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Jul 13, 2023

Leistungstests von Planetengetrieben bei sehr niedrigen Temperaturen

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 21815 (2022) Diesen Artikel zitieren 528 Zugriffe auf Metrikdetails In diesem Artikel werden die Ergebnisse einer Studie zum Bewegungswiderstand in einem mehrstufigen Verfahren vorgestellt

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21815 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

In diesem Artikel werden die Ergebnisse einer Studie zum Bewegungswiderstand in einem mehrstufigen Planetengetriebe vorgestellt, das aus leichten Strukturmaterialien wie der Aluminiumlegierung 2017 besteht und dessen Lagerknoten mit Stahlkugellagern aus der X65Cr14-Legierung ausgestattet und mit Molybdändisulfidpulver geschmiert sind. Es wurden Einzelheiten der Konstruktion des Planetengetriebes vorgestellt, gefolgt von Betriebstests. Während der Leistungstests wurde die Temperatur des laufenden Getriebes mit flüssigem Stickstoff schrittweise auf bis zu −190 °C gesenkt. Die Analyse umfasste unter anderem den Stromverbrauch des Mechanismus als Funktion der Temperatur. Die Ergebnisse wurden mit den Parametern der bereits im Weltraum funktionierenden Mechanismen verglichen. Die Messungen wurden durchgeführt, um die Anwendbarkeit des Getriebes in Antriebssystemen von Manipulatoren zu bestätigen, die im offenen Weltraum oder unter außerirdischen Bedingungen wie auf dem Mars betrieben werden sollen.

Die kompaktesten Bauformen weisen Planeten- und Wellradsätze auf. Bei Planetengetrieben wird das von der Verzahnung übertragene Drehmoment nahezu gleichmäßig auf mehr als ein Zahnrad verteilt. Ihre Anzahl liegt typischerweise zwischen 3 und 6, was trotz der kompakten Größe des Radsatzes eine hohe Belastbarkeit ermöglicht. Darüber hinaus sind diese Getriebe meist für eine Übersetzung von 4–10 ausgelegt, bieten eine hohe Stabilität und einen Wirkungsgrad von ca. 97 %1. Noch größere Übersetzungsverhältnisse, bis zu 5000, bieten zweistufige Differenzial-Planetengetriebe2, allerdings ist die Konstruktion eines solchen Getriebes kompliziert.

Planetenradsätze können in verschiedenen Konfigurationen als Untersetzungsgetriebe, Multiplikatoren und Differenziale1 verwendet werden. In der in diesem Dokument beschriebenen Getriebebaugruppe wurde eine Untersetzungskonfiguration verwendet, bei der das Hohlrad fixiert, das Sonnenrad auf der Eingangswelle positioniert und der Ritzelträger mit der Ausgangswelle verbunden war. Abbildung 1 zeigt ein Diagramm des Mechanismus des entworfenen vierstufigen Planetenradsatzes, bei dem der Ritzelträger der letzten Stufe des Zahnradsatzes mit einem Teil des drehbaren Körpers verbunden ist.

Schematische Darstellung des konstruierten Planetengetriebes.

Die Temperaturen, bei denen das Getriebe voraussichtlich funktionieren wird, kommen auf der Erde nicht vor. Wenn man also versucht, vergleichbare Konstruktionen zu finden, muss man sich hauptsächlich mit Lösungen befassen, die in Maschinen zum Einsatz auf dem Mars zum Einsatz kommen. Die Temperaturen auf der Marsoberfläche liegen zwischen −140 und 27 °C, da der Planet 1,52-mal weiter von der Sonne entfernt ist als die Erde. Deshalb erreichen nur 43 % der auf die Erde treffenden Energie eine entsprechende Fläche auf der Marsoberfläche3,4.

Angesichts der Bedingungen auf dem Mars muss die dort verwendete Ausrüstung, einschließlich der Getriebesätze, sehr niedrigen Temperaturen standhalten, was in den Studien zum Design von Marslandern und -Rovern diskutiert wurde. Von großer Bedeutung ist auch der Einfluss der Temperatur auf die Änderungen des Reibmoments im Getriebebetrieb5.

