Bauformen, Dimensionierung und Gestaltung ... · PDF fileProjektstudie IFTE; Kleinantrieb mit...

Bauformen, Dimensionierung und Gestaltung hochübersetzender Getriebe mit

miniaturisierten Zahnriemen

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

Dr. –Ing. Stefan Richter

Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

Antriebssysteme erhöhen:

• Sicherheit

• Fahrkomfort

• Umweltverträglichkeit

• Lebensdauer

• Bedienfreundlichkeit

TU Dresden, 04.11.2011 Cyclobelt-Getriebe Folie 2 von 30

Motivation

Drosselklappensteller

Spiegelverstellung

KlimagebläseKlimaklappensteller

Fensterheber

Sitzversteller automatische Heckklappe

ABS, ASR

Lenksäulenversteller

Displaykinematik

Türschließer

Leuchtweitenregulierung

Kurvenlicht

Elektronik Automotive, Sonderausgabe Audi A8, S. 106, Feb. 2010


Motivation


Inhalt

1 Stand der Technik1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe

2 Aufgabenstellung3 Miniaturisierte Zahnriemen

3.1 Aufbau3.2 Messtechnik3.3 Ergebnisse

4 Cyclobelt-Getriebe4.1 Aufbau4.2 Funktion4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben4.5 Muster

5 Zusammenfassung und Ausblick

Zahnriemengetriebe:• schlupffreie Drehzahl- und Drehmomentübertragung• hohe zulässige Geschwindigkeiten und Belastungswerte• hoher Wirkungsgrad• schmierstofffrei, wartungsfrei• nahezu frei wählbare Achsabstände• schwingungsdämpfend• massearm• spielfrei• geräuscharm

Aber• selten: Teilungen pb < 2 mm• typisch: Übersetzung i < 10

Stand der Technik Miniaturisierte Zahnriemen


Projektstudie IFTE; Kleinantrieb mit Schrittmotor, vor (links) und nach (rechts) der Optimierung

Monaco V4, Quelle TAG Heuer

Hochübersetzende Getriebe i > 100

Beispiele• Schneckengetriebe• mehrstufige Planetengetriebe• Wellgetriebe (Harmonic Drive)• CYCLO sowie CORONET Getriebe

Stand der Technik Hochübersetzende Getriebe


Harmonic drive (Quelle: Harmonic Drive AG)

CYCLO Drive

Planetengetriebe (Quelle: feinwerktechnik-web.de)

Getriebe, welche nach dem Differenzenprinzip arbeiten, ermöglichen hohe Stufenübersetzungen.

Idee: Überlagerungsgetriebe mit Zahnriemen

Stand der Technik Hochübersetzende Getriebe


,res

anv v

vi

,an1 vav ,an2 vbv

,)( anan

an

21

anv vbva

vvv

vi

.1

v bai

Prinzip eines Überlagerungsgetriebes

Hochübersetzende Zahnriemengetriebe (linear)

v1

v2

vres vres


2 Aufgabenstellung

1 Stand der Technik1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe

2 Aufgabenstellung 3 Miniaturisierte Zahnriemen

3.1 Aufbau3.2 Messtechnik3.3 Ergebnisse

4 Cyclobelt Getriebe4.1 Aufbau4.2 Funktion4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben4.5 Muster

5 Zusammenfassung und Ausblick

Ziele:• Entwurf und Analyse von Bauformen von Cyclobelt-Getrieben sowie deren

systematische Ordnung• Untersuchung wesentlicher Betriebsparameter von Cyclobelt-Getrieben• Miniaturisierung von Cyclobelt-Getrieben• Zahnriemen in Hohlscheiben• Funktionsmuster• Dimensionierungsanleitung und konstruktive Hinweise

Fokus:• hohe Übersetzungen• kleiner Bauraum• guter Wirkungsgrad• geringe Geräuschentwicklung• moderate Drehmomente

Aufgabenstellung



Miniaturisierte Zahnriemen

1. Stand der Technik1.1 Miniaturisierte Zahnriemen 1.2 Hochübersetzende Getriebe

2. Aufgabenstellung 3. Miniaturisierte Zahnriemen

3.1 Aufbau 3.2 Messtechnik 3.3 Ergebnisse

4. Cyclobelt-Getriebe4.1 Aufbau4.2 Funktion4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben4.5 Muster

5. Zusammenfassung und Ausblick

Neuartige Riemen

• Profil: FHT 1• Werkstoff: Polyurethan• Zugstrang: Aramid• Variante 1: einseitig verzahnt

mit 72 Zähnen• Variante 2: zweiseitig verzahnt

innen 72 Zähneaußen 71 Zähne

Miniaturisierte Zahnriemen Aufbau


Innenverzahnung

Außenverzahnung

Zugstrang

Fenner FHT 1 Profil

Ein- und zweiseitig verzahnter Riemen (Eigenentwicklung),exemplarisch ausgewählte Zahnscheiben

