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Optimierung hochbelasteter Gelenke in ungleichmäßig übersetzenden Mechanismen am Beispiel von Kniehebelschließeinheiten

Gronhoff, Burkhard

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.

Uneven mechanisms are used in a plurality of applications in which the transmission of motion or force is required. For instance, a common application of such a mechanism with a high non-linear transmission between the driving and driven component is a toggle-clamping unit of injec-tion molding machines. Toggle lever mechanism possess a direct functional correlation between the high dynamic movements during the closing procedure and the high force effect. In comparison with other mechanisms the operating principle for the force reproduction of these mechanisms is especially occur during the transition in the stretched position. However, highly dynamic motions and mass inertia of the movable platen lead to high loads and an oscillating movement of toggle joints having differential (variable) radial force vectors. In contrast to that, during the build-up phase of the clamping force generation radial forces are solely caused by the clamping force and vary by small angle values. As a result, the magnitude of these radial forces induce high stresses in the contact area of the bolt joints as well as exhibit the capability of contact surfaces damage. As one probable consequence, functionality and service life of joints are reduced. Based on a 5-point double-toggle clamping unit as a reference the fundamental optimization approaches for the load-conformable design were identified. In order to describe the stresses basically, the dynamic properties (e.g. velocity, acceleration) as well as the structural properties (von Mises stresses and contact pressure) are investigated by the use of numerical simulation methods. The focus is on the efficient use of simulation methods. A maximum of information to the stresses of the dynamic phase and the build-up phase of the clamping force shall be investigated by using specific software applications. The results from the multi-body simulation (MBS), flexible multi-body simulation (FMBS) and the dynamic finite-element-method (DFEM) show in reference to the velocity and displacement no differences. A deviation of acceleration is observed in the results of the DFEM. A possible reason is the high number of degrees of freedom which have to be considered in the simulation. By considering the elasticity in the simulations the investigations could be extended to the von Mises stresses by using the FMBS and DFEM. A comparison of the results under same boundary condition showed that the value of the von Mises stresses in the FMBS is higher. The verification of the stress values could be verified for the DFEM by static FEM-analysis. Furthermore, the results of the DFEM show that the contact pressure increases significantly during the build-up phase of the clamping force. Therefore, the dynamic phase of the closing procedure is not taken into account in the optimization approaches. The small pivoting movement of the toggle results in a relative movement between the bolt and joint bores. In addition, the contact analysis showed high and local stresses in the areas of the bore edge (edge pressure). A verification of the results of the FEM-analysis enabled the identification of clearance fits as a primary factor on the stress values. The combination of relative movements and high local stress gradients lead to high tribological stresses. By using the DFEM, the stresses in the contact areas can be described comprehensively but significantly longer simulation times are the result. For the reduction of the contact pressure and the relative movement, a joint geometry has been developed which consider the requirements for the kinematic phase as well as the build-up phase of the clamping force. This joint geometry is designed as a flexure hinge and enable the mechanical separation of the closing procedure into the dynamic phase and the build-up phase of the clamping force by using additional contact surfaces. The change of these phases is realized by blocking the bolt rotation to the additional contact surfaces. An integration of the new joint geometry in the structure of the reference toggle clamping unit does not require any additional adaption of the design dimensions. Therefore, a computer-aided topology optimization was used to develop a load-conformable joint geometry. The bending of the flexure hinge allows the elastic build-up phase of the clamping force by the movement of the crosshead. High stresses in the components of the toggle mechanism are the result of the elastic build-up phase of the clamping force. Modifications of the simulation model allowed the definition of an investigation area for the optimization of the parameters which describe the geometry and finally to determine joint design. The manufacture of the joint geometry enable the experimental evaluation of the effect mechanisms. Further optimization approaches focus on high and local stress gradients on the bolts in areas of edge pressure. Especially in these areas the bolt contour are described by geometric parameters. A load-conformable bolt design has been developed by using the computer-aided parameter optimization. Regarding the contact pressure, a comparison of the optimized and the cylindrical bolt geometry showed a significant effect of improvement. However, a higher bending of the bolts and thus an increase of the von Mises stresses are the result of the local reduction of the bolt diameter. For the experimental verification of the effect mechanisms of the flexure hinge, a testing device was developed. By a servo-hydraulic linear cylinder a defined force is applied to a toggle system. The high test loads and the required oscillating movement to bend the flexure hinge are realized by the transmission of the toggle system. The monitoring of the stresses on the test specimen was done based on measurement by using strain gauges. An influence on the realization of the test loads has the orientation of the specimen to the main force direction. This was confirm by the analysis of the measurement data. The reason is the high resilience in the bending direc-tion and compressive stiffness. In principle, the effect mechanisms of the flexure hinges are suitable for the realization of the clamping forces in the reference toggle clamping unit. This is shown by the experimental evaluation. However, under consideration of the integration in the reference toggle clamping unit a higher force must be realized by the crosshead and the elasticity of the connected components have to be considered. In order to reduce the contact pressure on the bolt joints in a clamping unit during the build-up phase of the clamping force, a new concept for a clamping unit was developed. The aim was to use flexure hinges for the elastic build-up phase of the clamping force taking into account low stress levels in the components of the clamping unit. For that purpose, two parametric models of flexure hinges were developed. By using the parameter optimization, the flexure hinges were optimized regarding the build-up phase of the clamping force and low stress levels. Under consideration of the installation situation in a clamping unit, the stresses in the flexure hinges were determined by the FEM-analysis. It was shown in the analysis results that the bolts remain subjected to high local stress gradients in the areas of edge pressure. Based on this results a positive-locking connection without the use of bolts in clamping units was realized by structural development. A final FEM-analysis showed that the connection enabled the elastic build-up phase exhibiting a lower stress level in the contact areas and in the areas of the flexure hinges.

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Gronhoff, Burkhard: Optimierung hochbelasteter Gelenke in ungleichmäßig übersetzenden Mechanismen am Beispiel von Kniehebelschließeinheiten. 2015.

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