Het voorspellen van de mechanisch prestaties van tandwielen is essentieel om de tijd en kosten te verminderen die gepaard gaan met het ontwikkelen van nieuwe tandwieltoepassingen. Bij Envalior hebben we een raamwerk ontwikkeld op basis van experimentele casestudy's, lokale vezeloriëntatie en intrinsiek materiaal gedrag dat de vermoeidheid levensduur van tandwielen nauwkeurig voorspelt.
Voor het ontwikkelen van succesvolle tandwieltoepassingen is een solide product nodig met nauwkeurige storingsvoorspellingen - en het eerste dat klaar is voor de markt. Maar om de mechanisch prestaties van tandwielen op korte en lange termijn te voorspellen, moet worden gekeken naar statische sterkte als gevolg van verkeerd gebruik of overtrekkoppel, en moet ook rekening worden gehouden met duurzaamheid prestaties met wortelbreuk als de faalmodus.
Het testen van root spanning vermoeidheid.
Om de tijd en kosten van het ontwikkelen van tandwieltoepassingen aanzienlijk te verminderen, kunnen we een raamwerk gebruiken dat is gevalideerd door experimenten om de levensduur vermoeidheid prestaties in tandwielen nauwkeurig te voorspellen met behulp van vereenvoudigde tests, zoals standaard trek- bar vermoeidheid testen of vereenvoudigde tandwieltests. Het raamwerk bevat een berekening voor de stijfheid die wordt toegevoegd door het glasvezelgehalte, evenals voor toepassingen met verschillende belastingsomstandigheden, waaronder onderdeelgeometrie, poortlocaties en temperatuur.
Met specifieke applicatietests tijdens elke ontwerpfase kunnen we op een iteratieve manier naar een succesvol definitief ontwerp leiden. En als we vereenvoudigde test-resultaten combineren met expertise in tandwieltoepassingen en fundamentele materiaal kennis, waaronder vezeloriëntatie en intrinsiek materiaal gedrag, kunnen we de tandwielstoringsmodus en het bijbehorende koppelniveau voorspellen.
Wortel- spanning vermoeidheid in tandwieltoepassingen hebben te lijden onder twee belangrijke faalmechanismen: plasticiteit-gecontroleerd falen en falen van scheurgroei. Aangezien glasvezelversterkte tandwielen voornamelijk worden gebruikt in toepassingen met cyclische belasting die groot is in zowel amplitude als aantal cycli, zal de levensduur van het onderdeel grotendeels worden bepaald door scheurgroeigecontroleerd falen.
Dit falen wordt veroorzaakt door kleine aanvankelijke gebreken van verwerking, hantering of de toevoeging van vulstoffen die resulteren in spanning concentraties onder belasting en uiteindelijk een rage of scheur verspreiden die tot falen leidt. Met behulp van een reeks vergelijkingen die zijn ontwikkeld en gevalideerd met behulp van een experimentele casestudy, kunnen we vermoeidheid levensduur nauwkeurig voorspellen, inclusief temperatuur afhankelijkheid.
We gebruikten Stanyl® TW271F6 tijdens de tests, zonder vocht aan het begin van de test. Vast smeermiddel (PTFE) werd toegevoegd aan de monsters voor duurzaamheid tests. De testtandwielen werden spuitgegoten in een matrijs met twee holtes via zes poorten en versterkt met 30% glasvezel per gewicht, wat een goede compensatie biedt voor krimp tijdens het gieten. Na het gieten is de kwaliteit van de tandwielen een 12, volgens ISO 1328.
Met behulp van een aangepaste, omgevingsgecontroleerde experimentele opstelling met twee motoren, waarbij de ene de versnelling met een bepaalde snelheid laat draaien terwijl de andere remt om een constant koppel voor de aangedreven versnelling te garanderen. De lokale tand temperatuur neemt toe als gevolg van wrijving totdat een steady-state temperatuur is bereikt, die wordt gemeten via een infraroodsensor.
Bij laslijnen is de vezeloriëntatie niet evenwijdig aan de wortel van de tanden. Dit resultaten in een verschil in stijfheid en sterkte op deze locaties in het deel. We gingen uit van een gemiddelde uniforme vezeloriëntatie in de tand van het tandwiel, om een factor te bepalen die de spanningen van de spanning-rek curve weergeeft, hoewel de factor sterk afhankelijk zal zijn van de tandwielgeometrie en poortlocaties.
Verschillen in vezeloriëntatie bij laslijnen veroorzaken verschillen in lokale stijfheid en sterkte.
De duurzaamheid van de tandwielen werd getest onder verschillende koppelniveaus met verschillende omgevingstemperaturen en de levensduur werd geregistreerd. De experimenten tonen aan dat de levensduur ernstig wordt beïnvloed door het toegepaste koppelniveau en door omgevingsomstandigheden.
Bij Envalior hebben we deze gegevens en testmethodologie gebruikt om een aanpak te ontwikkelen die wortelfalen nauwkeurig voorspelt op basis van niet-isotherme duurzaamheid metingen op een tandwieltester. We kunnen isotherme wortel- spanning vermoeidheid curven voorspellen met behulp van een temperatuur afhankelijke prefactor. De voorspellingen hebben een nauwkeurigheid van een factor 3 op de levensduur aangetoond, behalve voor toepassingen met zeer hoge temperaturen of zeer lange testtijden, waar slijtage een potentieel faalmechanisme wordt.
CAE Expert/Wetenschapper voor Envalior
Benjamin van Wissen is CAE Expert/Scientist voor Envalior. Hij voert FEA-analyses uit om toepassingen te polymeer, waaronder sterkte-, stijfheid-, vermoeidheid-, creep-, NVH- en thermische prestaties-beoordelingen. Hij is gespecialiseerd in polymeer tandwielen sterkte berekeningen en ontwerpen. Daarnaast is hij verantwoordelijk voor fundamenteel materiaal onderzoek om complexe FEA materiaal kaarten te karakteriseren. Voordat hij bij Envalior kwam, werkte Benjamin in de automotive- en chemische industrie. Hij is een sterke technische professional die bedreven is in FEA met behulp van Abaqus, Altair Hyperworks (inclusief Optistruct en CFD), Digimat en KISSsoft voor tandwielontwerp en berekeningen.
08 July 2024
