VDI 2727 Blatt 2-2016 Catalogues for machine design - Mechanisms for motion transfer - Converting unidirectional rotation or alternate push into rectilinear alternate motion.pdf

1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREKonstruktionskatalogeLsung von Bewegungsaufgabenmit GetriebenErzeugung hin- und hergehender SchubbewegungenAntrieb gleichsinnig drehend oder wechselsinnig schiebendVDI 2727Blatt 2VDI-Handbuch Getriebetechnik I: Ungleichfrmig bersetzende GetriebeVDI-Handbuch Produktentwickun

2、g und KonstruktionFrhere Ausgaben: 05.91; 09.15 EntwurfZubeziehen durch Beuth Verlag GmbH,10772 Berlin Alle Rechtevorbehalten Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2016Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nichtgestattetICS 21.200Oktober 2016October 2016VDI-Gesellschaft Produkt- und Pro

3、zessgestaltung (GPP)Fachbereich Getriebe und MaschinenelementeInhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 42 Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Theoretische Gru

4、ndlagen . . . . . . . . . . . 73.1 Begriffe und Bezeichnungen . . . . . . . . 73.1.1 Mechanische Huberzeuger . . . . . . 73.1.2 bertragungsfunktion . . . . . . . . 73.1.3 Symmetrie der bertragungsfunktion 73.1.4 Linearteil in der bertragungs-funktion. . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.5 Ruck und St

5、o . . . . . . . . . . . . 83.2 Prinzipielle Mglichkeiten der Erzeugungeines geradlinigen Hubs aus einerumlaufenden Antriebsbewegung . . . . . . 93.3 Konstruktive Mglichkeiten einerHubverstellung . . . . . . . . . . . . . . . 114 Erluterungen zum Konstruktionskatalog Mechanische Hubgetriebe“ . . . .

6、. . . . . . 134.1 Hauptteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.2 Gliederungsteil . . . . . . . . . . . . . . . 134.3 Zugriffsteil . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.3.1 Spalte 1: Achslage An- zu Abtrieb. . 134.3.2 Spalte 2: bertragungsfunktion des Beispiels . . . . . . . . . . . . . 144.3.3

7、Spalte 3: Besonderheiten derbertragungsfunktion . . . . . . . . 144.3.4 Spalte 4: Beschleunigungsverhalten . 144.3.5 Spalte 5: Bezogene Baugre . . . . 15Inhalt Seite4.3.6 Spalte 6: Hubzyklen pro Umdrehung 164.3.7 Spalte 7: An- und Abtrieb umkehrbar . . . . . . . . . . . . . . 164.4 Anhang . . . . .

8、. . . . . . . . . . . . . . 164.4.1 Spalte 1: Kinematisch relevanteAbmessungen des Beispiels . . . . . 164.4.2 Spalte 2: Bemerkungen . . . . . . . 165 Konstruktionskatalog MechanischeHubgetriebe“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.1 Katalogteil D9 . . . . . . . . . . . . . . . 185.2 Katalogteil

9、 S9. . . . . . . . . . . . . . . . 546 Beispiel zur Anwendung des KatalogsMechanische Hubgetriebe“. . . . . . . . . . 646.1 Ziel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.2 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . 646.3 Bestimmen der Getriebefunktion . . . . . . 646.4 Suchen von Lsungen im Kon

10、struktions-katalog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646.5 Weiteres Vorgehen . . . . . . . . . . . . . 656.6 Ergebnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 Anwendungsbeispiele fr hin- undhergehende Schubbewegungen . . . . . . . 657.1 Axialer Antrieb eines Bohrwerkzeugs . . . 657.2 Schubkurbel

11、 mit sehr kleinem Hub ineiner Pumpe. . . . . . . . . . . . . . . . . 66Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68A1 Sammlung von Verstellgetrieben . . . . . . 68A2 Zustzliche CD-ROM. . . . . . . . . . . . 69Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Catalogues for machine des

12、ign Mechanisms for motion transfer Converting unidirectional rotation or alternate push into rectilinear alternate motionVDI-RICHTLINIENB974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI 2727 Blatt 2 Alle Re

13、chte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung

14、, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung desUrheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedin-gungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserRichtlinie m

