VDI 2731 Blatt 1-2009 Micro gears - Basic principles.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREMikrogetriebeGrundlagenMicrogearsBasic principlesVDI 2731Blatt 1 / Part 1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI-Handbuch Getriebetechnik II: Gleichfrmig bersetzte GetriebeVDI-RICHTLINIENVervielfltigung auch fr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction ev

2、en for internal use not permittedICS 21.200April 2009Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Normative Verweise . . . . . . . . . . . . . . 33Begriffe . . . . . . . . . .

3、 . . . . . . . . . . . 44 Formelzeichen und Abkrzungen . . . . . . . 75 Grundlagen zu Betrieb und Umfeld . . . . . . 85.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . 85.2 Geometrische Randbedingungen . . . . . . 105.3 Leistungsrandbedingungen . . . . . . . . . 115.4 Funktionsrelevante Randbedingunge

4、n . . . 125.5 Mikrogetriebespezifische Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 126 Herstellung und Werkstoffe . . . . . . . . . . 136.1 Zuordnung Fertigungsverfahren Werkstoffgruppen Losgren . . . . . . . 146.2 Werkstoffgruppen . . . . . . . . . . . . . . 146.3 Fertigungsverfahren . . . . . . .

5、. . . . . . 167 Berechnung und Konstruktion. . . . . . . . . 347.1 Mikrospezifische Aspekte bei der Auslegung des Getriebes . . . . . . . . . . 347.2 Verzahnung, Zahnform und Toleranzen. . . 357.3 Geometrische Auslegung . . . . . . . . . . 367.4 Festigkeitsnachweis von Mikrozahnrdern . 367.5 Weitere

6、 Elemente und sonstige Einfluss-gren bei der Auslegung . . . . . . . . . . 418 Systemaufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . 448.1 Automatisierungstechnik und Montage. . . 448.2 Verbindungstechnik . . . . . . . . . . . . . 45Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introd

7、uction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Normative references . . . . . . . . . . . . . 33 Terms and definitions . . . . . . . . . . . . . 44 Symbols and abbreviations . . . . . . . . . . 75 Fundamentals of operation and theoperational en

8、vironment. . . . . . . . . . . . 85.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . 85.2 Geometric constraints. . . . . . . . . . . . 105.3 Performance constraints . . . . . . . . . . 115.4 Functionally relevant constraints . . . . . . 125.5 Microgear-specific constraints . . . . . . . 126 Manufactu

9、ring and materials . . . . . . . . . 136.1 Allocation of manufacturing process groups of materials batch sizes . . . . . . 146.2 Groups of materials. . . . . . . . . . . . . 146.3 Manufacturing processes . . . . . . . . . . 167 Analysis and design . . . . . . . . . . . . . . 347.1 Microscale-specifi

10、c aspects of gear design . . . . . . . . . . . . . . . . . 347.2 Tooth system, tooth shape, and tolerances . 357.3 Geometric design . . . . . . . . . . . . . . 367.4 Strength analysis of microgear wheels . . . 367.5 Further elements and other influencing variables in the design . . . . . . . . . . .

11、 418 System structure . . . . . . . . . . . . . . . . 448.1 Automation and assembly . . . . . . . . . 448.2 Connection technology . . . . . . . . . . . 45Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be

12、 given with respect to the English trans-lation. Frhere Ausgabe:01.08Entwurf,deutschFormeredition: 01/08 Draft, inGermanonlyVDI-Gesellschaft Entwicklung Konstruktion VertriebAusschuss A222Zu beziehen durch / Available atBeuth VerlagGmbH, 10772 Berlin AlleRechte vorbehalten / Allrights reserved Verei

13、nDeutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf2009B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 2 VDI 2731 Blatt 1 / Part 1Seite9 Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489.1 Mikrospezifische Bauteilprfver

14、fahren. . . 489.2 Funktionsgruppenprfung . . . . . . . . . 489.3 Systemprfung . . . . . . . . . . . . . . . 49Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Re

15、chte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in

16、 denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungZum Themengebiet Mikrogetriebe existiert kein all-gemein zusammenfassendes Werk in der Fachlitera-tur. Der VDI-Richtlinienausschuss A222 hat sich da-her z

17、um Ziel gesetzt, die Grundlagen zu Entwick-lung, Auslegung, Herstellung und Nutzung von Mi-krogetrieben in Form einer Richtlinie bereitzustellen.Die klassische Anwendung fr fein- und mikrotechni-sche Getriebe findet sich seit vielen Jahren in derUhrenindustrie. Dort werden jhrlich ber 10 Milliar-den

18、 Verzahnungsteile im Modulbereich m 0,3mmverbaut 1. Daneben entwickeln sich in den letztenJahren Anwendungen in immer kleineren Baugrenzur Bewegungsbertragung und zum Antrieb in vie-lerlei Bereichen des tglichen Lebens, der Automo-biltechnik, des Maschinenbaus, der Flugzeug- undRaumfahrtindustrie, d

