Auslegung spritzgegossener Kunststoffzahnräder

Kunststoffzahnräder weisen gegenüber metallischen Zahnrädern diverse Vorteile wie geringeres Gewicht, Trockenlauffähigkeit oder die Eignung zur kostengünstigeren Massenproduktion auf. Allerdings müssen die Nachteile wie ungünstigere mechanische und thermische Eigenschaften sowie geringere Formgenauigkeit durch geeignete konstruktive Maßnahmen kompensiert werden. Aktuell vorliegende Auslegungsmethoden weisen nur eine stark begrenzte Anwendbarkeit auf, da sie diverse kunststoffspezifische Eigenschaften (z.B. Viskoelastizität oder Schädigungsmechanismen) nicht berücksichtigen. Daher wird in dem Projekt „Auslegung spritzgegossener Kunststoffzahnräder“ - zusammen mit dem Lehrstuhl für Maschinenelemente und Getriebetechnik der Technischen Universität Kaiserslautern - ein multiphysikalischer Modellierungsansatz, aus dem sich praktisch anwendbare Berechnungs- bzw. Auslegungsmethoden entwickeln lassen, erarbeitet und experimentell validiert.

Neben einer hinreichend genauen tribologischen Materialcharakterisierung zur Reibungs- und Verschleißbetrachtung ist eine umfassende mechanische Charakterisierung nötig, um das Materialverhalten in Abhängigkeit von Temperatur, Dehnrate, Feuchtegehalt und Faserorientierung beschreiben zu können. Ein essentieller Punkt ist hierbei die Übertragbarkeit von im Labor an Werkstoffproben ermittelten zu im Zahnrad vorliegenden Kennwerten. Zugproben, welche zur grundlegenden Charakterisierung aus spritzgegossenen Platten entnommen werden, können in gewissem Grad andere Eigenschaften aufweisen als das aus demselben Material hergestellte Zahnrad. Variationen in der Faserorientierung oder auch Faserlängenverteilung können durch unterschiedliche Fließwege oder Prozessparameter hervorgerufen werden und somit lokal unterschiedliche Festigkeiten und Steifigkeiten hervorrufen. Um diese Unterschiede abschätzen und berücksichtigen zu können, wurden mikromechanische Simulationsmodelle von Zugproben und Zahnradsegmenten erstellt, mit ihren jeweiligen Input-Parametern wie Faserorientierung aus der Computertomographie bedatet (an Zugversuchsergebnisse kalibriert) und deren berechnete Steifigkeiten abschließend verglichen. Somit erhält man Informationen nicht nur zur Übertragbarkeit von Zugprobeneigenschaften auf die Zahnradeigenschaften, sondern auch über die Homogenität der Zahnradeigenschaften in dessen verschiedenen Segmenten.

Das Projekt „Auslegung spritzgegossener Kunststoffzahnräder“ wird im Rahmen der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert (Förderkennzeichen IGF 20379 N).

Stefan Schmidt, M.Eng.
Bauteilentwicklung
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
Erwin-Schrödinger-Str. 58
67663 Kaiserslautern
Telefon: +49 (0) 631/2017-274
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