15、itgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinienreihe ist im Internet abrufbar unterwww.vdi.de/2727.EinleitungIn den verschiedenen Bereichen des Maschinen- undGertebaus werden fr Bewegungsaufgaben opti-male Konstruktionen verlangt. Mechanismen undGetriebe als K

16、onstruktionsbausteine bieten dafr einbreites Lsungsspektrum. Allerdings ist die Suchenach geeigneten Getriebebauformen vielfach mh-sam. Entsprechendes Fachwissen ist zwar in Hunder-ten von Bchern und Artikeln zu finden, aber Kon-strukteuren, die keine Getriebespezialisten sind,schon aus Zeitmangel o

17、ft schwer zugnglich.Die Richtlinienreihe VDI 2727 soll dem Konstruk-teur helfen, ber systematisch geordnete typische Be-wegungsablufe, denen getriebetechnische Lsungenzugeordnet sind, schneller und sicherer zu geeignetenLsungen zu kommen. Diese lassen sich durch Be-achten der in den Katalogen enthal

18、tenen kennzeich-nenden Merkmale und Anwenden von Kriterien auseinem Lsungsfeld herausfiltern.Die in den Richtlinien VDI 2222 Blatt 1 und Blatt 2schon gegebenen allgemeinen Empfehlungen zurKonstruktionsmethodik bzw. zum Erstellen von Kon-struktionskatalogen 38 wurden hier auf die beson-deren getriebe

19、technischen Problemstellungen ange-wendet und erweitert.Durch den Gebrauch der Richtlinienreihe VDI 2727ergibt sich ein breiter wirtschaftlicher Nutzen durch Finden besserer Lsungen in krzerer Zeit, bersichtsinformation ber vorhandene getriebe-technische Konstruktionskataloge und methodische Wissens

20、dokumentation auch als Vor-bedingung der Rechneranwendung.Es wird dem Konstrukteur ein Weg gezeigt, wie er frseine spezielle Bewegungsaufgabe geeignete Lsun-gen findet. Es ist auch derjenige Konstrukteur ange-sprochen, der mit der Konstruktionsmethodik und derGetriebetechnik nur wenig vertraut ist.D

21、iese Richtlinie enthlt zwei Konstruktionskatalog-teile zu den Aufgabenstellungen: Umwandlung einer fortlaufend drehendenAntriebsbewegung in eine hin- und hergehende (wechselsinnige) Schubbewegung (Bild 2, Feld D9) Umwandlung einer Schubbewegung am Eingang in eine Schubbewegung am Ausgang (Bild 2, Fe

22、ld S9)Im Folgenden wird dieser Konstruktionskatalog, dermechanische Lsungen zu den beiden zuvor genann-ten Funktionen enthlt, Mechanische Hubgetriebe“genannt.Basis dieser Richtlinie sind die Dissertation Schnei-der 40 und die Richtlinie VDI 2727 Blatt 2 von1991, die vollstndig berarbeitet wurde.Vor

23、der systematischen Darstellung der verschiede-nen Lsungen im Konstruktionskatalog werden in ei-nem eigenen Abschnitt die theoretischen Grundlagenzum Erzeugen von Schubbewegungen vermittelt. DerKonstrukteur ist dadurch in der Lage, die verschiede-nen mglichen Lsungen leichter an seine spezielleAufgab

24、enstellung anzupassen.Anhand eines Beispiels wird die Verwendung desKonstruktionskatalogs bei der Lsungssuche und-auswahl demonstriert. Einige Beispiele von konkre-ten Einsatzfllen verdeutlichen zudem die Anwen-dungsmglichkeiten der mechanischen Huberzeuger.Eine beiliegende CD-ROM bietet auerdem die

25、Mglichkeit, die Getriebe des Konstruktionskatalogsin animierter Form zu betrachten.BewegungsaufgabeIn vielen Bereichen der Technik gibt es die Bewe-gungsaufgabe, aus einer umlaufenden (gleichsinnigdrehenden) oder wechselsinnig geradlinigen An-triebsbewegung (Antriebswinkel bzw. Antriebs-weg w) eine

26、translatorische, wechselsinnige Schub-bewegung am Abtriebsglied (Abtriebsweg s) zu er-zeugen. Der zeitliche Ablauf der Schubbewegungkann periodisch sein, z.B. durch einen kontinuierlichumlaufenden Antrieb, oder sporadisch erfolgen, z.B.durch einen programmgesteuerten Antrieb.LsungsanstzeDie Erzeugun

