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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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Page 1: Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive · 2013. 11. 11. · Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik

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

Page 2: Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive · 2013. 11. 11. · Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik

Inhalt

1. Einleitung

2. Methodik

3. Ergebnisse

4. Fazit

Page 3: Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive · 2013. 11. 11. · Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik

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

Page 16: Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive · 2013. 11. 11. · Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik

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

Page 22: Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive · 2013. 11. 11. · Miniaturisierte Kunststoffzahnradgetriebe für Automotive Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik

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!