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Optimierung hochbelasteter Gelenke in ungleichmäßig übersetzenden Mechanismen am Beispiel von Kniehebelschließeinheiten

Ungleichmäßig übersetzende Mechanismen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, in denen die Umsetzung von bewegungs- oder kraftübertragenden Aufgaben erforderlich ist. Ein häufiger Anwendungsbereich von Mechanismen mit hoher nicht-linearer Übersetzung sind Kniehebelschließeinheiten in Kunststoffspritzgießmaschinen. Das Wirkprinzip zur Kraftvervielfältigung dieser Mechanismen zeigt besonders beim Übergang in der Strecklage gegenüber anderen Mechanismen deutliche Vorteile. Jedoch resultieren aus dem nicht-linearen Übersetzungsverhalten hohe Belastungen auf die Gelenke. Während der dynamischen Verfahrbewegungen der beweglichen Werkzeugaufspannplatte werden die Schwenkbewegung der Hebel und der variierende Radialkraftvektor durch die Trägheit der bewegten Massen beeinflusst. In der Phase des Schließkraftaufbaus resultieren die Radialkräfte aus der Schließkraft und variieren in geringen Winkelbeträgen. Dadurch entstehen hohe Beanspruchungen in den Kontaktbereichen der Bolzengelenke, sodass Beschädigungen der Kontaktflächen und ein frühzeitiger Gelenkausfall möglich sind.

An der in dieser Arbeit ausgewählten 5-Punkt-Doppel-Kniehebelschließeinheit wurden grundlegende Optimierungsansätze für eine beanspruchungsgerechte Gelenkgestaltung identifiziert. Um die Beanspruchungen umfassend zu beschreiben, wurden sowohl dynamische als auch strukturmechanische Eigenschaften durch den Einsatz numerischer Analyseverfahren (Mehrkörpersimulation, Finite-Elemente-Methode) unter Berücksichtigung der Elastizitäten untersucht. Die Simulationsergebnisse zeigten zum einen, dass die geringen Schwenkbewegungen der Hebel während des Schließkraftaufbaus zu Relativbewegungen zwischen den Bolzen und den Gelenkbohrungen während des Schließkraftaufbaus führen und zum anderen, dass hohe und lokale Spannungsgradienten in den Bereichen der Bohrungskanten (Kantenpressung) auftreten. Eine Verifikation dieser Ergebnisse durch statische FEM-Analysen ermöglichte auch die Identifikation von Spielpassungen als primären Einflussfaktor auf die Spannungsbeträge. Zur Reduzierung dieser tribologischen Beanspruchungen wurde eine Gelenkgeometrie entwickelt, die sowohl die Anforderungen an die dynamische Phase als auch für die Phase des Schließkraftaufbaus erfüllt. Diese Gelenkgeometrie ist als Festkörpergelenk ausgeführt und ermöglicht durch den Einsatz von zusätzlichen Kontaktflächen die mechanische Unterteilung des gesamten Schließprozesses in die dynamische Phase und die Schließkraftaufbauphase. Ein Wechsel dieser Phasen wird durch die Blockierung der Bolzenrotation an den zusätzlichen Kontaktflächen realisiert. Zur Entwicklung einer beanspruchungsgerechten Gelenkgeometrie wurde die rechnergestützte Topologieoptimierung verwendet. Aus der Verfahrbewegung des Kreuzkopfes resultiert die Biegung des Festkörpergelenks und ermöglicht somit den elastischen Schließkraftaufbau. Der elastische Kraftaufbau führte zu hohen Spannungen in den Komponenten der Schließeinheit. Entsprechende Modifikationen des Simulationsmodells ermöglichten die Definition eines Untersuchungsraums zur Optimierung der geometriebeschreibenden Parameter und zur Ableitung der finalen Gelenkgeometrie. Eine Fertigung der Gelenkgeometrie ermöglicht die experimentelle Untersuchung der Wirkmechanismen.