Der Mars Volatiles and Climate Surveyor-Lander war mit einem Roboterarm ausgestattet, einem Manipulator mit vier Freiheitsgraden. Seine Aktuatoren konnten im Normalbetrieb Drehmomente von 26 Nm, 91 Nm, 53 Nm und 10 Nm sowie ein um 50 % höheres Spitzenmomentmoment erzeugen. Die Aktuatoren wurden als zweistufige Getriebe ausgeführt, die ein Planetengetriebe und ein Harmonic-Getriebe oder ein Planetengetriebe und ein Kegelradgetriebe enthielten. Die Getriebesätze wurden von Gleichstrom-Bürstenmotoren angetrieben. Die Gesamtübersetzungen der Aktuatoren betrugen 4.000 und 16.000. Die mechanischen Systeme der Aktuatoren wurden für den Betrieb bei Temperaturen von – 105 °C (– 90 °C) bis 35 °C ausgelegt; Um sie vor extremeren klimatischen Bedingungen zu schützen, wurden die Gelenke mit 1-W- und 4-W-Heizungen ausgestattet6,7,8. Die Ergebnisse von Tests zum Einfluss der Temperatur auf die von den Aktuatormotoren im Leerlaufbetrieb benötigte Stromstärke zeigten, dass mit sinkender Temperatur die vom Aktuator verbrauchte Leistung erheblich zunahm.

Die Aktuatoren wurden aus Aluminium- und Titanlegierungen hergestellt. Bezüglich der Konstruktionsentwürfe von Verbindungselementen sind die Berichte in der Literatur insofern widersprüchlich, als sie sich entweder auf Kohlefaserverbundwerkstoff oder eine Aluminiumlegierung als verwendetes Material beziehen6,7,8.

Für die Konstruktion und Analyse des Zahnradsatzes wurde Autodesk Inventor Professional verwendet. Es handelt sich um eine parametrische Anwendungssoftware, die die 3D-Teilekonstruktion erleichtert. Auch der virtuelle Zusammenbau von Teilen zu Baugruppen und kompletten Maschinen ist möglich.

Basierend auf den vorgestellten Annahmen für den Betrieb bei sehr niedrigen Temperaturen wurde die Konstruktion eines vierstufigen Planetenradsatzes durchgeführt, der von einem bürstenbehafteten Elektromotor angetrieben wird. Eine Schnittansicht des kompletten Getriebes ist unten in Abb. 2 dargestellt, wobei die einzelnen Farben Folgendes bedeuten:

schwarz: Motor,

grau: Lager und Bolzen,

lila: Getriebe der ersten Stufe,

gelb: Getriebe der zweiten Stufe,

grün: Getriebe der dritten Stufe,

rot: Getriebe der vierten Stufe,

Blau: innere Bestandteile des Körpers.

Schnittansicht des Zahnradsatzes.

Das Getriebe wurde von einem Bürstenelektromotor der Klasse 540, Absima Thrust B-SPEC 80 T, angetrieben, der bei einer Nennspannung von 7,2 V eine Leerlaufdrehzahl von 5300 U/min und eine Ausgangsleistung von 80 W aufweist. Abbildung 3 zeigt a Blick auf das Innere des Getriebesatzes mit hervorgehobenem Motor, Planetenrädern und Trägern der aufeinanderfolgenden Stufen des Planetengetriebes.

Blick in den Innenraum des Getriebes.

Um einen zuverlässigen Betrieb des Zahnradsatzes über einen weiten Temperaturbereich hinweg zu gewährleisten, war ein besonderer Ansatz bei der Gestaltung der Form der Zahnradsatzelemente aus Aluminiumlegierung erforderlich, die mit den Stahlkugellagern zusammenpassen. Dementsprechend verfügen die in Abb. 4 gezeigten Zahnräder und Stifte, die die Lagerknoten bilden, über zusätzliche Aussparungen, um die Ableitung von Spannungen zu ermöglichen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Elemente entstehen, gleich:

Aluminium: 23 * 10–6 K−1,

Stahl: 12 * 10−6 K−1.

Ansichten des Planetenrads des ersten Zahnradsatzes mit Lager und Stift.

Die Zahnräder aller Übersetzungsstufen haben ein Modul von 1 mm, das Zahnspiel wurde auf 0,1 mm eingestellt. Dies ist ein recht großer Wert, aber aufgrund der Prototypencharakteristik des Getriebes wurde der Maximalwert des Spiels gewählt, da die tatsächlichen thermischen Verformungen nicht bekannt waren und das Blockieren des Getriebes aufgrund der thermischen Ausdehnung zu dessen vorzeitigem Ausfall führen könnte . Zusätzlich wurde die Zähnezahl der einzelnen Zahnräder so gewählt, dass die berechnete Gesamteinheitskorrektur 0 betrug.

