Raziskovalni projekti so (so)financirani s strani Javne agencije za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
- Članica UL: UL Fakulteta za strojništvo
- Šifra projekta: Z2-3207
- Vodja projekta: dr. Damijan Zorko
- Veda: Tehnika
- SICRIS: Hitra karakterizacija dinamične korenske trdnosti polimernih zobnikov (cobiss.net)
Vsebinski opis projekta
Raziskovalni projekt je bil osredotočen na študijo zmogljivosti polimernih zobnikov, predvsem področja njihove korenske trdnosti. Struktura projekta je bila smiselno organizirana v šest delovnih paketov. Prvi delovni paket je bil namenjen učinkovitemu vodenju projekta in je zajemal aktivnosti vodenja, komunikacije, kontrole rezultatov in projektne kontrole. Štirje delovni paketi so bili namenjeni delu na postavljenih raziskovalnih hipotezah in so zajemali aktivnosti potrebne za ugotavljanje pravilnosti postavljenih hipotez. Šesti delovni paket pa je bil namenjen diseminaciji rezultatov in je zajemal potrebne aktivnosti za predstavitev rezultatov zainteresirani strokovni javnosti. Raziskovalne aktivnosti so potekale v okviru štirih postavljenih raziskovalnih hipotez:Raziskovalne aktivnosti so potekale v okviru štirih postavljenih raziskovalnih hipotez:
Hipoteza 1: S cikličnim upogibnim obremenjevanjem preizkušanca enostavne oblike je možno določiti dinamično trdnost polimernega materiala, ki se jo lahko uporabi za določanje dopustne napetosti pri kontroli korenske trdnosti polimernega zobnika.
Hipoteza 2: S kombinacijo hitrega (100 – 150 Hz) cikličnega upogibnega obremenjevanja preizkušanca enostavne oblike in ustrezne kontrole temperature preizkušanca je možno pospešiti test za določanje dinamične trdnosti polimernega materiala. Tako določeno dinamično trdnost je možno uporabiti za določevanje dopustne korenske napetosti polimernega zobnika.
Cilj hipotez 1 in 2 je razvoj novih, hitrejših, enostavnejših, cenejših in energetsko učinkovitejših metod za karakterizacijo dinamične trdnosti polimernih materialov, katero bo možno uporabiti za določanje dopustne korenske obremenitve polimernega zobnika.
Hipoteza 3: Stopnja kristaliničnosti polimernega materiala ima dvojen vpliv na korensko trdnost polimernega zobnika. Z boljšim obvladovanjem procesa brizganja dosegamo večjo stopnjo kristaliničnosti, kar vodi do natančnejše geometrije in zmanjšanja koncentracije korenskih napetosti. Večja kristaliničnost vpliva tudi na povečanje dinamične trdnosti polimernega materiala.
Cilj ugotavljanja veljavnosti hipoteze 3 je karakterizacija vpliva kristaliničnosti na korensko trdnost polimernih zobnikov. Ovrednoten bo vpliv izdelovalne natančnosti zobnika in posledična koncentracijo napetosti, ki se pojavi zaradi neenakomerne porazdeljene obremenitve med zobmi in po širini zoba.
Hipoteza 4: Boljše razumevanje cikličnega utrujanja materiala v korenu zoba lahko pripomore k optimizaciji polimernih zobniških dvojic. Vpliv začetne geometrije razpoke, lokacije in orientacije razpoke, obremenitev in materiala vpliva na hitrost rasti razpoke in s tem na življenjsko dobo polimernega zobnika.
Cilj dela na hipotezi 4 je formulacija novega modela, ki bo ustrezno popisal fazo nukleacije razpoke in fazo rasti razpoke, ter bo omogočal natančnejše napovedovanje življenjske dobe polimernih zobnikov glede na kriterij korenske trdnosti.
Rezultati dela na zastavljenih hipotezah so doprinesli k boljšemu poznavanju procesa ubiranja polimernih zobnikov. Z boljšim poznavanjem zmogljivosti materiala in natančnejšim modelom za napovedovanje odpovedi bo mogoča boljša izkoriščenost materiala. Rezultati bodo tako imeli pomemben doprinos k okoljski in ekonomski vzdržnosti. Rezultate projekta bo možno aplicirati kot dopolnitev priporočila VDI 2736 ali kasnejšega standarda pod okriljem ISO organizacije.
