Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1361
Main Title: Das Übertragungsverhalten von Synchronriemengetrieben
Translated Title: The Transmission Behaviour of Synchronous Belt Drives
Author(s): Librentz, Roy
Advisor(s): Mertens, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Verkürzung von Produktentwicklungszeiten in der Antriebstechnik erfordert zunehmend den Einsatz von leistungsfähigen Simulationswerkzeugen. Die Basis für eine realitätsnahe Modellbildung liegt in der Kenntnis der wesentlichen, das Übertragungsverhalten bestimmenden Wirkmechanismen. Bezogen auf den im Rahmen der vorliegenden Dissertation betrachteten Synchronriementrieb finden die essentiellen Vorgänge im Riemen-Scheibe-Kontakt statt. Deshalb wurden diese Vorgänge mittels gezielter experimenteller Untersuchungen bei verschiedensten Betriebszuständen analysiert und aufgedeckt. Zur Analyse wurden die lastabhängigen globalen Verschiebungen im umlaufenden Riemen-Scheibe-Kontakt mit einer Hochgeschwindigkeitskamera visualisiert. Zudem wurden für den dabei exemplarisch untersuchten Zwei-Scheiben-Trieb umfangreiche Messungen bei quasistatischer und dynamischer Belastung durchgeführt. Mit der gemeinsamen Bewertung der gemessenen Kennlinien und der Hochgeschwindigkeitsaufnahmen in der Dissertation gelingt bereits eine qualitative Vorhersage des Übertragungsverhaltens von Synchronriemengetrieben. Das Bewertungskriterium hierfür ist insbesondere bei Ausführungen mit ausgeprägtem Zahnspiel die Flankenanlageposition der Riemenzähne an den Scheibenzähnen. Es wird gezeigt, dass die Anlageposition sich bei den untersuchten Riemen-Scheibe-Konfigurationen fast ausschließlich durch Wandervorgänge des Riemens in den Grenzen des Zahnspiels und nicht durch ein Gleiten des Riemens auf den Scheibenzahnköpfen einstellt. Die Ermittlung der vorliegenden Flankenanlageposition bzw. der Wanderrichtung kann bei einem rotierenden Synchronriementrieb über die Berechnung der Differenz zwischen Riemen- und Scheibenteilung am jeweiligen Scheibeneinlauf erfolgen. Hierzu ist die geltende Teilungsausgleichskraft, zu deren Bestimmung ein experimentelles Verfahren entwickelt wurde, mit der dort wirkenden Trumkraft in Beziehung zu setzen. Zudem müssen die im unmittelbaren Einlaufbereich auftretenden Schubverformungen aus Umfangskraftänderungen berücksichtigt werden. Weiter wird gezeigt, daß ein Einkeilen der Riemenzähne am Scheibeneinlauf bzw. deren Auskeilen am Scheibenauslauf innere Verspannungen impliziert, welche die reibschlüssig übertragbare Umfangslast maßgeblich mitbestimmen. Sowohl bei quasistatischer als auch dynamischer Belastung ergibt sich insgesamt ein starker Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit des jeweiligen Riemen-Scheibe-Kontakts. Im Hinblick auf die Simulation des Synchronriementriebs wird herausgearbeitet, daß sich das Gesamtverhalten im Riemen-Scheibe-Kontakt zumeist aus einer Superposition mehrerer Teilmechanismen für die einzelnen Bettungselemente zusammensetzt. Mit einem hierzu entwickelten Prüfstand wird die separate Untersuchung dieser lokalen Lastübertragungsmechanismen bei nicht umlaufendem Riemen-Scheibe-Kontakt realisiert. Es zeigt sich, dass das Übertragungsverhalten stark nichtlinear ist. Dies kommt auch in den aufgestellten, sehr komplexen Bewegungsmodellen zum Ausdruck. Die mathematische Beschreibung beruht auf einem für Keilrippenriemen entwickelten Zwei-Faser-Modell, womit auch die für Synchronriemen geltenden Aspekte kraftschlüssigen Verhaltens abgebildet werden können. Die wesentlichen Aspekte der neuen Erkenntnisse wurden in die kommerzielle Simulationssoftware ‚SIMDRIVE 3D’ der aus dem Institut ausgegründeten Firma CONTECS engineering services GmbH implementiert. Zur Überprüfung und zur Demonstration der Anwendungspotentiale des entwickelten Synchronriemenmoduls werden in der Dissertation Simulationsergebnisse sowohl für die im Rahmen der Arbeit durchgeführten quasistatischen Messungen als auch zum Übertragungsverhalten eines Nockenwellensteuertriebs gezeigt. Die Übereinstimmung für das quasistatische Übertragungsverhalten ist bis auf den durch das Zahnspiel bedingten Plateaubereich sehr gut, im Plateaubereich zumindest tendenziell richtig. Die Simulationsberechnungen zum Nockenwellenantrieb für spielfreie Riemen-Scheibe-Paarungen bilden die Betriebseigenschaften bereits sehr gut ab.