Basierend auf den Literaturdaten wurde schließlich Molybdändisulfidpulver als Schmiermittel für den Übertragungsmechanismus ausgewählt. Vergleichstests haben gezeigt, dass die Verwendung dieses Materials zu den geringsten Widerständen an den Passflächen der Wälzlagerelemente während des Betriebs bei Temperaturen von bis zu −190 °C in einer sauerstoff- und feuchtigkeitsfreien Atmosphäre führt9.

Molybdändisulfid ist ein echter Festschmierstoff und erfordert keine Adsorption zusätzlicher Substanzen, um die Schmierfähigkeit zu entwickeln10. Der Grund dafür liegt in der Struktur dieses Materials, das abwechselnd Schichten aus Schwefel und Molybdän enthält, die beim Abrieb der aufeinanderfolgenden Schichten amorphen Schwefel freisetzen, der einen Schmierfilm bildet11. Da die Verbindung in einer Umgebung ohne andere Substanzen die beste Leistung erbringt, kann sie im Vakuum verwendet werden und ist das Schmiermittel der Wahl für Luft- und Raumfahrtanwendungen11,12.

Basierend auf den begrenzten Literaturdaten13,14,15,16 wurde ein Vergleich des Drehmoment-Masse-Verhältnisses des entworfenen Getriebes mit den bestehenden Konstruktionen durchgeführt. Die Daten sind in Tabelle 1 dargestellt.

Die oben genannten Daten zeigen, dass das entworfene Getriebe im Vergleich zu den anderen Mechanismen ein vergleichbares oder etwas schlechteres Drehmoment-Masse-Verhältnis aufweist, aber bei viel niedrigeren Temperaturen arbeiten kann, was den Verzicht auf Getriebeheizsysteme und damit ermöglicht Reduzieren Sie die Gesamtmasse des Mars-Rover.

Bevor der Getriebeprototyp getestet werden konnte, musste er zunächst in einem speziell angefertigten, stabilen Halter befestigt werden, wie in Abb. 5 dargestellt. Die Hauptbestandteile des Halters sind Stützen (1) und eine Klammer (2), die durch Bolzen verbunden sind ( 3). Die Stützen und die Schelle halten durch ihre besondere Form das Getriebemotorgehäuse (4). An einem der Träger war ein im Inneren des Getriebes positionierter Sondenhalter (5) befestigt, an dessen Ende ein Temperatursensor (7) montiert war. Zusätzlich wurden an einem Ende des Trägers Sensoren (8) installiert, um die Temperatur im unteren und oberen Teil des Innenraums des Thermogehäuses zu messen.

Ansicht und Schnitt des Radsatzhalters.

In einer der Halterungen war ein Leitungssystem vorgesehen, um eine gleichmäßige Verteilung des flüssigen Stickstoffs über die Oberfläche des Getriebes zu ermöglichen (siehe Abb. 6). Es wurde entwickelt, um gleichmäßige Kühlbedingungen über die gesamte Oberfläche des Getriebes und gleichmäßige Wärme sicherzustellen Verlustleistung aus dem Inneren des Mechanismus.

Ansicht des Flüssigstickstoff-Verteilungssystems.

Anschließend wurde die Baugruppe in ein zweiteiliges Gehäuse aus XPS-Polystyrol mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,035 W/(m*K) gelegt, was für kontrollierte thermische Bedingungen sorgte. Eine Ansicht des Halters mit dem Getriebe in der unteren Hälfte des Thermogehäuses ist in Abb. 7 dargestellt. Basierend auf analytischen Formeln unter Berücksichtigung der technischen Parameter des Thermogehäusematerials, der Abmessungen des Innenraums und der Wandstärke Der Gesamtwärmeverlust aufgrund der Ableitung durch die Wände wurde mit nur 24 W berechnet. Leider wurde der obige Wert nicht experimentell überprüft, da der flüssige Stickstoffstrom, der in das thermische Gehäuse eindringt, und die Temperatur des aus dem thermischen Gehäuse austretenden Gases nicht der Fall waren gemessen.

Blick auf den Getriebehalter im Thermogehäuse.

