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 zwischen der antreibenden und angetriebenen Komponente sind Kniehebelschließeinheiten in Kunststoffspritzgießmaschinen. Die hochdynamischen Verfahrbewegungen und die hohen Kraftwirkungen stehen bei Kniehebelmechanismen in einem direkten funktionellen Zusammenhang. 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 der Kniehebelmechanismen. Die Gelenke unterliegen während der dynamischen Verfahrbewegungen der beweglichen Werkzeugaufspannplatte einer Schwenkbewegung mit variierenden Radialkraftvektoren, welche durch die Trägheit der bewegten Massen beeinflusst werden. Während der Phase des Schließkraftaufbaus resultieren die Radialkräfte ausschließlich aus der Schließkraft und variieren in geringen Winkelbeträgen. Dadurch entstehen hohe Beanspruchungen in den Kontaktbereichen der Bolzengelenke, sodass Beschädigungen der Kontaktflächen und ein frühzeitiger Ausfall der Gelenke 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, werden sowohl die dynamischen (z.B. Geschwindigkeit, Beschleunigung) als auch die strukturmechanischen Eigenschaften (z.B. Vergleichs- und Kontaktspannungen) durch den Einsatz numerischer Analyseverfahren untersucht. Der Fokus liegt auf einem effizienten Einsatz der Simulationsmethoden. Es sollte ein Maximum an Informationen zu den Beanspruchungen in der dynamischen Phase und der Phase des Schließkraftaufbaus durch den gezielten Softwareeinsatz ermittelt werden. Die Ergebnisse der MKS, EMKS und DFEM zeigen in Bezug auf die Verschiebungen und Geschwindigkeiten keine Unterschiede. Eine Abweichung der Beschleunigung ist lediglich bei der DFEM zu beobachten. Eine mögliche Ursache ist die hohe Anzahl der Freiheitsgrade, welche in der Simulation zu berücksichtigen sind. Durch die Berücksichtigung der Elastizität in den Simulationen konnten die Untersuchungen um die Vergleichsspannungen nach v. Mises durch die EMKS und DFEM erweitert werden. Eine Gegenüberstellung der Ergebnisse zeigte, dass die in der EMKS ermittelten v. Mises-Spannungen bei gleichen Randbedingungen in den Modellen größer sind. Durch statische FEM-Analysen konnten jedoch die Beträge der Spannungen des DFEM-Modells verifiziert werden. Weiterhin konnte aus den Ergebnissen der DFEM abgeleitet werden, dass die Kontaktspannungen während des Schließkraftaufbaus signifikant ansteigen, sodass die Gelenkbeanspruchungen während der dynamischen Phase vernachlässigt werden. Die geringe Schwenkbewegung der Hebel führt zu einer Relativbewegung zwischen den Bolzen und den Gelenkbohrungen. Zudem zeigten die Kontaktanalysen hohe und lokale Spannungsgradienten in den Bereichen der Bohrungskanten (Kantenpressung). Eine Verifikation dieser Ergebnisse durch statische FEM-Analysen ermöglichte auch die Identifikation von Spielpassungen als primären Einflussfaktor auf die Spannungsbeträge. Eine Kombination der Relativbewegungen und der hohen lokalen Spannungsgradienten führt zu hohen tribologischen Beanspruchungen. Zusammenfassend können durch den Einsatz der DFEM in Bezug auf die Kontaktstellen die Beanspruchungen umfassend beschrieben werden, jedoch resultieren lange Simulationszeiten. Zur Reduzierung der Kontaktspannungen und der Relativbewegungen 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. Unter dem Aspekt der Gelenkintegration in die Struktur der Referenz-Kniehebelschließeinheit müssen die konstruktiven Abmessungen berücksichtigt werden. Daher wurde zur Entwicklung einer beanspruchungsgerechten Gelenkgeometrie 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. Die Übersetzung des Kniehebelsystems ermöglicht zum einen die Realisierung hoher Prüfkräfte und zum anderen die erforderliche Schwenkbewegung zur Biegung des Festkörpergelenks. 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 Hauptkraftfluss-richtung die Realisierung der Prüfkräfte beeinflusst. Dies ist mit der hohen Nachgiebigkeit in Biegerichtung und der hohen Drucksteifigkeit zu begründen. Es konnte aus den Versuchsauswertungen abgeleitet werden, dass die Wirkmechanismen des Festkörpergelenks prinzipiell zur Realisierung der Schließkräfte in der Referenz-Kniehebelschließeinheit geeignet sind. Bei der Integration der Festkörpergelenke in eine bestehende Kniehebelschließeinheit müssen jedoch durch den Antrieb größere Kräfte bereitgestellt und die Elastizität der mit dem Gelenk verbundenen Komponenten berücksichtigt werden. 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. Unter Berücksichtigung der Einbausituation an einer Schließeinheit wurden mit einer FEM-Analyse die Beanspruchungen des Festkörpergelenks ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass die Bolzen weiterhin hohen lokalen Spannungsgradienten in den Bereichen der Kantenpressung unterliegen. 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