Neuer Versuchsstand• Drehwinkel- und Drehmomentmessung

für An- und Abtrieb• Kraftsensor

Experimentelle Untersuchungen• Übertragungsgenauigkeit• Drehzahlen und Drehmomente• Wirkungsgrad • einstellbare Vorspannkraft

Geometrische Analyse• Passfähigkeit• spielfrei

Miniaturisierte Zahnriemen Messtechnik


Versuchsstand Miniaturriemen

Mikroskopaufnahme

Profil - FHT-1Riemenbreite - 3 mm

Messergebnisse:• Reißfestigkeit 50 N/mm• Übersprungmoment 800 mN·m• Torsionssteifigkeit bis zu 1 N·m/rad

(bei zp = 20)• Wirkungsgrad bis zu 98 %

Festlegungen für die Dimensionierung:• maximale Drehmomente 200 mN·m (bei Drehzahlen von 5000 U/min;

entspricht 25 % des Übersprungmomentes)• Biegewechselfestigkeit (minimale Zähnezahl = 20)

Miniaturisierte Zahnriemen Ergebnisse


Prüfung der Reißfestigkeit



Winkeldifferenz am Abtrieb

bei Drehrichtungs-

umkehr in °

Drehmoment am Abtrieb in mN∙m

n = 100 U/min

FV = 10 N

FV = 12,5 N

FV = 15 N

FV = 17,5 N

FV = 20 N



Wirkungsgradin %

Drehmoment am Abtrieb in mN∙m

FV = 10 N

FV = 12,5 N

FV = 15 N

FV = 17,5 N

FV = 20 N

n = 100 U/min


Cyclobelt-Getriebe




4. Cyclobelt-Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung4.4 Hohlscheiben 4.5 Muster


Cyclobelt-Getriebe Aufbau


Schematischer Aufbau von Cyclobelt-Getrieben

Zahnscheibe 1oder Hohlzahnscheibe 1

Zahnscheibe 3oder Hohlzahnscheibe 3

Zahn-scheibe 2

Zahn-scheibe 2

Zahn-scheibe 2

Zahn-scheibe 2

Zahn-scheibe 2‘

Zahn-scheibe 2‘

Zahn-scheibe 2‘

Zahn-scheibe 2‘

Riemen1 Riemen2

Fest zum Gehäuse umlaufend Antrieb drehbar, Abtrieb

Steg

Cyclobelt-Getriebe Aufbau


Cyclobelt-Getriebe sind Differenzengetriebe mit umlaufenden Zahnriemen.

Scheibe 2Scheibe 2

Scheibe 2

Scheibe 1 Scheibe 1

Scheibe 1

Riemen 1 Riemen 1

Riemen 1

Riemen 2

Riemen 2 Riemen 2

Steg Steg Steg

Scheibe 2‘ Scheibe 2‘Scheibe 2‘

Scheibe 3Scheibe 3

Scheibe 3

GehäuseGehäuse Gehäuse

Cyclobelt-Getriebe Typ A I I Cyclobelt-Getriebe Typ B I I Cyclobelt-Getriebe Typ C I I

Übersetzung:

Cyclobelt-Getriebe Funktion


.heibe3Riemen2_Sc3heibe2Riemen1_Sc2

heibe2'Riemen2_Sc2'heibe1Riemen1_Sc10 pzpz

pzpzi

Scheibe 2

Scheibe 2‘

Scheibe 1

Scheibe 3

Steg

Riemen 1

Riemen 2

r2r2‘

rSteg

r3

r1

u

n

v2v2‘

vSteg

nab nan

,1

1

0ab

an

inn

i

z2

z1

Riemen 1 Riemen 2Steg

z2‘

z3

Gehäuse

Kutzbachplan für ein Cyclobelt-Getriebe vom Typ A I I (Schema links)

Die Übersetzung von Umlaufrädergetrieben ermittelt sich mit:

Damit folgt die Übersetzung einer Funktion der Form



.1

1)(

xxy

.1

1

0an

an

inn

i

y(x) rot für x > 1; blau für x < 1

x

y(x)

