Verschleiß Kunststoffzahnräder
FVA 892 II | Gefördert durch die FVA
Verschleiß-Berechnung von Kunststoffzahnrädern mit der FE-Stirnradkette
Die Auslegung von Kunststoffverzahnungen erfordert die Berücksichtigung kunststoffspezifischer Eigenschaften im Auslegungsprozess. Aktuelle Auslegungsrichtlinien orientieren sich an bewährten Normen für den konventionellen Zahnradwerkstoff Stahl, der ein annähernd linear-elastisches Materialverhalten aufweist. Die relevanten Effekte bei der Berechnung von Kunststoffzahnrädern umfassen neben dem nichtlinearen Materialverhalten die genaue Kenntnis der Schadensmechanismen. Neben Verschleißmechanismen wie Grübchen und thermisches Versagen ist die Abrasion insbesondere bei Stahl-/Kunststoffradpaarungen ein relevanter Schadensmechanismus. Eine genaue Kenntnis des auftretenden Verschleißes während des Betriebs ist für die Vorhersage der Zeit bis zum Ausfall der Zahnradpaarung für eine sichere Zahnradauslegung unabdingbar. In diesem Vorhaben wurde eine Verschleiß-Berechnung in Anlehnung an FVA 856 I mit den Berechnungsgrößen aus der FE-Stirnradkette kombiniert, um die Zahnflankentopographie infolge abrasiven Verschleißes in der FVA-Workbench für Stahl-Kunststoffradpaarungen zu bestimmen.
Die Ergebnisgrößen der Berechnungsmethode umfassen die Zeit bis zum Ausfall der Zahnradpaarung infolge Abrasion mit der Betriebsdauer oder der zulässigen Verschleißhöhe als Abbruchkriterien, den Verschleißhöhenverlauf über die Zahnradflanke sowie den Verlauf des Verschleißes der Zahnflankentopographie über die Betriebszeit. Die Bestimmung der verschlissenen Zahnflankentopographie erfolgt in der FE-Stirnradkette mit einem linearen Materialmodell, um Rechenzeitersparnisse zu erzielen. Eine detaillierte Berechnung kann auf Basis der ermittelten verschlissenen Zahnflankentopographie in der Berechnungsmethode des Vorgängervorhabens FVA 892 I erfolgen, in welchem ein nichtlinearen Spannungs-Dehnungsansatz für die FE-Berechnung von Kunststoffzahnräder implementiert wurde.
Die Verschleiß-Berechnung umfasste die Integration der Berechnung der Verschleißhöhen auf der Zahnradflanke in Anlehnung an FVA 856 I. Zunächst wurde eine Berechnung der lokalen Krümmungsradien anhand der Zahnflankentopographie realisiert, um mögliche Kanten und Kerben infolge des Verschleißes in der Krümmungsradienberechnung mitzuberücksichtigen. Die Zahnflankentopographie beinhaltet neben der verschlissenen Zahnradflanke auch die aufgeprägten Zahnflankenmodifikationen, welche vom Nutzer vorgegeben werden können. Auf Basis der neu bestimmten Krümmungsradien erfolgt die Berechnung der Gleitgeschwindigkeiten und Flankenpressungen. Anschließend werden die lokalen Verschleißhöhen bestimmt und lokal auf die Zahnradflanke aufgeprägt. Die Verschleißmethode wurde auf eine Stahl-Kunststoffradpaarung nach VDI 2736 angewendet. Nach th = 100 h Betriebsstunden wird δV/δV,max = 12 % der maximalen Verschleißhöhe δv,max = 0,2∙mn auf der Zahnradflanke des Kunststoffrades erreicht.
Das Projekt 892 II der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.