Einleitung   2

1  Einleitung  3

1.1  Formelzeichen  3

1.2  Kurvengetriebe  8

1.3  Ziel der Arbeit  9

2  Konstruktion  10

2.1  Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung.  10

2.1.1  Anforderungsermittlung Mithilfe der Leitlinie nach Pahl/Beitz  10

2.1.2  Implizite Anforderungen  12

2.1.3  Wünsche  13

2.2  Ermitteln von Funktionen und deren Strukturen  13

2.2.1  Gesamtfunktion des Prüfstandes.  13

2.2.2  Kräfte am Kurvengetriebe  14

2.2.3  Funktionsstruktur.  16

2.3  Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen  18

2.3.1  Kraftübertragung.  18

2.3.2  Erzeugen einer Abtriebskraft.  24

2.3.3  Erzeugen eines Antriebsmomentes.  29

2.3.4  Messen der Abtriebsbewegung.  32

2.4  Gliedern in realisierbare Module.  34

2.5  Gestalten der maßgebenden Module  35

2.5.1  Lagerung der Kurvenscheibe.  35

2.5.2  Lagerung des Stößels.  53

3  Zusammenfassung und Ausblick  57

3.1  Konzeptvorstellung.  57

3.2  Konzeptauswahl  59

4  Literaturverzeichnis  60

Einleitung 3

1 Einleitung

1.1 Formelzeichen

a geometrische Länge

A, A 1 , A 2 Flächen in Hydraulikzylindern oder Druckübersetzern

A 0 mit dem Fundament verbundenes Drehgelenk der Kurvenscheibe

A y Auflagerreaktion in Y-Richtung

b geometrische Länge/Breite

b 1 Beiwert zur Berücksichtigung der Bauteilgröße

b 2 Beiwert zur Berücksichtigung der Oberflächengüte

B magnetische Feldstärke

B y Auflagerreaktion in Y-Richtung

c Federsteifigkeit

C 1/2/3/4 Integrationskonstanten

C Lager Tragzahl eines Lagers

d Abstand von Kondensatorplatten

D Wellendurchmesser

e lotrechte Entfernung der Stößelachse zu A 0

E Elastizitätsmodul

E el elektrische Energie

E kin kinetische Energie

E mech mechanische Energie

Einleitung 4

E mech gewünscht aktuell gewünschte, mechanische Energie

F, F 1 , F 2 Kräfte

F Abtrieb abtriebsseitige Kraft auf Stößel

F Führung Kraft von Führung auf Stößel, quer zur Stößelachse

F Kontakt Kraft im Kontaktpunkt von Laufrolle und Kurvenscheibe

F KontakMax Maximal zulässige Kontaktkraft

F Kontakt, Längs stößelaxiale Komponente der Kontaktkraft

F Kontakt, Quer stößelnormale Komponente der Kontaktkraft

F Vorspann Vorspannkraft für Wälzlager

g Erdbeschleunigung

h Hebellänge

i Stromstärke

I y Flächenträgheitsmoment in Y-Richtung

I z Flächenträgheitsmoment in Z-Richtung

J Massenträgkeitsmoment

KS Abkürzung für Kurvenscheibe

l 1 abgegriffene Länge eines Potentiometers

l 2 Restlänge eines Potentiometers

L 10 Lebensdauer bei 10-prozentiger Ausfallwahrscheinlichkeit

m Gesamte auf die Translation des Stößels reduzierte Abtriebsmasse

m Zusatz Zusatzmasse zur Erzeugung einer Abtriebskraft

Einleitung 5

M Antrieb Antriebsmoment auf die Kurvenscheibe

M AntriebMax Maximal erforderliches Antriebsmoment

M Abtrieb Abtriebsmoment auf die Kurvenscheibe, ergibt sich aus Kontaktkraft und Übertragungsfunktion des Kurvengetriebes

M bmax maximales Biegemoment

M Führung von Führung auf Stößel wirkendes Moment

M Kontakt Zur Kontaktkraft gehöriges Moment auf die Lagerung

M(x) Schnittgröße Biegemoment

n Drehzahl der Kurvenscheibe

N zur Reibkraft gehörende Normalkraft

p hydraulisch-/pneumatischer Druck

p 0 zulässige Flächenpressung

P Lager Lagerlast

q F aus Einzelkraft resultierende spezifische Querkraft

q M aus Biegemoment resultierender Maximalwert spezifischer Querkraft

q Max maximale spezifische Querkraft

Q elektrische Ladung

Q max maximale Querkraft

Q(x) Schnittgröße Querkraft

r Radius

R zur Normalkraft gehörende Reibkraft

R 1 , R 2 elektrische Widerstände

Einleitung 6

s Abtriebsweg

R m Bruchgrenze

s Abtriebsweg

•

Abtriebsgeschwindigkeit s

•

Abtriebsbeschleunigung s

Vorspannweg einer Feder s Vorspann

Sicherheitsbeiwert S

Schnittgröße Torsionsmoment T(x)

U, U 1 , U 2 elektrische Spannungen

v 1 , v 2 Geschwindigkeiten der dem Index entsprechenden Bauteile

Relativgeschwindigkeit zwischen zwei Körpern v REL

Geschwindigkeit eines Rades/Wälzkörpers v Rad

Geschwindigkeit in X-Richtung v x

Geschwindigkeit in Y-Richtung v y

Verfahrgeschwindigkeit des Hydraulikzylinders v Zyl

Biegelinie w(x)