Für Planetengetriebe (rückkehrende Plusgetriebe) mit blockierter Scheibe 1 und Antrieb über den Steg ermittelt sich die Standübersetzung mit:

und damit die Übersetzung:

Beispieldarstellung im Diagramm:

• z є• 20 Zähne < z < 25 Zähne



Standübersetzung i0

600

400

200

0

-200

-400

-600

0,7 0,8 0,9 1

1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

, 32

210 zz

zzi

'

.1

1

32

21ab

an

zzzzn

ni

'

Planetengetriebe

Übersetzung von Cyclobelt-Getrieben:

mit:

Beispieldarstellung im Diagramm:

• z є• 20 Zähne < z < 25 Zähne• ein Riemen mit

zinnen = 71 Zähnezaußen = 72 Zähne



600

400

200

0

-200

-400

-600

Standübersetzung i0

0,8

1

1,2 1,4 1,6

,1

1

0ab

an

inn

i

. R2_S33R1_S22

R2_S2'2R1_S110 pzpz

pzpzi

'

Cyclobelt-Getriebe

Ausgangspunkt bekannte Dimensionierungsregeln der Hersteller• Zahntragfähigkeit,• Zugstrangbelastbarkeit,• Biegewilligkeit.

Besonderheit Cyclobelt-Getriebe:

notwendige Riemenbreite:

mit:

bc (belt contacts) Anzahl der Zahnscheibenpaare 2 und 2‘

kz (Eingriffsbelastungsfaktor) Kenngröße für Cyclobelt-Getriebe

Cyclobelt-Getriebe Auslegung


,2

z3U_spez

ab

kdFM

b

.360360

3c

3cz

z

bp

dbk

Θ = 19°

dSteg2

Scheibe 2‘

Scheibe 2‘Riemen 2

Scheibe 3

Umschlingungswinkel

Der Begriff Hohlscheibe bezeichnet innenverzahnte Scheiben

• Riemen wird in die Hohlscheibe gedrückt• Mehrfacheingriff möglich• keine Vorspannung notwendig• Anpresskraft Fap

Cyclobelt-Getriebe Hohlscheiben


Scheibe 2‘

Scheibe 3

F

F

F F

Zahneingriff Hohlscheibe

Keine Vorspannung des Riemens notwendig

5000

25000

50000Hohlscheibe

Scheibe

0 5000 10000 15000

Örtlich auftretende Druckspannungen (links) in mN/mm2; „von Mises“ Vergleichsspannungen (rechts) in mN/mm2;dargestellt ist ein ungünstiger Einzahnungsvorgang in eine Hohlscheibe

Funktionsmuster 1:• Cyclobelt-Getriebe vom Typ A I I• i = 300

Cyclobelt-Getriebe Muster


Drehzahl in U/min

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200 250 300 350

Ansicht Cyclobelt-Getriebe vom Typ A II



Sch

alld

ruck

peg

elin

dB(A

)

0 500 1000 1500 2000 2500

10

20

30

40

50

60

Synchronmotor ohne Getriebe

Synchronmotor mit Getriebe

Frequenz in Hz

Cyclobelt-Getriebe vom Typ A XX ohne Gehäuse

Funktionsmuster 3:• Cyclobelt-Getriebe vom Typ C X X• i = 50



Ansicht des demontierten Getriebes

Drehmoment in N·m

50

40

30

20

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

50 U/min

100 U/min

200 U/min


Zusammenfassung und Ausblick




4. Cyclobelt-Getriebe 4.1 Aufbau 4.2 Funktion 4.3 Auslegung 4.4 Hohlscheiben4.5 Muster


Miniaturisierte Zahnriemen

• sind herstellbar • positive Eigenschaften nutzbar• Problem für Anwendung: geringes Sortiment• kundenspezifische Riemen:

• Zugstrang: Durchmesser, Anzahl der Filamente und Steigung • Riemengeometrie • Doppel- oder Schrägverzahnung

Erschließung neuer Anwendungsgebiete in der Medizin-, Hausgeräte- und Kfz-Technik



Cyclobelt-Getriebe

• neue Getriebeart• Wirkungsweise nachgewiesen• Einsatz von Hohlscheiben sinnvoll• hohe Übersetzungen bei kompakter

Bauweise erzielbar• spezifische Vorteile der Zahnriemengetriebe

nutzbar

Zukünftige Aufgaben

• Wirkungsgrad• Übertragungsgenauigkeit• neue Strukturen



Ausblick Zahnscheiben (gelb), umspannt durch Zahnriemen

Riemen

Steg

Hohl-scheibe

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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