The reduction of development times for new technical products requires an increasing usage of powerful simulation tools. Basis for a modelling close to reality is the knowledge of the fundamental mechanical principles, which are determining the transmission behaviour. Looking at synchronous belt drives, which are subject of this dissertation, the essential processes take place in the belt-pulley-contact. Therefore these processes were analysed and detected by targeted experimental research, regarding various load situations. For analysis, the load depended global displacements in a rotating belt-pulley-contact were visualised using a high-speed-camera. Furthermore, for the thereby exemplarily investigated two-pulley-belt drive, many tests have been conducted with quasi-static and dynamic loads. With a combined evaluation of the measured characteristic curves and high-speed-camera-shots within the dissertation, a qualitative prediction of the transmission behaviour of synchronous belt drives is already possible. The criterion of evaluation therefore is, particularly for synchronous belt drives with distinct tooth gap, the position of the tooth flanks of the belt teeth, in relation to the pulley teeth. It is shown that the position of the tooth flanks, in case of the analysed belt-pulley-configurations, is determined nearly exclusively by creeping mechanisms within the limits of the tooth gap and not by a sliding of the belt on top of the heads of the pulley teeth. For a rotating synchronous belt drive the determination of the current position of tooth flanks, respectively of the creeping direction, can be determined by the calculation of the differences between belt pitch and pulley pitch in the ,run-in-area’ of the respective pulley. Therefore the effective force at harmonic division has to be determined, for which an experimental method has been developed, and has to be compared with the effective force in the free spans. Additionally, the occurring shear deformations, resulting from changes of the peripheral force in the immediate ,run-in-area’, have to be considered. Beyond that, it is shown that wedging of belt teeth in the ,run-in-area’ and respectively the discharge of the wedging in the ,run-out-area’ can involve inner stresses, which significantly influence the peripheral force transmittable by friction. For both, quasi-static and dynamic loads, follows a strong influence on the overall stiffness of the particular belt-pulley-contact. With regard to the simulation of synchronous belt drives, it is shown that the overall behaviour in the belt-pulley-contact is, in most cases, is consisting of a superposition of several particular mechanisms for the several bedding elements. With a therefore developed test rig, a separate investigation of the local mechanisms of transmission behaviour for the non-rotating belt-pulley-contact is realized. These tests show that the transmission behaviour is strongly nonlinear. This also is expressed by the developed, very complex motion models. The mathematical model is based upon a two-fibre-model for poly-V-belts, which can also describe all aspects of friction-based transmission behaviour for synchronous belt drives. The significant aspects of the new cognitions have been implemented in the commercial simulation software ,SIMDRIVE 3D’ of the company CONTECS engineering services GmbH, originating from a spin-off of the department of mechanical design. For verification and for demonstration of the application potential of the developed synchronous belt drive module, simulation results are shown in the dissertation for both, quasi-static measurements carried out in scope of this work and also for the transmission behaviour of a camshaft drive. The correlation for the quasi-static transmission behaviour is, except of the plateau area caused by the tooth gap, very good, in the plateau area at least correct in its tendencies. The calculations for the camshaft drive with gap-less belt-pulley-configurations already reflect the operating conditions very good.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12933
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1658
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1361
Exam Date: 24-Feb-2006
Issue Date: 26-May-2006
Date Available: 26-May-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Simulation
Synchronriemen
Teilungsausgleichskraft
Verhalten
Zahnriemen
Behaviour
Force at harmonic division
Simulation
Synchronous belt
Timing belt
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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