Wirkungslinie einer Kraft WL

polares Widerstandsmoment W p

Widerstandsmoment in Y-Richtung W y

Widerstandsmoment in Z-Richtung W z

maximaler Abstand zum Schwerpunkt z max

Einleitung 7

α Winkel zwischen Vektoren

β K Beiwert zur Berücksichtigung der Kerbwirkung

δs infinitesimale Wegstrecke

δϕ infinitesimaler Verdrehwinkel

•

, ϕ Winkel, Winkelbeschleunigung der Kurvenscheibe

λ Übertragungswinkel

μ Reibwert, Proportionalfaktor zwischen Normal- und Reibkraft

ϑ K ,ϑ Querkontraktionszahl

R

ρ min minimaler Radius der Laufrollenmittelpunktsbahn

σ bmax maximale Biegespannung

σ bSch Biegeschwellfestigkeit

σ bW Biegewechselfestigkeit

σ vm Vergleichsmittelspannung

σ vmax Vergleichsmaximalspannung

σ zul zulässige Normalspannung

τ Qmax maximale Schubspannung aufgrund einer Querkraft

τ Tmax maximale Schubspannung aufgrund eines Torsionsmomentes

Einleitung 8

1.2 Kurvengetriebe

Ein Kurvengetriebe besteht im wesentlichen aus drei Teilen (Bild 1.1): Kurvenglied (1), Eingriffsglied (2) und Gestell (3;0), welches die Verbindung zwischen der Lagerung des Kurvengliedes und der des Eingriffsgliedes darstellt. Um im Kontaktpunkt möglichst reines Abrollen zu gewährleisten wird bei vielen Kurvengetrieben eine Laufrolle (4) zwischen Kurven- und Eingriffsglied eingesetzt.

Bild 1.1: Kurvenscheibe mit Rollenstößel; Quelle:[4]

Die Prüfstandskonzepte sollen für Kurvengetriebe der Art „Kurvenscheibe mit Rollenstößel“ entwickelt werden.

Einleitung 9

1.3 Ziel der Arbeit

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung von Prüfstandskonzepten für die unter Abschnitt 1.2 beschriebenen Kurvengetriebe mit dem Zweck die Abtriebsbewegung unter Last zu erfassen und aufzuzeichnen. Der Konstruktionsprozess soll nach VDI 2221 (Bild 1.2) durchgeführt werden. Mithilfe dieser Daten kann die Elastizität des Kontaktes zwischen Kurvenscheibe und Laufrolle untersucht werden.

Bild 1.2: Konstruktionsprozess nach VDI 2221; Quelle [2]

Konstruktion 10

2 Konstruktion

2.1 Klären und Präzisieren der Aufgabenstellung

2.1.1 Anforderungsermittlung mit Hilfe der Leitlinie nach Pahl/Beitz

Als Hilfsmittel zur Anforderungsermittlung wird die gleichnamige Leitlinie verwendet. In dem Auszug aus der Leitlinie in Bild 2.1 werden jedem Hauptmerkmal mehrere Beispiele zugeordnet mit denen systematisch eine Anforderungsliste erarbeitet werden kann. Allerdings müssen die impliziten Anforderungen auf anderem Wege ermittelt werden.

Bild 2.1: Auszug aus der Leitlinie nach Pahl/Beitz; Quelle: [2]

Konstruktion 11

1. Geometrie

-Untersuchung von Kurvenscheiben bis maximal Durchmesser 0,5 m

-Exzentrizität des Rollenstößels einstellbar bis zu maximal e = 0,1 m

-Bauraum ist auf ein Maschinenbett von 1 m x 1 m beschränkt

2. Kinematik

-„kleine“ Kurvenscheiben sollen mit einer Drehzahl von bis zu n = 9000 U/min betrieben werden können

3. Energie

-Es steht ein 400 V-Anschluss zur Verfügung

4. Signal

-Eingangssignale sind die auf der Kurvenscheibe gespeicherten

-Ausgangssignale sind die gemessene Abtriebsbewegung,

-Eingangssignale sind die auf der Kurvenscheibe gespeicherten

Konstruktion 12

2.1.2 Implizite Anforderungen

Eine große Lücke der Liste der expliziten Anforderungen besteht im Fehlen der maximal zu übertragenden Kraft im Kontakt Kurvenscheibe-Laufrolle. Laut [1] kann die maximal übertragbare Kraft mit Gl. 2.1 berechnet werden. Die Größe p ⁰ entspricht der maximal zulässigen Flächenpressung und kann bei einsatzgehärteten, legierten Stählen bis zu 1650 N/mm² betragen.

= F

Kontakt

Der Radius der Laufrolle ist nach [4] durch Gl. 2.2 nach oben hin begrenzt.

0 ρ ⋅ ≤ 7 , r Gl. 2.2

min R

Geht man nun von einem minimalen Radius der Rollenmittelpunktsbahn von

ρ min = 0,2 m, einer Kurvenscheibenbreite von b K = 40 mm und Stahl als Werkstoff

von Kurvenscheibe und Laufrolle aus so erhält man für die maximal übertragbare Kraft:

= F

Max Kontakt

Da der Prüfstand aber nicht an der Belastungsgrenze der eingesetzten Werkstoffe betrieben soll und handelsübliche Laufrollen (NKE) nur bis zu einem Durchmesser von 100 mm erhältlich sind reduziert sich die maximale Kraft im Kontaktpunkt zu:

F

korrigiert Max Kontakt

Damit kann die Anforderungsliste im Unterpunkt „Kräfte“ der Leitlinie ergänzt werden zu: