Verschleiss und Zahnbruch von Kunststoffzahnrädern

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

GGB Heilbronn GmbH

K-Profile AG Innovationen in Kunststoff

KISSsoft AG

Nachweis Verschleisssicherheit

Wie bereits erwähnt, tritt Verschleiss vor allem bei trockenlaufenden Plastikgetrieben auf. Dabei zeigen Untersuchungen, dass der Verschleissfortschritt zeitlich konstant ist und sich proportional zur Linienlast verhält. Das erlaubt es, den Verschleiss über den sogenannten Verschleisskoeffizienten zu berechnen. Der Verschleisskoeffizient kann mit einem relativ einfachen Stift-Scheibe-Prüfstand ermittelt werden, wobei diese Messung für jede Materialpaarung durchgeführt werden muss.

Mit diesem Verschleisskoeffizienten lassen sich nach VDI 2736 zwei Grössen bestimmen:der lokale Verschleiss, welcher den Verschleiss für einen bestimmten Kontaktpunkt angibt, und der daraus gemittelte lineare Verschleiss über die gesamte Eingriffsstrecke. Der gemittelte Verschleiss kann mit einem zulässigen Verschleiss verglichen werden, welcher (je nach Anwendungsfall) zwischen 0,1- und 0,2-mal den Normalmodul betragen kann.

In der Berechnungssoftware KISSsoft kann der Verschleiss aber auf eine noch exaktere Weise bestimmt werden: Basierend auf der Formel für den lokalen Verschleiss auf der Flanke, kann mit einer Zahneingriffskontaktanalyse der Verschleiss an jedem Punkt berechnet und damit die Form der verschlissenen Zahnflanke bestimmt werden. Da der Verschleiss die Zahnform (und dadurch die Lastverteilung) ändert, muss der Verschleissverlauf in mehreren Zeitschritten berechnet werden.

Diese Methoden zur Verschleissberechnung können übrigens auch bei metallischen Verzahnungen benutzt werden, wo Verschleiss sonst meistens kein Thema ist. Doch bei langsamlaufenden Zahnrädern kann es vorkommen, dass durch grosse Pressungen und langsame Bewegung der Ölfilm aus dem Kontakt gedrückt wird und die Räder trocken laufen. Die Bestimmung des Verschleissfaktors bedarf allerdings einer Umrechnung nach Plewe [2], welche stark vom Schmierstoff abhängt und in KISSsoft ebenfalls implementiert ist (weiterführende Publikationen [3]).

Nachweis Zeit- oder Dauerbruchsicherheit

Die Berechnung der Zahnfusszeitfestigkeit benötigt als wesentliche Grundlage die Kenntnis der Wöhlerlinie des Werkstoffs. Da bei Kunststoffen, im Gegensatz zu Metallen, eine grosse Temperaturabhängigkeit besteht, müssen Wöhlerlinien für unterschiedliche Temperaturen bekannt sein. Schon die Messung der Wöhlerlinie für eine Temperatur ist sehr zeitaufwändig, weshalb es für moderne Kunststoffe häufig keine temperaturabhängigen Daten gibt. In KISSsoft wurden die wenigen bekannten Wöhlerlinienwerte bereits 1988 implementiert − bis heute ist KISSsoft die einzige kommerzielle Software, in welcher temperaturabhängige Wöhlerlinien verarbeitet werden können.

Da der Kunststoff als Zahnradwerkstoff zunehmend wichtiger wird, setzen wir uns aktiv dafür ein, dass mehr Messungen durchgeführt werden. Diese Initiative hat in einigen Fällen bereits Früchte getragen und wir hoffen daher, in absehbarer Zukunft noch mehr Daten zu gewinnen. <<

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