Flank-load-carrying-capacity of oil-lubricated thermoplastic gears for power transmission
Final Report Abstract
Neben theoretischen Untersuchungen zum thermischen Verhalten werden umfangreiche experimentelle Untersuchungen hinsichtlich der auftretenden Zahntemperaturen ölgeschmierter Kunststoffzahnräder im Betrieb mit einsatzgehärteten Stahlritzeln durchgeführt. Dabei werden die im Betrieb auftretenden Zahntemperaturen in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen bestimmt. Neben der Erwärmung aus inneren Verlusten führt vor allem der Wärmeeintrag durch Reibung im Zahnkontakt zu einer Zunahme der Zahntemperatur bei steigender Antriebsleistung. Aufgrund der geringen Reibbeiwerte und der effektiven Wärmeabfuhr der entstehenden Reibwärme ist die Zunahme der Zahntemperatur bei Ölschmierung jedoch auf wenige Kelvin für die hier untersuchten Werkstoffe und Verzahnungsgeometrien begrenzt. Die ergänzenden experimentellen Untersuchungen der Verzahnungsverluste bestätigen die geringen Reibungsverluste geschmierter Stahl-Kunststoff-Kontakte. Die experimentell ermittelten Verzahnungstemperaturen werden theoretischen Modellen zur Zahntemperaturberechnung gegenübergestellt und eingeordnet. Die Anwendung standardisierter Methoden zur Temperaturberechnung ölgeschmierter Kunststoffzahnräder wie beispielsweise VDI 2736 [VDI14] liefert dabei eine gute Übereinstimmung, sofern die tatsächlich im Betrieb vorherrschenden Reibungsbedingungen über den Reibungskoeffizient entsprechend berücksichtigt werden. Aufgrund der Vielzahl der durchgeführten Lebensdauerversuche können belastbare Aussagen zum statistischen Verhalten der Grübchenlebensdauer abgeleitet werden. Analog zur Grübchentragfähigkeit von Stahlverzahnungen im Zeitfestigkeitsgebiet können die experimentell ermittelten Wöhlerlinien und die daraus abgeleiteten Festigkeitskennwerte auf geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten umgewertet werden. Die aus der statistischen Verteilung der experimentellen Untersuchungen abgeleiteten Umrechnungsfaktoren zur Umrechnung auf geringere Ausfallwahrscheinlichkeiten liegen dabei in derselben Größenordnung wie die Faktoren für die Grübchentragfähigkeit bei Stahlzahnrädern. Die vorliegende Arbeit charakterisiert das thermische Betriebsverhalten und die Zahnflankentragfähigkeit ölgeschmierter Hochleistungskunststoffe. Aus umfangreichen experimentellen und theoretischen Untersuchungen werden Empfehlungen für die Durchführung von Lebensdaueruntersuchungen zur Zahnflankentragfähigkeit von Kunststoffzahnrädern abgeleitet. Neben der Durchführung von Tragfähigkeitsuntersuchungen werden auch Empfehlungen zur Auswertung und statistischen Analyse der Versuchsergebnisse herausgearbeitet. Die daraus abgeleiteten Festigkeitskennwerte stellen damit einen wichtigen Beitrag zur sicheren und wirtschaftlichen Auslegung von Hochleistungskunststoffzahnrädern dar.
Publications
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High performance plastic gears – Potentials and challenges. International Gear Conference 2018, Lyon, Frankreich (2018)
Stahl, K.; Illenberger, C. M.
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Tragfähigkeit von Kunststoffverzahnungen – Schadensformen, Berechnungsmethoden, Forschung. 2. VDI-Fachkonferenz Hochleistungs-Kunststoffzahnräder, München (2018)
Illenberger, C. M.
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Flank load carrying capacity of oil-lubricated high performance plastic gears. Forschung im Ingenieurwesen (2019)
Illenberger, C. M.; Tobie, T.; Stahl, K.
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Application of high performance polymer gears in light urban electric vehicle powertrains. E-Motive – 13th Expert Forum Electric Vehicle Drives (2021)
Reitschuster, S.; Illenberger, C. M.; Tobie, T.; Stahl, K.
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High performance plastic gears – recent advances in application and research. FTPO Faculty of Polymer Technology Plastic Gears Conference 2021, Slovenj Gradec, Slowenien (2021)
Illenberger, C. M.; Tobie, T.; Stahl, K.
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Operating behavior and performance of oil-lubricated plastic gears. Forschung im Ingenieurwesen (2021)
Illenberger, C. M.; Tobie, T.; Stahl, K.
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Potential and challenges of high-performance Plastic Gears. In: Dudley's Handbook of Practical Gear Design and Manufacture: Hg.: Radzevich, S.P.; Taylor and Francis (2021)
Illenberger, C. M.; Tobie, T.; Stahl, K.