Der Prüfstand ist in Abb. 8 dargestellt. Er umfasste den Getriebehalter mit einem mehrstufigen Planetengetriebe (1). Der zum Antrieb des Getriebesatzes verwendete Elektromotor war an ein Labornetzteil (2) angeschlossen. Weitere Komponenten waren ein Labormessgerät (3) und Universalmessgeräte (4), mit denen der Widerstand der in der Halterung und im Inneren der Mechanik integrierten Temperatursensoren gemessen wurde. Die Messdaten des Netzteils und der Universalmessgeräte wurden mit einer Frequenz von ca. 95 Messungen pro Minute auf einem Laptop-Computer (5) aufgezeichnet.

Getriebe in der Halterung und den Messgeräten positioniert.

Nach ersten Tests bei Umgebungstemperatur wurde ein kältebeständiger Teflonschlauch mit der Getriebehalterung verbunden, der flüssigen Stickstoff aus einem Dewar-Tank lieferte, und die gesamte Baugruppe wurde in ein Thermogehäuse eingehüllt, wie in Abb. 9 dargestellt.

Prüfstand zur Messung der Leistungsverluste im Getriebesatz bei Tieftemperaturbetrieb.

Bei der Analyse der Betriebseigenschaften des Zahnradsatzes wurde als Hauptparameter die für den Betrieb des Getriebes erforderliche Leistung gemessen. Dadurch war es möglich, den Leistungsanstieg des das Getriebe antreibenden Motors in Abhängigkeit von der sinkenden Temperatur zu bestimmen und zu prüfen, ob das gesamte mechanische System bei kryogenen Temperaturen arbeiten kann. Die Tests lieferten eine eindeutig positive Antwort auf die Frage, ob entsprechend ausgelegte Strukturelemente dafür sorgen würden, dass Teile mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung, aus denen das Getriebe aufgebaut ist, zusammenarbeiten können.

Das Verfahren zum Testen der Leistung des Getriebes wurde in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst arbeitete das Getriebe bei Umgebungstemperatur. Die Ergebnisse dienten dann als Ausgangspunkt für den zweiten Schritt, in dem das Getriebe bei zunehmend niedrigeren Temperaturen bis hin zu −190 °C betrieben wurde.

Die bei Umgebungstemperatur durchgeführten Messungen zeigten, dass das Getriebe über den gesamten Drehzahlbereich des Motors von 600 bis 6100 U/min reibungslos funktionieren konnte. Die Gesamtbetriebszeit des Getriebes während der Tests betrug ca. 10 Stunden. Es wurden keine nachteiligen Phänomene beobachtet, die durch die ausschließliche Verwendung von Festschmierstoffen für die Kugellager und Zahnräder entstehen würden. Darüber hinaus wurden nach den Tests bei Umgebungstemperaturen die Gegenteile des Getriebes überprüft. An den Zähnen der ineinandergreifenden Zahnräder wurden Abnutzungsspuren festgestellt.

Basierend auf den gemittelten Ergebnissen der aufeinanderfolgenden Messschritte wurde die in Abb. 10 dargestellte Grafik erstellt, die zeigt, wie sich der Stromverbrauch des gesamten Getriebes in Abhängigkeit von der dem Motor zugeführten Spannung verändert. Die Daten könnten dann als Grundlage für weitere Berechnungen und Analysen dienen.

Leistungsverluste im Getriebesatz im Betrieb bei Umgebungstemperatur.

Darüber hinaus wurde im Rahmen der Experimente festgestellt, dass ein einstündiger Betrieb des Radsatzes zu einem Temperaturanstieg im Inneren des Radsatzes um etwa 1 °C führte. Daher wurde der Schluss gezogen, dass der Einfluss des Leistungsverlusts im untersuchten Antriebsmechanismus auf die Änderung der Temperatur des Zahnradsatzes vernachlässigbar war und vernachlässigt werden konnte. Was die Wärmebilanzanalyse angeht, ist das sicherlich eine Vereinfachung. Aufgrund der nicht perfekten Isolierung der Kammer und der sehr hohen Wärmekapazität des Getriebes wurde jedoch der Einfluss von Wärmequellen wie elektrischen Phänomenen im laufenden Elektromotor und Energiedissipationsvorgängen in den Lagern und im Eingriff des Planetengetriebes beeinträchtigt Zahnräder könnten ignoriert werden, ohne dass dies erhebliche Auswirkungen auf die Art der zu ziehenden Schlussfolgerungen hätte.