19、er Medizintechnik und der Ro-botik. Die steigende Nachfrage nach Produkten derMikroantriebstechnik deutet auf eine prosperierendeZukunft fr diesen Industriezweig hin. Mit zuneh-mender Miniaturisierung steigen aber auch die Anfor-derungen derartiger Antriebselemente hinsichtlich ih-rer Herstellbarkei

20、t und Funktionalitten wie Leis-tungsdichte, Laufruhe, Positioniergenauigkeit oderLebensdauer. In den meisten Anwendungen werdenMikromotoren zur Erfllung dieser Anforderungenmit Mikrogetrieben gekoppelt und schaffen damit erstdie Voraussetzung fr eine groe Anwendungsband-Page9 Validation . . . . . .

21、. . . . . . . . . . . . . . 489.1 Microspecific component testing methods. 489.2 Function group check . . . . . . . . . . . 489.3 System testing . . . . . . . . . . . . . . . 49Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Preliminary noteThe content of this guideline has been developed ins

22、trict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text or of extracts.The use of this guideline

23、without infringement of cop-yright is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de).We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.IntroductionNo works providing a general synoptic treatment ofthe topic of microge

24、ars can be found in the specialistliterature. For this reason VDI Guidelines CommitteeA222 has set itself the task of providing the basicprinciples of microgear development, design, fabrica-tion, and utilization in the form of a guideline.For many years the classic application for precision-and micr

25、o-engineered gears has been the watch- andclock-making industry. Here more than 10 thousandmillion toothed parts in the m 0,3 mm module rangeare installed every year 1. In addition, recent yearshave seen motion-transmission and drive applicationsin ever smaller sizes in many areas of daily life, in

26、au-tomotive engineering, in mechanical engineering, inthe aerospace industry, in medical technology, and inrobotics. The growing demand for microdrive prod-ucts presages a prosperous future for this branch ofindustry. Increasing miniaturization does, however,also mean greater demands posed by this k

27、ind ofdrive element with regard to their manufacturabilityand functionalities such as power density, runningsmoothness, positioning accuracy, or service life. Inmost applications micromotors are coupled to micro-gear systems to meet these requirements, thereby forthe first time making possible a wid

28、e range of appli-cations, for example, with regard to speeds, torques,or installation space. In contrast to the establishedB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 VDI 2731 Blatt 1 / Part 1 3 breite, z.B.

29、 hinsichtlich der Drehzahlen, der Drehmo-mente oder des Bauraums. Im Gegensatz zu den eta-blierten Getriebe- und Verzahnungsnormen fr Ge-triebe und Zahnrder des Allgemeinen Maschinen-baus fehlen fr Mikrogetriebe bisher systematisch er-fasste empirische Daten zur Tolerierung und Dimen-sionierung. Die

30、 Richtlinie bezieht sich explizit aufGetriebe, das heit, neben der Verzahnung gibt dieRichtlinie auch Hinweise auf die Gestaltung von Ge-husen, Welle-Nabe-Verbindungen, Lager etc.1 AnwendungsbereichIn dieser Richtlinie wird dem steigenden Bedarf anInformationen ber Mikrogetriebe Rechnung getra-gen.

31、Zielgruppe sind die Anwender von Mikrogetrie-ben. Die vorliegende Richtlinie versteht sich somitals Dachrichtlinie, die aus Erkenntnissen der Grund-lagenforschung und der angewandten Forschung so-wie anhand von Beispielen kommerziell erhltlicherMikrogetriebe erstmalig verallgemeinerbare Aspekteder E

32、ntwicklung, Konstruktion und Herstellung bishin zum Einsatz von Mikrogetrieben zusammenfasst.Die Richtlinie soll den Einstieg in die Mikroantriebs-technik erleichtern und die derzeitigen Grenzen ge-rade in der Herstellbarkeit aufzeigen. Sie stellt einenGrundstock an Informationen dar und soll zum Di

33、s-kurs und langfristig zur Ergnzung anregen.2 Normative Verweise /Normative referencesDie folgenden zitierten Dokumente sind fr die An-wendung dieser Richtlinie erforderlich: / The following referenced documents are indispensa-ble for the application of this guideline:DIN 868:1976-12 Allgemeine Begr

34、iffe und Bestim-mungsgren fr Zahnrder, Zahnradpaare undZahnradgetriebe (General definitions and specifi-cation factors for gears, gear pairs and gear trains)DIN 3961:1978-08 Toleranzen fr Stirnradverzah-nungen; Grundlagen (Tolerances for cylindricalgear teeth; Bases)DIN 3967:1978-08 Getriebe-Passsys