Weitere Optimierungsansätze konzentrieren sich auf die hohen lokalen Spannungsgradienten an den Bolzen in den Bereichen der Kantenpressung. Speziell in diesen Bereichen wurde die Bolzenkontur durch Geometrieparameter beschrieben, sodass durch eine rechnergestützte Parameteroptimierung eine beanspruchungsgerechte Bolzengeometrie entwickelt wurde. Ein Vergleich der optimierten und der zylinderförmigen Bolzen zeigte eine erhebliche Verbesserung in Bezug auf die Kontaktspannungen. Die lokalen Verringerungen der Bolzendurchmesser führen jedoch zu einer größeren Durchbiegung und somit zu einer Erhöhung der Vergleichsspannungen nach v. Mises. Zur experimentellen Überprüfung der Wirkmechanismen an dem Festkörpergelenk wurde eine Prüfvorrichtung entwickelt. Durch einen servohydraulischen Linearzylinder wird eine definierte Kraft auf ein Kniehebelsystem eingeleitet, welches durch die Übersetzung zum einen hohe Prüfkräfte und zum anderen die erforderliche Schwenkbewegung zur Biegung des Festkörpergelenks ermöglicht. Eine messtechnische Überwachung der Spannungen am Prüfkörper wurde mithilfe von DMS ermöglicht. Es konnte in den Auswertungen der gemessenen Spannungen gezeigt werden, dass die Ausrichtung des Prüfkörpers zur Hauptkraftflussrichtung die Realisierung der Prüfkräfte beeinflusst und das die Wirkmechanismen des Festkörpergelenks prinzipiell zur Realisierung der Schließkräfte in der Referenz-Kniehebelschließeinheit geeignet sind. Um die Kontaktspannungen an den Bolzengelenken in einer Schließeinheit während der Schließkraftaufbauphase zu reduzieren, wurde ein neues Konzept für eine Schließeinheit entwickelt. Das Ziel war die Verwendung von Festkörpergelenken für den elastischen Schließkraftaufbau unter Berücksichtigung geringer Beanspruchungen in den Komponenten der Schließeinheit. Dazu wurden parametrische Modelle von zwei Festkörpergelenken entwickelt. Mithilfe von Parameteroptimierungen wurden die Festkörpergelenke hinsichtlich des Schließkraftaufbaus und minimaler Spannungen optimiert.. Aus diesen Ergebnissen wurde eine konstruktive Entwicklung einer formschlüssigen Anbindung ohne die Verwendung von Bolzen an die Struktur der Schließeinheit realisiert. Eine abschließende FEM-Analyse zeigte, dass die formschlüssige Anbindung den elastischen Schließkraftaufbau mit reduzierten Beanspruchungen in den Kontaktbereichen und in den Bereichen der Festkörpergelenke ermöglicht.

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 Burkhard Jürgen Gronhoff

Burkhard Jürgen Gronhoff
Lehrstuhl für Konstruktion und Kunststoffmaschinen
Universität Duisburg-Essen

Informationen

Freie Schlagwörter: ungleichmäßig übersetzende Mechanismen, nicht-lineare Übersetzung, hochbelastete Gelenke, Kniehebelschließeinheit, Finite-Elemente-Methode, Festkörpergelenk, Topologieoptimierung, elastischer Schließkraftaufbau, Reduzierung der Kontaktspannung, Parameteroptimierung, beanspruchungsgerechte Bolzengeometrie, experimentelle Überprüfung
Institut / Lehrstuhl: Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Maschinenbau und Verfahrenstechnik der Universität Duisburg-Essen
Sprache: Deutsch
Fachgutachter: Prof. Dr.-Ing. Johannes Wortberg (Betreuer), Prof. Dr.-Ing. Paul Josef Mauk
Erscheinungsjahr: 2015
Anbieter: Wissenschaftlicher Arbeitskreis Kunststofftechnik (WAK) / Kunststoffe.de

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