Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Basierend auf theoretischen Berechnungsstudien erfolgt eine Erweiterung der bestehenden Verfahren zur Berechnung der Zahnfußtragfähigkeit von Kunststoffstirnrädern. Durch Berücksichtigung des Einflusses der Zahnverformung unter Last wird die Berechnungsgenauigkeit signifikant verbessert. Die praktische Relevanz und Gültigkeit der zugrunde gelegten Modellvorstellungen wird durch die Auswertung von früheren Laufversuchen zur Zahnfußtragfähigkeit (1969) und eigenen Ergebnissen bestätigt. Die bekannten Zahnfußfestigkeitswerte für thermoplastische Kunststoffe sind im Hinblick auf die für die Ermittlung verwendeten Prüfzahnräder gültig. Durch nachträgliche Berücksichtigung der in den bekannten Zahnfußfestigkeitswerten enthaltenen Verformungseinflüsse können die Festigkeitswerte auch in Kombination mit dem modifizierten Verfahren zur Zahnfußtragfähigkeitsberechnung beibehalten werden. Maßgebliches Tragfähigkeits-Potential von Kunststoffzahnrädern ergibt sich somit in erster Linie nicht durch moderne Werkstoffe oder Fertigungsverfahren, sondern durch eine genauere Berücksichtigung der Effekte lastbedingter Verformung im Zahneingriff, die sich im Zusammenhang mit den hohen Streckdehnungen thermoplastischer Kunststoffe im Vergleich zu Stahl besonders signifikant auf die Beanspruchung auswirken. Besondere Problematik im Projektverlauf war die stark verzögerte Verfügbarkeit der Prüfverzahnungen, die u.a. auch eine Laufzeitverlängerung des Forschungsvorhabens erforderlich machte. Positiv ist demgegenüber, dass die im Rahmen des Forschungsvorhabens erlangten Erkenntnisse zeigen, dass insbesondere für ölgeschmierte Kunststoffzahnräder Potentiale bestehen, die durch den bisherigen allgemeinen Wissensstand nicht unmittelbar ausgewiesen werden. Mögliche Anwendungen für ölgeschmierte, hochbeanspruchte Kunststoffzahnräder sind u.a. im Zusammenhang mit aktuellen Trends moderner Mobilitätskonzepte zu sehen. Durch die Elektrifizierung von Fahrzeugantrieben besteht zudem eine Tendenz zu höheren Drehzahlen und damit bei gleicher Leistung geringeren Drehmomenten. Vor diesem Hintergrund könnte der Einsatz von Kunststoffverzahnungen realistisch sein, wenn neben ausreichender Tragfähigkeit weitere Vorteile durch kostengünstige Massenfertigbarkeit im Spritzgießverfahren, geringere Massenträgheit sowie geräuscharmen Lauf genutzt werden. Aus diesem Forschungsprojekt geht eine maßgebliche Verbesserung des Wissensstands zur Zahnfußtragfähigkeitsberechnung von Kunststoffzahnrädern hervor. Bevor allerdings für alle gängigen Arten von thermoplastischen Zahnradkunststoffen eine hinreichend genaue Auslegung ausgeglichener Praxisverzahnungen möglich ist, sind weitere Forschungsaktivitäten im Bereich der Zahnflankentragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern erforderlich, um die Grundlagen einer vollständigen Tragfähigkeitsberechnung von Kunststoffzahnrädern zu schaffen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Method for calculating the tooth root stress of plastic spur gears meshing with steel gears under consideration of deflection-induced load sharing. Mechanism and Machine Theory 111 152-163
Hasl Chr., et al.
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Requirements of injection molded plastic test gears for backto-back and pulsator testing. VDI, International Conference on Gears, 2015. Bd. 2, 1183- 1190. ISBN 978-3-18-092255-3
Hubert T., Hasl Chr. et al.
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Verfahren zur Berechnung der Überdeckung unter Last von Kunststoffstirnrädern. Forschung im Ingenieurwesen, 2016, Bd. 80, 3-4
Hasl Chr., et al.
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Potential of oil-lubricated cylindrical plastic gears. Proceedings of MPT2017-Kyoto, The JSME International Conference on Motion and Power Transmissions. 2017
Hasl Chr., et al.