ANG:
The research activities within the project were focused on the performance study of polymer gears, especially on their root strength performance. The structure of the project was sensibly organized into six work packages. The first work package was intended for effective project management and included required management activities. Four work packages were dedicated to work on the set research hypotheses. The sixth work package was intended for the dissemination of the results and included the necessary activities for the presentation of the results to the interested professional public. The research activities took place within the framework of four set research hypotheses:
Hypothesis 1: By cyclic bending loading of a test specimen of a simple shape, it is possible to determine the fatigue strength of the polymer material, which can be used to determine the allowable stress in controlling the root strength of the polymer gear.
Hypothesis 2: By combining rapid (100 – 150 Hz) cyclic bending loading of a test specimen of simple shape and adequate temperature control of the test specimen, it is possible to speed up the test for determining the fatigue strength of a polymer material. The fatigue strength determined in this way can be used to determine the permissible root stress of the polymer gear.
The goal of hypotheses 1 and 2 was the development of new, faster, simpler, cheaper and more energy-efficient methods for characterizing the fatigue strength of polymer materials, which could be used to determine the permissible root load of a polymer gear.
Hypothesis 3: The degree of crystallinity of the polymer material has a dual effect on the root strength of the polymer gear. By better controlling the injection molding process, a higher degree of crystallinity can be achieved, which leads to a more precise geometry and a reduction in the stress concentration. Higher crystallinity also increases the fatigue strength of the polymer material.
The goal of determining the validity of hypothesis 3 is to characterize the influence of crystallinity on the root strength of polymer gears. The influence of the manufacturing accuracy of the gear and the resulting stress concentration that occurs due to the unevenly distributed load between the teeth and across the width of the tooth will be evaluated.
Hypothesis 4: A better understanding of the cyclic fatigue load on the material in the root of the tooth can help to further optimize polymer gear pairs. The influence of the initial crack geometry, the location and orientation of the crack, the loads and the material affect the rate of crack growth and thus the service life of the polymer gear.
The goal of the work on hypothesis 4 is the formulation of a new model that will adequately describe the crack nucleation phase and the crack growth phase, and will enable a more accurate prediction of the service life of polymer gears based on the root strength criterion.
The results of the work on the established hypotheses contributed to an upgraded body of knowledge on the performance of polymer gears. Better understanding of the material’s performance and an accurate failure prediction model, lead to optimized polymer gears design. Material utilization and product reliability will be improved. The results of the project will thus have an important contribution to environmental and economic sustainability. The findings will be applied as a supplement to the VDI 2736 polymer gear design guideline and a in international standard planned to be issued in the near future.
Faze projekta in opis njihove realizacije
WP2: Hipoteza 1 (Določevanje dopustne korenske napetosti s cikličnim upogibnim preizkusom) – ocena stopnje uresničitve: 100%
Izvedeni so bili referenčni preizkusi z zobniškimi dvojicami. Testirani so bili vzorci izdelani iz različnih polimernih materialov (POM, PA 66, PEEK). Vzorci so bili izdelani s postopkom odrezavanja in v povezavi z delom na hipotezi 3 s postopkom injekcijskega brizganja. Za ugotavljanje vpliva ojačitvenih vlaken je bil izdelan namenski kompozitni material (epoksi matrica + tkanina iz ogljikovih vlaken). Tipi poškodb testiranih vzorcev so bili podrobno analizirani s pomočjo digitalnega in elektronskega mikroskopa. Pripravljeni in verificirani so bili numerični modeli za simulacijo ubiranja zobniške dvojice in simulacijo upogiba enostavnega preizkušanca. S tehnologijo odrezavanja so bili izdelani enostavni vzorci za izvajanje cikličnih upogibnih preizkusov. Uporabljena materiala sta bila POM in PA 66. Opravljeni so bili preizkusi s cikličnim upogibnim obremenjevanjem preizkušancev, najprej pri hitrostih obremenjevanja 20-25 Hz. Ugotovljena korelacija med rezultati zobniškega testa in testa z enostavnim preizkušancem je bila znotraj 30 % življenjske dobe. Razloge za razlike gre iskati predvsem v dejstvu, da se korenska razpoka na zobniku ne pojavi vedno na istem mestu in ni enako orientirana, od tega pa je odvisna tudi nadaljnja rast razpoke in čas do končne odpovedi (hipoteza 4). Napetost v testiranih vzorcih, tako zobnikih, kot vzorcih za upogibni test, je bila izračunana z uporabo numerične simulacije z metodo končnih elementov. Medtem ko je napetost v upogibnem vzorcu možno zelo natančno izračunati, se dejanska napetost ki se pojavi v zobniku lahko nekoliko razlikuje od izračunane (vpliv deformacije zob in povečane profilne stopnje prekritja).
