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2024 | Buch

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Praktische Ermittlung von Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsmodellen für Zahnriemengetriebe

verfasst von: Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das primäre Ziel des Buches, das stark vom praktischen Bezug der Autoren geprägt ist, besteht darin, die Lücke in der Auslegung von Zahnriemenantrieben durch eine ganzheitliche Betrachtung der Zusammenhänge zwischen der Belastung und Lebensdauer von Zahnriemensystemen zu schließen. Dieser Kerngedanke äußert sich auf die Weise, dass die für eine praktische Auslegung von Zahnriemenantrieben essentiellen Fachkenntnisse vermittelt werden, rund um die Themen: Systematik von Zahnriemengetrieben, Berechnungsgrundlagen, Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie das Testen von Zahnriemengetrieben.
Dieses Fachbuch führt in die komplexe Welt der anwendungsorientierten Auslegung von Zahnriemenantrieben ein und zeigt auf eine für den Praktiker verständliche Art und Weise wie mit Hilfe wissenschaftlich etablierter Ansätze aus der Zuverlässigkeitstechnik und der Wahrscheinlichkeitstheorie Lebensdauermodelle entwickelt werden können. Neben Empfehlungen für Optimierungsmöglichkeitenbei Zahnriemenantrieben wird aufgezeigt, wie statistisch abgesicherte Lebensdauertests effizient geplant und durchgeführt werden können. Zahlreiche Anwendungsbeispiele veranschaulichen die Auslegung von Antrieben in der Praxis.
Das Buch ist so konzipiert, dass keine Vorkenntnisse benötigt werden. Daher ist es nicht nur für Wissenschaftler aus den Bereichen der Zuverlässigkeitstechnik und der Betriebsfestigkeit bestimmt, sondern auch für Anwendungstechniker geeignet und ist zugleich ein guter Wegbegleiter für Studierende der Ingenieurwissenschaften.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführung und historische Entwicklung

Zusammenfassung

In der Vielzahl der heute verfügbaren Maschinenelemente ist das Seil vermutlich die älteste Errungenschaft der menschlichen Zivilisation. Ein Fund des Archäologen Nicolas J. Conard von der Universität Tübingen in einer Höhle auf der Schwäbischen Alb aus dem Jahr 2016 lässt darauf schließen, dass die Technik der Seilherstellung bereits seit etwa 40.000 Jahren bekannt sein muss. Auch im weiteren Vergleich zu anderen Maschinenelementen wie beispielsweise Ketten, deren Entwicklung in der Bronzezeit begann und deren technische Nutzung bereits im ersten Jahrhundert v. Chr. belegt ist, ist der Zahnriemen ein relativ junges Antriebselement. Der erste Abschnitt dieses Kapitels gibt zunächst einen Überblick über die gängigsten Umschlingungsgetriebe und ordnet die Zahnriemengetriebe in die Gruppe dieser Antriebselemente ein, bevor ein Überblick über die historische Entwicklung der Umschlingungsgetriebe und die wichtigsten Profilformen der Zahnriemen gegeben wird. Abschließend werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten erläutert und die Vor- und Nachteile der Zahnriemen dargelegt.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

2. Systematik von Zahnriemengetrieben

Zusammenfassung

Bei Zahnriemengetrieben erfolgt die Bewegungsübertragung über ein Maschinenelement, das nur Zugkräfte aufnehmen kann und aus diesem Grund auch als Zugmittel bezeichnet wird. Das Zugmittel selbst ist ein biegeweiches elastisches, formschlüssiges Antriebselement, das in gleichmäßigen Abständen Zähne aufweist und daher auch den Namen Zahnriemen trägt. Der Abstand ist analog zu Zahnradgetrieben durch die Teilung, also den Abstand zweier benachbarter Zahnmitten, vorgegeben. Bei der Bewegungsübertragung greifen die Zähne des Zahnriemens in die Zahnlücken der Zahnriemenscheibe ein und stellen auf diese Weise den Formschluss her. Durch den Formschluss wird ein synchroner Lauf zwischen Antrieb und Abtrieb sichergestellt und damit ein konstantes Übersetzungsverhältnis erzielt. Aufgrund des Synchronlaufs sind Zahnriemengetriebe oft auch unter dem Synonym Synchrongetriebe zu finden. In diesem Kapitel wird die Systematik von Zahnriemengetrieben vorgestellt. Nach der Klärung des grundsätzlichen Aufbaues eines Zahnriemengetriebes, wird auf die einzelnen Komponenten sowie auf die Herstellung von Zahnriemen eingegangen.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

3. Berechnungsgrundlagen von Zahnriemengetrieben

Zusammenfassung

In der Vergangenheit folgte die Dimensionierung von Zahnriemen einer einfachen Vorgehensweise, die in ähnlicher Form für viele Maschinenelemente bis heute üblich ist. Der Hersteller des Maschinenelementes definiert für das jeweilige Maschinenelement eine zulässige Belastung und der Konstrukteur prüft, ob die Belastung des Elementes in seiner Anlage, unter Beachtung eines gewissen Sicherheitsfaktors, diese zulässige Belastung unterschreitet. Ist diese Bedingung erfüllt, kann das Element so verwendet werden. Die Frage nach der resultierenden Lebensdauer des Maschinenelementes und weiteren, diese Lebensdauer beeinflussenden, Faktoren wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, chemischen Einflüssen, usw. wurde meist nicht gestellt und falls doch, so konnte der Hersteller diese meist nicht fundiert beantworten und bestenfalls einen groben Einfluss anhand von Erfahrungswerten abschätzen. In diesem Buch wird sowohl auf diese traditionelle Auslegung eingegangen als auch eine neue Methode beschrieben, mit der genau diese bislang nicht zu beantwortenden Fragestellungen gelöst werden können.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

4. Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsbetrachtung von Zahnriemengetrieben

Zusammenfassung

Lange Lebensdauer technischer Produkte ist in heutiger Gesellschaft kein Wunschkriterium mehr, nach dem sich der Kunde beim Kauf eines Produkts orientiert, sondern ein Musskriterium. Als Reaktion auf den technologischen Fortschritt und die ständig steigenden Anforderungen der Verbraucher, kommen in immer kürzerer Zeit neue Produkte auf den Markt. Die Produkte werden immer komplexer, und die Kunden benötigen eine größere Sicherheit, dass das Produkt über einen längeren Zeitraum zuverlässig funktioniert. Eine Möglichkeit, diese Sicherheit zu bieten, sind Garantien und diese werden immer länger.

Wartungsarme Zahnriemengetriebe, die explizit für die Kundenanwendung ausgelegt sind und eine ausreichend hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit aufweisen, klingt vielversprechend. Aber das Verständnis darüber, wie Zahnriemengetriebe ausfallen und wie lange sie halten, kann eine Herausforderung sein.

In diesem Kapitel werden alle für die Lebensdauerbewertung von Zahnriemengetrieben relevanten Grundlagen vorgestellt und anhand von Beispielen veranschaulicht.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

5. Testen von Zahnriemen

Zusammenfassung

Um die Anforderungen zu verifizieren und die Auslegung eines Zahnriemengetriebes auf Herz und Nieren zu prüfen, sind Methoden erforderlich, mit denen alle feldrelevanten Lastfälle simuliert werden können. Das Verständnis über das Kundenverhalten bildet in diesem Zusammenhang den wichtigsten Baustein, auf dem Lebensdauerprognosen jedes technischen Systems beruhen. Da Absolutaussagen über das Ausfallverhalten von Zahnriemengetrieben auf dem simulativen Weg bisher nicht gelungen sind, bleibt die physische Erprobung als einzige Möglichkeit, die Lebensdauer zu quantifizieren.

Im Kap. 5 wird auf die Lebensdauererprobung von Zahnriemengetrieben eingegangen. Dabei wird gezeigt, welche Möglichkeiten es gibt, Zahnriemengetriebe auf Lebensdauer zu erproben und welche Aspekte dabei beachtet werden sollten. Neben den zahlreichen Möglichkeiten, den Erprobungsaufwand zu reduzieren, werden Hilfestellungen gegeben, um einen Lebensdauertest erfolgreich zu planen und durchzuführen.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

6. Praktische Optimierung von Zahnriemenantrieben

Zusammenfassung

Während die Berechnung von Zahnriemengetrieben hinsichtlich der Übertragungsleistung vorwiegend auf den Angaben der Riemenhersteller basiert und in keiner übergeordneten Richtlinie konkret beschrieben wird, sind die Geometrien zahlreicher Profile in verschiedenen Normen definiert. Die genormten Geometrien von Riemenzahn und Scheibenlücke gewährleisten für Standardanwendungen in der Regel einen störungsfreien Betrieb. Es gibt jedoch zahlreiche Anwendungsfälle, bei denen eine solche standardisierte Geometrie nicht zu den gewünschten Ergebnissen führt. Die Gründe dazu können in Lautstärkeentwicklung, Polygoneffekt, Zahn- oder Stegverschleiß, Positioniergenauigkeit und weiteren Effekten liegen, die in der Anwendung jeweils von Bedeutung sind. Nachfolgend sollen einige Lösungen vorgestellt werden, bei denen abweichend vom genormten Standard oder üblichen allgemeingültigen Empfehlungen optimierte Sonderlösungen erfolgreich eingesetzt werden konnten.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

7. Auslegung von Zahnriemenantrieben in der Praxis

Zusammenfassung

Der Dimensionierungsprozess von geschlossenen Zahnriemen aus Chloroprene oder Polyurethan ist in aller Regel bei den verschiedenen Herstellern sehr ähnlich. Er orientiert sich an der Geometrie des Antriebs, insbesondere der Scheibengröße und der erforderlichen Übertragungsleistung, die mit zahlreichen Sicherheitszuschlägen belegt wird. Dabei findet letztlich ein Vergleich einer zulässigen Leistung, die vom Hersteller vorgegeben wird und einer benötigten Leistung (zzgl. div. Faktoren) statt, die wiederum von der Anwendung bestimmt wird. Weitere Einflüsse wie Temperatur oder andere Umgebungseinflüsse finden in aller Regel keine Berücksichtigung in der Berechnung von Zahnriemengetrieben. Lebensdauern werden bestenfalls durch einen entsprechenden Sicherheitszuschlag bei häufigem oder ununterbrochenem Einsatz berücksichtigt. Bei offenen Linearzahnriemen ist das grundsätzliche Vorgehen ähnlich, meist wird hier aber nicht die Leistung, sondern die Kraft zum Vergleich herangezogen.

Alexander Kremer, Andreas Scholzen, Bernd Bertsche

Backmatter

Titel: Praktische Ermittlung von Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsmodellen für Zahnriemengetriebe
verfasst von: Alexander Kremer
Andreas Scholzen
Bernd Bertsche
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-67345-4
Print ISBN: 978-3-662-67344-7
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-67345-4

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