TRIBOCOMP® Zahnräder - Epic Polymers

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Werkstoffi nnovationen haben über Jahre dazu geführt, dass Kunststoff zahnräder bei einfachen Antrieben mit niedrigen Belastungen bis zu komplexen Getrieben mit hohem Drehmomentdurchsatz zum Einsatz kommen. Diese Entwicklung wurde vor allem vorangetrieben durch Vorteile gegenüber Metallzahnrädern. Die wichtigsten Vorteile sind Kostenreduktion (Großserienfertigung), Gewichtsreduktion, Geräuschreduktion und ein geringerer Wartungsaufwand. Im Folgenden werden die wichtigsten Getriebegeometrien, ■ Stirnradgetriebe mit gerader Verzahnung ■ Stirnradgetriebe mit Schrägverzahnung ■ Schneckengetriebe ■ Planetengetriebe die aus Kunststoff en gefertigt werden, erläutert. Stirnradgetriebe mit gerader Verzahnung Stirnradstellgetriebe für E-Gas Aktuator. Das Zahnrad soll hohe Drehmomente übertragen, darf aber aufgrund der umliegenden Elektronik nicht extern geschmiert werden. TRIBOCOMP® PA66 GF40 TS5 bringt eine Kombination von hoher mechanischer Leistung, guter Ermüdung und geringem Verschleiß. Anhand dieser einfachsten Zahnradform ist bereits zu sehen, wie komplex die Belastungen sind und wie entgegengesetzt die Werkstoff anforderungen: Biege- und Scherbelastung: A= A Verschleiß, B=Herzsche Pressung , C/D=Biegespannung C (Schemadarstellung: ( Gear Stress) Ein belasteter Zahn kann betrachtet werden als einen kurzer, einseitig eingeklemmter Balken. Für eine hohe Drehmomentübertragung ist sowohl eine hohe Biegefestigkeit, als auch eine hohe Ermüdungsfestigkeit ausschlaggebend. Herzsche Pressungen: Diese entstehen an der Kontaktlinie zwischen den Zähnen. Vor allem kurz unter der Oberfl äche entstehen hohe Druck- und Scherbelastungen, die im Extremfall dazu führen, dass lokal Teile aus der Oberfl äche gerissen werden (Pitting oder Grübchenbildung). Ein niedriger E-Modul bewirkt, dass der Linienkontakt in einen Flächenkontakt übergeht, was zu einer deutlichen Reduzierung dieser Spannungen führt. Der optimale Werkstoff hat also eine hohe Druck- und Scherfestigkeit, aber einen niedrigen E-Modul. Gleitbelastung: vor allem an der Zahnspitze entstehen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den beiden Zahnoberfl ächen und somit Wärmeaufbau und Verschleiß. Wichtige Materialparameter sind hier niedriger Reibkoeffi zient, hoher Verschleißwiderstand und gute Wärmeleitfähigkeit. Nicht alle Basispolymere eignen sich für Zahnräder, hauptsächlich werden POM (bis ca. 100 °C), hochkristalline Polyamide (abhängig von PA Type: 100-160 °C), PPA (bis 180 °C) oder PEEK (bis 200 °C) eingesetzt. Bei höherer Belastung und Temperatur sind Verstärkungen notwendig. Glasfasern sind die am häufi gsten eingesetzten Fasern. Im Gegensatz zu Glasfaserverstärkung hat die Langglasfaserverstärkung einen deutlich geringeren Verschleiß und erlaubt höhere Drehmomentübertragung (die Kombination POM mit Glasfasern ist sehr abrasiv und wird nur in Ausnahmesituationen verwendet). Für maximale Drehmomentübertragung werden Kohlenstoff faser und lange Kohlenstoff faser eingesetzt. Die Faseranteile müssen präzise gewählt werden. Zu niedrige Faseranteile ergeben zu geringe Festigkeit, während zu hohe Faseranteile eine zu hohe Steifi gkeit und Verschleiß erzeugen. Die TRIBOCOMP® Produkte enthalten Schmierstoff systeme, die je nach Betriebsbedingungen ausgewählt werden. TS0, TS5 und TS12 werden am häufi gsten für Stirnräder eingesetzt. Schmierstoff system, Faserverstärkung und Basispolymer werden aufeinander eingestellt. Eine besondere Form des Stirnradgetriebes ist das Zahnstangengetriebe, wobei die Zahnstange als ein Zahnrad mit Radius unendlich betrachtet wird. Dieses Getriebe wandelt eine rotierende in eine lineare Bewegung um. Da die Zahnstange eine hohe Steifi gkeit benötigt um die Durchbiegung in Grenzen zu halten, werden hier hochfeste Werkstoff e mit geringer Abrasivität eingesetzt, wie zum Beispiel STRATOR® C-6 oder STRATOR® TA 10-5. Zahnstangengetriebe
Stirnradgetriebe mit Schrägverzahnung Die Schrägverzahnung bringt eine bessere Laufruhe und geringere Geräuschentwicklung, dafür einen schlechteren Wirkungsgrad. Zudem entsteht durch die Schrägverzahnung eine axiale Kraft, die durch ein Lager aufgefangen werden muss und zu einer weiteren Reib/Verschleißstelle führen kann. Schrägverzahntes Zahnrad Bei der Werkstoff auswahl für diese Art von Zahnrädern muss berücksichtigt werden, dass höhere Gleitgeschwindigkeiten höhere Reibung und mehr Verschleiß hervorrufen. Für schrägverzahnte Zahnräder werden die gleichen TRIBOCOMP® Produkte eingesetzt, identisch zu Stirnrädern, jedoch oftmals mit einem höheren Schmierstoff - zusatz. Je grösser die Winkel der Schrägverzahnung, desto mehr Schmierstoff zusätze werden benötigt. Schneckengetriebe Ein Schneckengetriebe lenkt die Richtung der Rotation um 90° in einem engen Bauraum. In diesen Getrieben treten wesentlich höhere Gleitgeschwindigkeiten auf als in Stirnradgetrieben, darum sind die eingesetzten Materialien grundsätzlich unterschiedlich. Eine Kunststoff schnecke gestaltet sich am schwierigsten, da Reibungswärme hier konzentriert auftritt. Für Kunststoff schnecken werden Kunststoff e eingesetzt mit minimaler Reibung und hoher Temperaturbelastbarkeit, wie zum Beispiel TRIBOCOMP® PA66 CF TS2 oder TRIBOCOMP® PEEK CF TS0. Im Regelfall sind dies unverstärkte Kunststoff e. Wird eine Verstärkung benötigt, so wird diese in Kombination mit Schmiermitteln zugesetzt um Reibkoeffi zient und Verschleiß zu minimieren. Planetengetriebe Schneckengetriebe Mit Planetengetrieben lassen sich sehr hohe Übersetzungen in engstem Bauraum realisieren. Zudem liegen Antrieb und Antriebsachse koaxial. Durch Anordnung mehrerer Stufen hintereinander sind die Übersetzungsverhältnisse weiter zu steuern. 3 stufi ges Planetengetriebe EPIC Polymers verfügt über Werkstoff e sowohl für Hohlrad, Planetenträger, Planetenräder als auch Sonnenräder. Wichtig ist, dass die Werkstoff e auf einander eingestellt werden. Für Planetenräder werden eher weichere Werkstoff e eingesetzt, während für die Planetenträger vorzugsweise extrem steife Werkstoff e zum Einsatz kommen.
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