WP3: Hipoteza 2 (Hitro določevanje dopustne korenske napetosti) – ocena stopnje uresničitve: 100%
Kot nadaljevanje raziskovalnega dela izvedenega v sklopu aktivnosti za ugotavljanje veljavnosti hipoteze 1 so bili izvedeni testi s cikličnim upogibanjem s hitrostjo obremenjevanja do 150 Hz. Pri testih s hitrostjo obremenjevanje je bila tudi pri hitrejšem obremenjevanju vzorca ugotovljena korelacija med rezultati zobniškega testa in upogibnim testom z enostavnim preizkušancem. Razlike povprečne življenjske dobe ugotovljene z enim in drugim tipom testa so bile so bile znotraj 35 %. Razloge za razlike gre iskati v enakih vplivih kot so že bili ugotovljeni pri hipotezi 1 iskati, dodatno vpliva na rezultat tudi hitrost obremenjevanja in temperatura vzorca.
WP4: Hipoteza 3 (Vpliv kristaliničnosti na korensko trdnost polimernih zobnikov) – ocena stopnje uresničitve: 100%
S pomočjo metode načrtovanja eksperimentov so bili izdelani vzorci z uporabo 29 različnih kombinacij parametrov, kar je posledično vodilo da različnih stopenj kristaliničnosti in različne natančnosti geometrije brizganih vzorcev. Pri analizi izvedenih meritev kristaliničnosti in natančnosti geometrije injekcijsko brizganih vzorcev med njima ni bilo možno najti korelacije. Ne glede na to pa je bila ugotovljena korelacija med posameznimi brizgalnimi parametri in natančnostjo geometrije. S kombinacijo numeričnih in eksperimentalnih metod je bil analiziran vpliv odstopanja geometrije v posameznem kakovostnem razredu (med Q8 in Q12 po ISO 1328), na termični in mehanski odziv polimernega zobnika. Analizirane so bile kombinacije zobnikov POM/POM in POM/PA66. Ugotovili smo, da se pri nižjih obremenitvah zobje manj prilagodijo, kar posledično vodi do večje koncentracije napetosti. Ugotovljena razlika med vplivom odstopanj geometrije v razredu Q8 in Q12 je bila velikosti 100%. V primeru večjih obremenitev (na zgornji meji dopustnih napetosti) se zaradi majhnih elastičnih modulov polimernih materialov in posledične elastične deformacije zob ta razlika precej zmanjša, tukaj je bila razlika med vplivom razredov Q8 in Q12 velikosti 20%.
WP5: Hipoteza 4 (Model za napovedovanje življenjske dobe glede na kriterij korenske trdnosti) – ocena stopnje uresničitve: 100%
Formuliran je bil termo-elasto-plastični konstitucijski model za napovedovanje nastanka razpoke. Elastični del mehanskega odziva je popisan s Hookovim zakonom, medtem ko je za popis plastičnega dela uporabljen Johnson-Cook-ov model. Za napovedovanje odpovedi kot posledice cikličnega utrujanja je trenutno uporabljen Brown-Millerjev model, ki upošteva večosno napetostno stanje. Rezultati napovedovanja življenjske dobe so bili primerjani z rezultati testiranja referenčnih zobniških dvojic in ugotovljeno je bilo dobro ujemanje. Z namenom študije faze rasti razpoke je bil formuliran nov numerični model, ki je omogočal simulacijo rasti razpoke v korenu zoba. Z uporabo numeričnega modela je bil analiziran vpliv velikosti, pozicije in orientacije razpoke na preostalo življenjsko dobo zobnika, po tem ko je začetna razpoka v korenu že formirana.
