Software KISSsoft pomáhá překonat úskalí při navrhování plastových ozubených kol

Plastové materiály se vyznačují výrazně nižší pevností oproti kovovým materiálům, která je navíc teplotně závislá, nižší tvrdostí a tím i odolností proti kontaktnímu tlaku a opotřebení. Z technologického pohledu je vstřikování plastů méně přesná výrobní metoda zatížená vysokým smrštěním a sklonem k dalším deformacím. Modul pružnosti některých plastů je tak nízký, že deformace jednotlivých zubů pod zátěží způsobují výrazné interference se zuby mimo čáru záběru. Plasty rovněž trpí nasákavostí způsobující další rozměrové změny v provozu. Moderní plasty vhodné pro výrobu ozubených kol některé nevýhody plastových materiálů do jisté míry redukují. Zvláště za posledních několik let se na trh dostala celá řada nových plastů vhodných právě pro výrobu ozubených kol. Nicméně jejich reálné použití komplikují potíže při výpočtech únosnosti.

Příklad šroubového soukolí s optimalizovanou tloušťkou zubu plastového kola.

Výzva pro zkušené konstruktéry

Chce-li konstruktér využít výhodné výrobní ceny plastových kol, musí se s nevýhodami plastových materiálů vypořádat. Nízká pevnost se dá zohlednit náležitě nízkým měrným zatížením. Poměrně vysoká nepřesnost vhodným tolerováním a volbou vhodné velikosti ozubení. Výraznější opotřebení ve formě ztráty objemu materiálu je možné zahrnout do návrhu ozubení a s průběhem opotřebení efektivně počítat. Toto vše ale konstruktér musí předem zanalyzovat, navrhnout a výpočetně zkontrolovat.

Největší problém při návrhu plastových ozubených kol spočívá v pevnostním a životnostním výpočtu. Pevnostní kontrola kovových a zejména ocelových kol je v dnešní době poměrně dobře zvládnutá a lze k tomuto účelu volit z mnoha uznávaných standardů. Zejména se jedná o mezinárodní normu ISO 6336 a její národní klony jako příkladně DIN 3990, o americký standard AGMA a o normy specializované pro jednotlivá průmyslová odvětví (API, DNV).

Porovnání Wöhlerovy křivky pro ocelový materiál se svazkem křivek pro plast.

V konstrukční práci je ovšem prakticky nemožné tyto standardy použít pro plastová ozubená kola. Tento fakt je způsoben výrazně odlišným mechanickým chováním plastů. Zmíněné pevnostní výpočty pracují na principu celé řady součinitelů které významně ovlivňují výpočtové zatížení ozubení. Mnohé součinitele však u plastových materiálů postrádají opodstatnění, nebo jsou naopak nedostatečně definované svým předpokládaným rozsahem hodnot. Druhým zásadním problémem je, že pevnostní výpočty ozubení pracují se svými vlastními mechanickými hodnotami pro každý materiál. Jedná se zejména o pevnost v patě zubu a na boku zubu. Tyto hodnoty se nedají odvodit z běžných mechanických vlastností a je třeba pro každý materiál provádět speciální zkoušky. Komplikace však jdou ještě hlouběji. Jak již bylo zmíněno, mechanické vlastnosti plastových materiálů se mění s provozní teplotou. Je tedy nutné provést celou řadu zkoušek v požadovaném intervalu teplot. Pokud se na trhu objeví nový materiál, je nutné jej podrobit náročným a zdlouhavým zkouškám, než je možné s tímto materiálem provádět pevnostní výpočet ozubení. Navíc je pevnostní výpočet ozubení ve své podstatě únavový výpočet a únavové chování plastů je od kovových materiálů odlišné. Odlišná struktura pevnostních charakteristik však natolik komplikuje použití běžných norem pro pevnostní výpočet, že jsou prakticky téměř nepoužitelné. Tato situace vedla k vytvoření specializovaných výpočtových norem pro plastové ozubení. V současnosti jsou platné normy VDI 2736 z roku 2014 a JIS B 1759 vydaná v roce 2013.

Největší problém při návrhu spočívá v pevnostním a životnostním výpočtu.

Výpočty podpořené databází

Provádění pevnostních výpočtů ozubených kol dnes vyžaduje specializovaný software, který je schopen v normách popsaný postup reprodukovat. Kdo kdy zkusil podobný výpočet vytvořit příkladně v tabulkovém procesoru nebo jej i naprogramovat, ví, že se nejedná o zcela triviální záležitost, a některé koeficienty je možné spočítat jen při použití složitých postupů, nebo dalších výpočetních programů.

Komplexní řešení nabízí software KISSsoft, který je po léta etalonem výpočtu ozubených kol a poměrně hluboce se věnuje i výpočtu plastových ozubených kol. Zásadní devizou KISSsoftu je jeho rozsáhlá databáze obsahující vše potřebné pro daný výpočet. V případě plastových materiálů je takováto databáze dvojnásob důležitá, jak bylo popsáno výše. Provádění materiálových zkoušek je finančně nákladné a uvedení nových materiálů v etablovaném výpočtovém softwaru je výbornou vstupní branou na trh. Na druhou stranu je výpočtový software bez databáze materiálových hodnot téměř k ničemu. KISSsoft proto úzce spolupracuje s hlavními výrobci materiálů, jako jsou například Du-Pont, Lehmann & Voss, Solvay nebo SABIC. KISSssoft nabízí také nástroj Plastics Manager, který slouží pro vytvoření potřebných databázových záznamů na základě uživatelem provedených zkoušek materiálů, což vzhledem ke složitosti měřených dat neznamená jen běžnou editaci databáze, ale vytvoření komplexních závislostí.

Vypočtený úbytek materiálu kola.

Plastové prvky se složitými tvary

V KISSsoftu lze velmi snadno vytvářet nestandardní tvary zubů. Právě plastová kola jsou oblastí, kde se tato schopnost využívá nejčastěji. Proces vstřikování neomezuje výrobce kinematikou obráběcího procesu a výsledné tvary mohou působit až nepřirozeně, jak je vidět na obrázku šroubového soukolí. Takový tvar ozubení však není samoúčelný a umožňuje plastovému kolu ztratit až polovinu tloušťky zubu při provozu, aniž by byla omezena spolehlivost. Analýza kontaktu boku zubu pod zatížením umožňuje iteračně předpovědět průběh úbytku materiálu v čase. Mezi užitečné nástroje patří i výpočet radiálního smrštění, úprava profilu pro drátořez a analýza osové vzdálenosti, při které je studován vliv tolerancí, rozsahu teplot, materiálu a nasákavosti na nebezpečí vzpříčení ozubení a poklesu trvání záběru. Náročnost této problematiky může potenciální zájemce o využití plastových ozubených kol zprvu odrazovat, navzdory benefitům, jež přinášejí. Pro zpracování jejich návrhu a ověření proto může být zpočátku lepší obrátit se na specialisty, jako je společnost Gear Design, kteří již celou problematiku zvládají a dokážou přinést jak efektivní řešení, tak vlastní know-how, umožňující maximálně těžit z funkcí softwaru KISSsoft.