermittlung von exakten Wöhlerlinien zu Zeit- und Dauerfestigkeitsberechnungen eine äußerst zeitaufwändige Messreihe notwendig ist, liegen für die überwiegende Anzahl der Datensätze nur statische Werte und Verschleisskennwerte vor. Mit Verton RVL36 und Lubricomp RFL36 (PA66/ SGF/ PTFE) wurden die ersten beiden Datensätze mit Zeitfestigkeitskennwerten freigegeben, weitere sollen noch folgen.

Zahnradauslegung ohne Dauerfestigkeitsberechnung

Kisssoft2In der Feinwerktechnik weisen viele Anwendungen mit Kunststoffzahnrädern ein relativ kleines Dauerdrehmoment auf, jedoch sollen sie gleichzeitig auch in der Lage sein, ein hohes statisches Moment aufzunehmen – beispielsweise beim Fahren gegen Block von Sitzverstellungen im Auto. Solche Zahnräder werden auf ihre statische Festigkeit hin ausgelegt, wobei die Dauerfestigkeit nicht oder nur approximativ geprüft werden muss. Daher ist es in vielen Fällen möglich, auch ohne Dauerfestigkeitsdaten eine Zahnradauslegung durchzuführen.

Im Medizinal- oder Lebensmittelbereich dürfen Kunststoffgetriebe häufig keinen Schmierstoff enthalten. Dieser „Trockenlauf“ bedingt höhere Zahnflankenfestigkeiten. Hier stellt der Zahnflankenverschleiss das häufigste Versagenskriterium dar. Je nach Geometrie, Belastung und Werkstoff können der Verschleiss und seine Verteilung über der Zahnflanke sehr unterschiedlich ausfallen. Mit Kisssoft steht eine Software zur Verfügung, welche mit ihrer Berechnungsmethode den lokalen Verschleiss über der Zahnflanke bestimmt, sofern für den entsprechenden Werkstoff der Verschleissfaktor Jw bekannt ist.

Zu einer einfachen visuellen Beurteilung werden der örtliche Verschleiss (im Relativ-Massstab mit Strahlen in Normalrichtung auf der Zahnflanke) und die verschlissene Flanke in Echt-Koordinaten grafisch dargestellt. Zudem lässt sich in der Kontaktanalyse im KIsssoft-Release 03/2011 der Verschleiss über den Eingriff und die Zahnbreite berechnen. Diese Funktionalität eignet sich beispielsweise für Zahnräder, die aufgrund von Gehäuseverformungen beziehungsweise Montageabweichungen nicht exakt parallel ausgerichtet sind. Weitere Darstellungen zeigen den Verlauf der Normalkraft, der Temperatur und der Spannung im Fussbereich, oder auch die Verteilung der Hertzschen Pressung auf der Zahnflanke.

Gleichzeitig erfolgt eine Lebensdauerberechnung, indem der kumulierte Verschleissabtrag über der Lebensdauer mit dem zulässigen Abtrag verglichen wird. Die von Sabic gemessenen Verschleisskennwerte sind für die Auslegung von trockenlaufenden Getrieben sehr hilfreich und führen im Zusammenhang mit der Kisssoft-Berechnungssoftware zu realitätsnahen Resultaten und Lebensdauerwerten.


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