27、g einer Schubbewegung kann mit un-terschiedlichen Prinzipen und Mitteln erfolgen. EineAuswahl zeigt Tabelle 1.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11VDI 2727 Blatt 2 3 Alle Rechte vorbehalten Verein Deu

28、tscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016Bei der Entscheidung fr ein vorteilhaftes Lsungs-prinzip zur Realisierung einer technischen Bewe-gungsaufgabe spielen nach 10 vielfltige Kriterieneine entscheidende Rolle, die im Einzelfall individu-ell zu bercksichtigen sind. Einige wichtige Kriteriensind z.B.:

29、 Kosten Leistungsgrenzen bei Geschwindigkeit undBeschleunigung Krfte Dynamik Laufruhe Variabilitt der Bewegung Reproduzierbarkeit und Przision Zwanglauf Betriebssicherheit Energieverbrauch und Wirkungsgrad Energiezufuhr Bauraum UmgebungseinflsseDirektantriebe fr SchubbewegungenGrundstzlich ist es mg

30、lich, ber einen translatori-schen Direktantrieb (Linearantrieb) die gewnschteSchubbewegung direkt (unmittelbar) ohne zustz-liche, zwischen Antrieb und Abtrieb angeordnete be-wegliche bertragungselemente (Getriebe) zu erzeu-gen. Als Direktantriebe fr Schubbewegungen wer-den hierbei in erster Linie el

31、ektrische Linearantriebesowie pneumatische und hydraulische Zylinder-Kol-ben-Systeme verstanden. Die primre Auswahl einessolchen Direktantriebs richtet sich hauptschlichnach der geforderten Bewegung am Abtrieb. Hierbeisind insbesondere die Gre des gewnschten Hubs,die Taktzeit fr eine Bewegungsperiod

32、e und die da-mit verbundene maximale Verfahrgeschwindigkeitund die maximale Beschleunigung zu bercksichti-gen. Mit der zu bewegenden Masse am Abtrieb undden Prozesskrften lsst sich dann eine erforderlicheMindestvorschubkraft bestimmen. Diese ist mageb-lich fr den notwendigen Bauraum des Direktan-tri

33、ebs verantwortlich. So wird z.B. bei pneumati-schen und hydraulischen Kolbenantrieben ber denjeweils zur Verfgung stehenden Druck die notwen-dige Kolbenflche ermittelt, die zusammen mit demzu verwirklichenden Hub einen Mindestbauraumvorgibt. Auch bei elektrischen Antrieben ist durch diebegrenzten ma

34、gnetischen Feldstrken fr bestimmteVorschubkrfte ein bestimmtes Mindestbauvolumennotwendig. Einsatzgrenzen bei DirektantriebenEs gibt jedoch einige Grnde, Hubbewegungen inMaschinen nicht mit einem Direktantrieb zu realisie-ren. Nachfolgend sind einige wichtige genannt: LeistungsgrenzeMithilfe von mec

35、hanischen Getrieben (z.B. einerZahnradstufe) lsst sich bei Erreichen einer Leis-Tabelle 1. Prinzipe und Mittel zum Erzeugen von SchubbewegungenPrinzip Mittel (Beispiele) Nr. Typische Eigenschaftenmechanisch Koppelgetriebe, Kurven-getriebe, kombinierte Getriebe1 Die Getriebeart hat eine starre Kopplu

36、ng und ist fr schnelle Bewegungen und/oder groe Krfte geeignet. Eine Synchronisation mehrerer Bewegungen in einer Maschine ist gesichert mglich.Summiergetriebe mit zwei Antrieben2 Die Getriebeart hat eine starre Kopplung und ist fr schnelle Bewegungen und/oder groe Krfte geeignet.elektrisch geregelt

37、er Schrittmotor 3 Die Getriebeart ist flexibel in der Anwendung, hat aber geringe Haltekrfte.geregelter Motor 4 Die Getriebeart ist flexibel in der Anwendung, bentigt eine aufwendige Rege-lung.Piezoaktor mit Regelung 5 Die Getriebeart ist fr schnelle Bewegungen mit sehr kleinem Hub geeignet und flex