Die Messungen begannen mit der Prüfung des Getriebeantriebsmotors. Ziel war es, die Verlustleistung des Motors in Abhängigkeit von der Temperatur zu ermitteln, um diesen Wert künftig in die Analyse der Gesamtverlustleistung des Getriebes einfließen zu lassen. Dies wurde erreicht, indem der Antriebsmotor selbst, der nicht mit dem Getriebe verbunden war, mehrmals auf eine Temperatur unter − 190 °C gekühlt und gleichzeitig in 1-V-Schritten mit einer Spannung von 2 V bis 8 V versorgt wurde. Unterhalb dieses Versorgungsspannungsbereichs ist das Motordrehmoment zu niedrig, als dass der Test über den gesamten Temperaturbereich durchgeführt werden könnte. In diesem Fall stoppte der Motor nach Absenken der Testtemperatur unter − 70 °C ohne spürbaren Leistungssteigerungseffekt. Die vollständigen Daten aus den Tests sind in Abb. 11 dargestellt. Die Diagramme zeigen deutlich den Anstieg der vom Motor verbrauchten Leistung bei zunehmend höheren Versorgungsspannungen, der auch mit einem deutlichen Anstieg des vom Motor erzeugten Geräuschpegels einherging. Dieser akustische Effekt aufgrund der Änderung der Motorbetriebsbedingungen bei niedrigen Temperaturen ist wahrscheinlich auf die nachteilige Wirkung der niedrigen Temperatur auf die mit R-2 gekennzeichneten Rotorlager zurückzuführen, die aufgrund ihrer geringen Abmessungen 1/8 × 3 betragen /8 × 5/32 Zoll, reagierte sehr stark auf große Änderungen der Betriebstemperatur. Darüber hinaus hatten diese Elemente aufgrund der höchsten Drehzahl aller Lager des Mechanismus einen entscheidenden Einfluss auf die Gesamtverlustleistung des gesamten Getriebes.

Messungen der Motorverluste.

Im nächsten Schritt der Studie wurde versucht, den Radsatz schrittweise auf Temperaturen unter − 190 °C abzukühlen. Der Prototypcharakter des Mechanismus erforderte, dass beim Abkühlen des Mechanismus äußerste Vorsicht geboten ist. Aus diesem Grund wurde der erste Test mit einer Versorgung des Getriebemotors mit 2 V durchgeführt, wobei anhand von Vorversuchen festgestellt wurde, dass es sich um die niedrigste Spannung handelt, bei der der Motor völlig stabil arbeitet. Auf diese Weise wäre der Radsatz maximal vor Schäden durch das Einfrieren der Radsatzteile geschützt.

Leider erwies sich die 2-V-Spannung als unzureichend und bei einer Temperatur von ca. − 82 °C führte der zunehmende Widerstand im Getriebe zum Abwürgen des Motors. Ein ähnliches Ergebnis wurde beobachtet, als der Motor mit 3 V versorgt wurde. Diese Spannung ermöglichte es dem Getriebe, bis zu einer Temperatur von –121 °C zu arbeiten, bei der der Motor abschaltete. Erst als die Spannung des Getriebemotors auf 4 V erhöht wurde, konnte ein vollständiger Messvorgang durchgeführt werden, der abgeschlossen wurde, als die Temperatur im Getriebeinneren unter − 190 °C gesunken war.

Während der Tests bei etwa −110 °C funktionierten alle Hall-Sensoren, die die Motordrehzahl erfassten, nicht mehr. Aus diesem Grund wurden Daten, die diese Informationen enthalten, nicht in den Artikel aufgenommen. Die nächste Version des Prüfstands wird um eine elektromechanische Motordrehzahlüberwachung erweitert.

Die Versorgung des Getriebemotors mit einer immer höheren Spannung des Eingangsstroms führt dazu, dass die Geschwindigkeit des Getriebes proportional zum Wert der zugeführten Spannung beschleunigt wird. Dementsprechend steigen auch die Leistungsverluste des Radsatzes proportional an. Mit zunehmender Versorgungsspannung des Motors steigt auch der Leistungsbedarf proportional zum Quadrat der Versorgungsspannung. Dieses Phänomen ist in den Diagrammen in Abb. 12 deutlich zu erkennen, die den Zusammenhang zwischen den Übertragungsverlusten und der Temperatur darstellen.

Erste Messungen der Getriebeleistungsverluste.