Bibliografske reference
1. ZORKO, Damijan, WEI, Peitang, VUKAŠINOVIĆ, Nikola. The effect of gear-manufacturing quality on the mechanical and thermal responses of a polymer-gear pair. Journal of computational design and engineering. Feb. 2024, vol. 11, iss. 1, str. 195-211, ilustr. ISSN 2288-5048. https://academic.oup.com/jcde/article/11/1/195/7589742, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=154566, DOI: 10.1093/jcde/qwae010. [COBISS.SI-ID 186260739]
2. ZORKO, Damijan, ŠTIGLIC, Jan, ČERNE, Borut, VUKAŠINOVIĆ, Nikola. The effect of center distance error on the service life of polymer gears. Polymer testing. [Print ed.]. Jun. 2023, vol. 123, str. 1-13, ilustr. ISSN 0142-9418. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142941823001137, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=145686, DOI: 10.1016/j.polymertesting.2023.108033. [COBISS.SI-ID 151357955]
3. DEMŠAR, Ivan, ČERNE, Borut, TAVČAR, Jože, VUKAŠINOVIĆ, Nikola, ZORKO, Damijan. Agile development of polymer power transmission systems for e-mobility : a novel methodology based on an e-bike drive case study. Polymers. 2023, vol. 15, iss. 1, str. 1-24, ilustr. ISSN 2073-4360. https://www.mdpi.com/2073-4360/15/1/68, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=143567, DOI: 10.3390/polym15010068. [COBISS.SI-ID 135469315]
4. BERGANT, Zoran, ŠTURM, Roman, ZORKO, Damijan, ČERNE, Borut. Fatigue and wear performance of autoclave-processed and vacuum-infused carbon fibre reinforced polymer gears. Polymers. 2023, vol. 15, iss. 7, str. 1-24, ilustr. ISSN 2073-4360. https://www.mdpi.com/2073-4360/15/7/1767, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=145152, DOI: 10.3390/polym15071767. [COBISS.SI-ID 148318211]
5. ZORKO, Damijan. Effect of process parameters on the crystallinity and geometric quality of injection molded polymer gears and the resulting stress state during gear operation. Polymers. Oct. 2023, vol. 15, iss. 20, str. 1-22, ilustr. ISSN 2073-4360. https://www.mdpi.com/2073-4360/15/20/4118, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=151764, DOI: 10.3390/polym15204118. [COBISS.SI-ID 169038339]
6. ZORKO, Damijan, KOLAR, Klemen, MOJŠKERC, Bor, VUKAŠINOVIĆ, Nikola. Raziskava vplivov na rast razpoke v korenu zoba polimernega zobnika. Ventil : revija za fluidno tehniko in avtomatizacijo. [Tiskana izd.]. Avg. 2023, letn. 29, št. 4, str. 234-244, ilustr. ISSN 1318-7279. http://www.dlib.si/details/URN:NBN:SI:doc-93RN33WZ. [COBISS.SI-ID 163195907]
7. ČERNE, Borut, BERGANT, Zoran, ŠTURM, Roman, TAVČAR, Jože, ZORKO, Damijan. Experimental and numerical analysis of laminated carbon fibre-reinforced polymer gears with implicit model for coefficient-of-friction evaluation. Journal of computational design and engineering. Feb. 2022, vol. 9, iss. 1, str. 246-262, ilustr. ISSN 2288-5048. https://academic.oup.com/jcde/article/9/1/246/6519880?guestAccessKey=8c494621-0291-4e65-9e0a-8293e63d36c0, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=135186. [COBISS.SI-ID 96943363]
8. WU, Ruo, WEI, Peitang, LU, Zehua, LIU, Huaiju, ZORKO, Damijan, XIE, Huaijie. A comparative study of fatigue behavior between S-shaped and involute POM gears. Journal of computational design and engineering. Nov. 2022, vol. 9, iss. 6, str. 2483–2494, ilustr. ISSN 2288-4300. https://academic.oup.com/jcde/article/9/6/2483/6827003, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=143644, DOI: 10.1093/jcde/qwac121. [COBISS.SI-ID 136264963]
9. URBAS, Uroš, ZORKO, Damijan, VUKAŠINOVIĆ, Nikola, ČERNE, Borut. Comprehensive areal geometric quality characterisation of injection moulded thermoplastic gears. Polymers. Feb. 2022, vol. 14, iss. 4, str. 1-19, ilustr. ISSN 2073-4360. https://www.mdpi.com/2073-4360/14/4/705, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=135121, DOI: 10.3390/polym14040705. [COBISS.SI-ID 97321219]