35、tem; Flanken-spiel, Zahndickenabmae, Zahndickentoleranzen,Grundlagen (System of gear fits; Backlash, tooththickness allowances, tooth thickness tolerances;Principles)DIN 3990 (alle Teile / all parts) Tragfhigkeitsbe-rechnung von Stirnrdern (Calculation of load ca-pacity of cylindrical gears)DIN 5840

36、0:1984-06 Bezugsprofil fr Evolventen-verzahnungen an Stirnrdern fr die Feinwerk-technik (Basic rack for involute teeth of cylindricalgears for fine mechanics)DIN 58405 (alle Teile / all parts) Stirnradgetriebeder Feinwerktechnik (Spur gear drives for fine me-chanics)DIN EN ISO 14644 (alle Teile / al

37、l parts) Reinrumeund zugehrige Reinraumbereiche (ISO 14 644);Deutsche Fassung EN ISO 14 644 (Cleanroom andassociated controlled environments (ISO 14644);German version EN ISO 14644)ISO 6336 (alle Teile / all parts) Calculation of loadcapacity of spur and helical gears (Tragfhigkeits-berechnung von g

38、erad- und schrgverzahntenStirnrdern)VDI 2083 (alle Teile / all parts) Reinraumtechnik(Cleanroom technology)VDI 2545:1981-01 Zahnrder aus thermoplastischenKunststoffen (Gear wheels made from thermoplas-tics). Zurckgezogen / Withdrawn 1996-09, wie-der in Bearbeitung / again in preparationgear and toot

39、h system standards for the transmissionsand gear wheels used in general mechanical engi-neering, so far no systematically collected empiricaldata on tolerancing and dimensioning have becomeavailable for microgears. This guideline deals explic-itly with gear systems in other words, in addition totoot

40、h systems the guideline also provides informationabout the design of housings, shaft-hub connections,bearings, and so on.1ScopeThe present guideline seeks to satisfy the increasingneed for information about microgears and is aimedat the users of microgears. It should therefore be un-derstood as an “

41、umbrella guideline” which, drawingon the findings of research into basic principles andapplied research, and also making use of examples ofcommercially available microgears, brings togetherfor the first time generalizable aspects of develop-ment, design, and fabrication as well as the actual useof m

42、icrogears. The guideline should render access tomicrodrive technology easier and indicate currentlimits, particularly in manufacturability. It is intendedto form a basic pool of information and to stimulatediscussion, and also, in the longer term, expansion.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF

43、8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2009 4 VDI 2731 Blatt 1 / Part 13BegriffeFr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die fol-genden Begriffe:Getriebearten und -bauformenAls bisher realisierte Getriebe sind in der Mehrzahlsolche mit Geradver

44、zahnung bekannt, sodass dieRichtlinie auf dem Leitbeispiel eines geradverzahn-ten Stirnradgetriebes aufbaut und einzelne spezifi-sche Abwandlungen mit ihren zugehrigen mikro-spezifischen Randbedingungen an geeigneter Stellebenennt. Drei Anwendungsbeispiele fr verschie-dene Mikrogetriebe zeigt Tabell

45、e 1.Durch die Dimension, in die man mit Mikrogetriebenvorstt, ergeben sich keine neuen, von aus der her-kmmlichen Getriebe- und Verzahnungslehre be-kannten Getrieben abweichenden Getriebearten undGetriebebauformen.3 Terms and definitionsFor the purposes of this guideline, the followingterms and defi

46、nitions apply:Gear types and designsThe majority of gears so far actually created are thosewith straight-cut toothing: The guideline will there-fore be based on the central example of a straight-toothed spur gears while individual specific deriva-tions of this, together with the corresponding micro-

47、specific constraints, will be dealt with at the appropri-ate locations. Three examples of application fordifferent microgears are shown in Table 1.The scale of dimensions being newly accessed withmicrogears is not leading to the emergence of anynew gear types or gear designs which depart fromthose k

48、nown from conventional engineering kinemat-ics or gear design theory.Tabelle 1. Beispiele fr MikrogetriebeTable 1. Examples of microgearsa) Planetengetriebe b) Messgetriebe c) Micro-Harmonic-Drive-GetriebePlaneten und Sonne eines im Mikro-montagespritzguss hergestellten PlanetenradsatzesQuelle: Oech

49、sler AG, AnsbachMessgetriebe mit einer Kombinationmehrerer Schraub- und Stirnradstufen (Kunststoffspritzguss)Quelle: Horst Scholz GmbH ausschlaggebend ist im End-effekt allerdings die Funktionalitt des Mikrogetrie-bes.6 Manufacturing and materialsIn microengineering the four factors of design, man-ufacturing process, material, and batch size areclosely interlinked. This means that when one is se-lected, the other factors have to always be taken intoconsideration as well.Very specif