Unabhängig von der Versorgungsspannung steigt die zum Antrieb des Motors erforderliche Leistung allmählich an. Ein Anstieg der Leistungsaufnahme des Motors, der bei etwa − 95 °C auftrat, wurde höchstwahrscheinlich durch Schmiermittelreste in den Getriebelagern verursacht, obwohl Maßnahmen zu deren Entfernung ergriffen wurden. Ähnliche Leistungsspitzen im Bereich von − 100 °C bis − 110 °C wurden auch bei den Wälzlagerwiderstandstests beobachtet9, wobei die Temperaturunterschiede auf eine unterschiedliche Positionierung des Temperatursensors im Getriebe und im Wälzkörper zurückzuführen sind Lager während der Tests.

Um die Ergebnisse zu bestätigen, wurde die Motorversorgungsspannung bei 4 V belassen und die Messungen wurden noch dreimal wiederholt. Diagramme der vollständigen Daten, die während dieser Tests erhalten wurden, sind in Abb. 13a–c dargestellt. Die Anzahl der während der Messungen erfassten Datensätze lag zwischen 6125 und 10.170. Die Abweichung lässt sich auf die Tatsache zurückführen, dass es bei manueller Steuerung der der Kammer zugeführten Menge an flüssigem Stickstoff nicht möglich war, identische Bedingungen für die Abkühlrate des Getriebes aufrechtzuerhalten, sodass der Zeitpunkt der einzelnen Messungen leicht unterschiedlich war. Die gesamte Abkühlzeit des Getriebes während der Experimente lag zwischen 70 und 105 Minuten.

Messungen der Getriebeleistungsverluste.

Alle Messungen zeigen einen ähnlichen inkrementellen Anstieg der vom Motor verbrauchten Leistung als Funktion der im Inneren des Getriebes gemessenen sinkenden Temperatur.

Aufgrund der sehr großen Datenmenge jedes Messzyklus zeigt Abb. 14 die Polynomtrends für die Ergebnisse der aufeinanderfolgenden Messungen. Die Bestimmtheitsmaße R2 für die vorgestellten Läufe variieren zwischen 0,8969 und 0,9546. Die Verwendung der Polynomfunktionen zur Beschreibung der Schwankung der Leistungsverluste als Funktion der Temperatur soll nicht die Art der Abhängigkeit der während der Bewegung auftretenden physikalischen Phänomene genau wiedergeben, sondern lediglich eine Beurteilung des während der Bewegung beobachteten Schwankungstrends ermöglichen Experiment.

Trendlinien der Messungen der Getriebeleistungsverluste.

Die dargestellten Trendlinien erleichtern auch den Vergleich einzelner Messzyklen und zeigen bei nachfolgenden Durchläufen einen allmählich abnehmenden Anstieg der zum Antrieb des Getriebes erforderlichen Leistung. Das Phänomen wird höchstwahrscheinlich durch das fortschreitende Läppen der ineinandergreifenden Elemente der Zahnräder und die Reinigung der Kugelbahnen in den Lagerlaufbahnen von Rückständen des ursprünglichen flüssigen Schmiermittels verursacht. Ein ähnliches Phänomen wurde auch bei früheren Tests der Lager selbst beobachtet, die im Artikel9 beschrieben werden.

Die durchgeführten experimentellen Tests haben einen allmählichen Anstieg der Leistungsverluste während des Betriebs des Getriebes bei zunehmend niedrigeren Temperaturen gezeigt. Für den untersuchten Radsatz betrug der relative Anstieg der Leistungsverluste (Abb. 15), nachdem sich die Bedingungen des Eingriffs der Radsatzkomponenten stabilisiert hatten, im untersuchten Temperaturbereich etwa 300 %. Die zur Überwindung des Widerstands erforderliche Leistung konnte der im Getriebeantriebssystem eingesetzte Motor in absoluten Werten über den gesamten Temperaturbereich problemlos aufbringen. Der Anstieg der Verlustleistungen der Getriebe unter Laborbedingungen verlief deutlich sanfter als in der Literatur berichtet. Es wurde auf die unter Laborbedingungen beobachteten Beziehungen verwiesen, die den Einfluss der Temperatur auf die Stromstärke beschreiben, die von den Motoren der Aktuatoren des Roboterarms des Mars Volatiles and Climate Surveyor-Landers verbraucht wird. Bei den Antriebsmechanismen dieses Landers lag der relative Anstieg der Stromstärke, die den Motoren während ihres Betriebs bei zunehmend niedrigeren Temperaturen zugeführt wurde, je nach Gelenk zwischen 120 und 1150 %. Darüber hinaus waren die mechanischen Systeme des Landers für den Betrieb bei Temperaturen von nicht weniger als – 105 °C (– 90 °C) ausgelegt und würden unterhalb dieser Temperatur abgeschaltet, um Schäden zu vermeiden.