10. ZORKO, Damijan, VUKAŠINOVIĆ, Nikola, ČERNE, Borut. The effect of geometrical quality on the stress-state in the plastic gear. V: 2023 International Power Transmission and Gearing Conference (PTG) : August 20-23, 2023, Boston, Massachusetts. 2023 International Power Transmission and Gearing Conference, August 20-23, 2023, Boston, Massachusetts. New York (NY): The American Society of Mechanical Engineers, 2023. Str. 1-11, ilustr. ASME 2023 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, vol. 11. ISBN 978-0-7918-8739-4. https://asmedigitalcollection.asme.org/IDETC-CIE/proceedings-abstract/IDETC-CIE2023/87394/V011T11A004/1170829. [COBISS.SI-ID 176529411]
11. ČERNE, Borut, VUKAŠINOVIĆ, Nikola, BERGANT, Zoran, ZORKO, Damijan. Numerical and experimental study on the correlation between wear and transmission error of carbon fiber-reinforced polymer gears cured in autoclave. V: 2023 International Power Transmission and Gearing Conference (PTG) : August 20-23, 2023, Boston, Massachusetts. 2023 International Power Transmission and Gearing Conference, August 20-23, 2023, Boston, Massachusetts. New York (NY): The American Society of Mechanical Engineers, 2023. Str. 1-12, ilustr. ASME 2023 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, vol. 11. ISBN 978-0-7918-8739-4. https://asmedigitalcollection.asme.org/IDETC-CIE/proceedings-abstract/IDETC-CIE2023/87394/V011T11A007/1170823. [COBISS.SI-ID 176530947]
12. BERGANT, Zoran, ZORKO, Damijan, ŠTURM, Roman, ČERNE, Borut. The influence of manufacturing technology on the fatigue and wear performance of cfrp gears. V: ICFC9 : the 9th International Conference on Fatigue of Composites, Vicenza (Italy) June 21-23, 2023. [S. l.: s. n., 2023]. Str. 1-13, ilustr. http://static.gest.unipd.it/ICFC9/data/uploads/bergant_paper-zb.pdf. [COBISS.SI-ID 158937603]
13. ZORKO, Damijan, VUKAŠINOVIĆ, Nikola, ČERNE, Borut. The effect of gear manufacturing quality on the mechanical and thermal state of a plastic gear. V: International conference on gears 2023 : 5th International Conference on High Performance Plastic Gears : 5th International Conference on Gear Production 2023, Garching/Munich, Germany, September 13-15, 2023. Düsseldorf: VDI, 2023. Str. 1319-1332, ilustr. VDI-Berichte, 2422. ISBN 978-3-18-102422-5, ISBN 978-3-18-092422-9. ISSN 0083-5560. https://www.vdiconference.com/index.php?eID=tx_nawsecuredl&u=21604&g=1&t=1695642485&hash=eb868e42cd22141b38a6070ae9fe1391b92c1465&file=fileadmin/resources/downloadbereich/02TA409023/02TA409023b_International_Conference_on_Gears_2023.pdf. [COBISS.SI-ID 165724675]
14. ČERNE, Borut, VUKAŠINOVIĆ, Nikola, ZORKO, Damijan. In-situ experimental methods for measuring tooth meshing displacements and wear during polymer gear tests using a high-speed camera with microscopy optics. V: International conference on gears 2023 : 5th International Conference on High Performance Plastic Gears : 5th International Conference on Gear Production 2023, Garching/Munich, Germany, September 13-15, 2023. Düsseldorf: VDI, 2023. Str. 1563-1579, ilustr. VDI-Berichte, 2422. ISBN 978-3-18-102422-5, ISBN 978-3-18-092422-9. ISSN 0083-5560. https://www.vdiconference.com/index.php?eID=tx_nawsecuredl&u=21604&g=1&t=1695642485&hash=eb868e42cd22141b38a6070ae9fe1391b92c1465&file=fileadmin/resources/downloadbereich/02TA409023/02TA409023b_International_Conference_on_Gears_2023.pdf. [COBISS.SI-ID 165726211]
15. ZORKO, Damijan, BERGANT, Zoran, ČERNE, Borut. Potential of woven carbon fiber reinforced polymer composite gears. V: International conference on gears 2022. International conference on gears 2022, 4th International Conference on High Performance Plastic Gears 2022, 4th International Conference on Gear Production 2022, Garching/Munich, Germany, September 12-14, 2022. Düsseldorf: VDI, 2022. Str. 1071-1082, ilustr. VDI-Berichte, 2389. ISBN 978-3-18-092389-5, ISBN 978-3-18-102389-1. ISSN 0083-5560. https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=141232. [COBISS.SI-ID 122848771]