38、ibel in der Anwendung.hydraulisch hydraulischer Schritt-motor mit Regelung6 Die Getriebeart ist flexibel in der Anwendung und fr schnelle Bewegungen und groe Krfte geeignet. Bentigt eine sehr aufwendige Regelung, und ein hydrau-lisches Medium muss vorhanden sein. Die Synchronisation mehrerer Bewegun

39、-gen ist sehr aufwendig und nicht sicher.hydraulischer Kolben mit Regelung7 Die Getriebeart ist fr groe Krfte geeignet. Eine Regelung ist erforderlich, und ein hydraulisches Medium muss vorhanden sein.pneumatisch pneumatischer Schritt-motor mit Regelung8 Die Getriebeart ist flexibel in der Anwendung

40、 und fr relativ schnelle Bewegun-gen geeignet. Nachteilig sind die geringen Haltekrfte und die relativ aufwendige Regelung. Druckluft muss vorhanden sein. Eine Synchronisation mehrerer Be-wegungen ist sehr aufwendig und nicht sicher.pneumatischer Kolben mit Steuerung9 Die Getriebeart hat nur geringe

41、 Krfte, bentigt eine einfache Steuerung oder nur Endlagendmpfung (z.B. Federpakete). Druckluft muss vorhanden sein.B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI 2727 Blatt 2 Alle Rechte vorbehalten Vere

42、in Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2016tungsgrenze eines Direktantriebs (z.B. maximalerVerfahrweg (Hub) oder maximale Vorschubkraft)dann unter Umstnden doch noch eine Lsung frdas Bewegungsproblem finden. KostenEin geregelter Linearantrieb kann im Vergleich zueinem einfachen mechanischen Getrieb

43、e, das einevorhandene Bewegung abgreift“, erheblicheKosten verursachen. ZwanglaufDas Vorhandensein von mehr als einem Antrieberfordert beim Zusammenwirken der einzelnenArbeitsorgane ein koordiniertes Bewegen, das voneiner Steuerung mit entsprechenden Sensorenberwacht werden muss. Im Fall einer Strun

44、g(z.B. Stromausfall, Sensordefekt) muss sicherge-stellt werden, dass es nicht zu schwerwiegendenMaschinenschden durch Kollision einzelner Ar-beitsorgane kommt. Dies ist in der Regel immernur mit zustzlichen mechanischen Zwanglaufsi-cherungen zu bewerkstelligen, wobei dies nichtimmer mit vertretbarem

45、 Aufwand mglich ist. Energieverbrauch und WirkungsgradDer groe Nachteil translatorischer Bewegungengegenber rein rotatorischen, fortlaufenden Bewe-gungen ist das stndige Beschleunigen und Ab-bremsen bei der hin- und hergehenden Hubbewe-gung. Sind bei linearen Direktantrieben nur An-schlagdmpfer in d

46、en Umkehrlagen verbaut, sowird zum Teil insbesondere wenn nicht die Pro-zesskrfte, sondern die dynamischen Krfte ber-wiegen die komplette kinetische Energie inWrme umgewandelt. Derzeit ist eine Energie-rckgewinnung nur mit zustzlichem technischenAufwand (z.B. Federn in den Endlagen) bei oftnur sehr

47、schlechten Wirkungsgraden mglich. KrfteBei eher langsamen Hubbewegungen berwiegendie Prozesskrfte, die hufig nur in Teilbereichendes Bewegungsablaufs wirken. Durch Nutzen be-sonderer Getriebestellungen (z.B. Totlagen) kannbei mechanischen Lsungen der Leistungsflussvom Abtrieb zum Antrieb unterbroche

48、n“ wer-den, sodass fr das Aufrechterhalten der Prozess-krfte am Abtrieb nahezu keine Antriebskraftbzw. kein Antriebsmoment notwendig ist. DynamikUm die Leistungsfhigkeit von Maschinen zu stei-gern, wird meist die Taktzeit reduziert, indem dieAntriebsgeschwindigkeit erhht wird. Dadurchsteigen zwangsl

49、ufig die Verfahrgeschwindigkei-ten und bei der unvermeidlichen ungleichmigenBewegungsform einer Hubbewegung die erforder-lichen Beschleunigungswerte. Alle Linear-Direkt-antriebe weisen jedoch begrenzte maximale Ver-fahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungenauf, sodass diese fr hochdynamische Anwendun-gen nicht ohne Weiteres eingesetzt werden kn-nen (z.B. Ventilsteuerung in