Vergleich der relativen Stromstärke des Stroms, der den RA-Verbindungen des MVACS-Landers8 zugeführt wird, und des entworfenen Getriebesatzes.

Abbildung 15 zeigt einen Vergleich der relativen Stromstärke, die den RA-Verbindungen des MVACS-Landers8 und dem entworfenen Getriebe zugeführt wird. Die durch die mit Gelenk 1–4 gekennzeichneten Linien verbundenen Messpunkte wurden erstellt, indem der für jeden Messpunkt abgelesene Wert der aktuellen Stromstärke durch den Wert der aktuellen Stromstärke bei Umgebungstemperatur dividiert wurde. Die als Messung 1 und 4 gekennzeichneten Kurven zeigen die Trendlinien, die aus dem ersten und letzten Messzyklus der Stromstärke des dem Motor des untersuchten Getriebesatzes zugeführten Stroms erhalten wurden. Relative Werte wurden erhalten, indem die Werte der Stromstärke für jeden Messpunkt durch den Wert der Stromstärke bei Umgebungstemperatur dividiert wurden. Aufgrund dieser Verfahren sind die dargestellten Werte dimensionslos, was ihren Vergleich erleichtert.

Die Analyse dieser Ergebnisse führt zu dem Schluss, dass der Wert der relativen Stromstärke des Stroms, der die Antriebsmotoren der mechanischen Systeme der Gelenke 1–3 der RA-Gelenke des MVACS-Landers8 antreibt, während des Betriebs bei niedrigeren Temperaturen erheblich stärker ansteigt als im Fall des konstruierten Getriebes. Dies gilt nicht für Gelenk 4, das von einem sehr kleinen Zahnradsatz angetrieben wird, der ein maximales Drehmoment von nur 10 Nm erzeugt und nur bei Temperaturen von mindestens − 80 °C getestet wird. Außerdem liegt die für das getestete Getriebe erreichte Betriebstemperaturgrenze von − 190 °C deutlich unter der Grenze von − 80 °C bis − 90 °C für die RA-Mechaniksysteme. Daher ist das in diesem Dokument vorgestellte Getriebe in der Lage, bei einer viel niedrigeren Temperatur zu arbeiten als die RA-Gelenke des MVACS-Landers. Seine Leistungstests unter Last werden es den Forschern ermöglichen, seine technische Kapazität zu definieren und mögliche Betriebszeiten unter Niedrigtemperaturbedingungen zu bestimmen.

Mehrere Tests des auf Temperaturen unter − 190 °C abgekühlten Getriebes haben gezeigt, dass Getriebe, die aus Elementen aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, unter solchen Bedingungen funktionieren können. Die notwendigen Voraussetzungen für eine effektive Funktion des Mechanismus bei sehr niedrigen Temperaturen sind ordnungsgemäß entworfene und experimentell getestete Getriebeelemente sowie Strukturknoten, die die Verbindung und Wechselwirkung von Elementen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ermöglichen.

Der Einsatz moderner, leichter Strukturmaterialien unter extrem niedrigen Temperaturbedingungen ebnet den Weg für den Bau leichterer Strukturen, die in der Lage sind, die Zwänge zu überwinden, die mit den Bedingungen im Weltraum und auf anderen Planeten, insbesondere auf dem Mars, verbunden sind.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionstechnik, Technische Universität Lodz, Stefanowskiego 1/15, 90-537, Lodz, Polen

Jakub Sikorski und Witold Pawlowski

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JS und WP haben den Hauptmanuskripttext geschrieben. JS hat alle Zahlen vorbereitet.

Korrespondenz mit Jakub Sikorski.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sikorski, J., Pawlowski, W. Leistungstests für Planetengetriebe bei sehr niedrigen Temperaturen. Sci Rep 12, 21815 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26416-3

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Eingegangen: 08. Juni 2022

Angenommen: 14. Dezember 2022

Veröffentlicht: 17. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26416-3

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