Maschinenbau: Berechnungssoftware in neuer Version zur Hannover Messe

Am 13. April öffnet die diesjährige Hannover Messe ihre Tore und gleichzeitig erscheint der KISSsoft-Release 03/2015 mit etlichen Neuerungen – wobei einige Highlights zu erwarten sind. In der neuen Version von KISSsoft wurde die Flankenbruchberechnung nach Methode B der ISO/DTR 19042 hinzugefügt. Diese Schadensart tritt in Form einer Rissentstehung in grösseren Werkstofftiefen auf und kann bei Stirnrädern wie Kegelrädern vorkommen. Ein Flankenbruch führt in den meisten Fällen zum kompletten Ausfall des Getriebes.

Die Berechnungsnorm ISO/DTR 19042 wird derzeit im ISO-Komitee für Stirnräder erstellt und beinhaltet einen Rechengang für die Berechnung mit vereinfachten Lastannahmen (Methode B) sowie ein lokales Verfahren, welches es ermöglicht, die Schadensgefahr über den ganzen Zahneingriff zu analysieren (Methode A). Beide Methoden stehen dem Anwender im Release 03/2015 zur Verfügung.

Bei der Optimierung von Kegelrädern ist es aufgrund der räumlichen Abdrängungen unter Last unausweichlich, Flankenmodifikationen wie Längs- und Höhenballigkeit anzuwenden sowie eine Optimierung der Tragbildlage durchzuführen. Die Beurteilung der Flankenmodifikationen erfolgt üblicherweise in einer Kontaktanalyse unter Last, welche die Lageabweichungen und die Zahnbiegungen berücksichtigt. Diese wurde nun in KISSsoft implementiert: Als Resultate werden das Tragbild, die Drehwegabweichung und Spannungsverteilung ausgegeben – sowie das Risiko des Flankenbruchs, basierend auf dem Entwurf der Flankenbruchberechnung ISO/DTR19042 für Stirnräder.

Kontaktanalyse unter Last bei Kegelrädern

Für Kegelräder ist jetzt zudem die Auslegung für topologische Korrekturen erhältlich. Ausgehend von Messgitterdaten – im Klingelnberg- oder Gleason-Format – wird die Korrektur so berechnet, dass die Topologie des Kegelrads identisch ist mit dem Zielkegelrad. Somit ist ein Re-Engineering eines bestehenden Kegelradsatzes möglich, was in Reparatur oder Ersatzteilefällen sehr hilfreich ist.

Bei Differential-Kegelrädern sind aufgrund des Schmiedeprozesses viel mehr geometrische Freiheiten als bei konventionellen Bogenverzahnungen vorhanden. In KISSsoft sind nun neu in der Feinauslegung zusätzliche Parameter wie Zahnhöhen oder Kopf- sowie Fusskegelwinkel variierbar. In der Resultate-Tabelle der Feinauslegung werden zudem beispielsweise die Überdeckung, Entformbarkeit etc. aufgezählt. Neu werden diese Parameter – neben den bisherigen Werten in der Mitte – auch an der Innen- und Aussenseite der Verzahnung angezeigt, sodass der Anwender seine Auslegungen an mehreren Positionen prüfen und Lösungen gezielt auswählen oder verwerfen kann.

Aktuelle Normen der Festigkeitsberechnung

Die Festigkeitsberechnung gemäss Lloyd’s Register:2013 ist jetzt implementiert – diese spezifische Schiffsnorm wird vielerorts als Nachweis verlangt. Die GOST 21354-87 für Fertigungstoleranzen sowie für Zahndickenabmasse nach GOST 1643-81 bei Stirnrädern sind nun ebenfalls verfügbar. Ausserdem wurden die vorhandenen Rechenmethoden um die Norm ISO 13691 („High-speed special-purpose gear units“) erweitert.

Neuerungen in der Wellenberechnung

Die Wellenfestigkeitsberechnung nach AGMA 6101-E08/6001-E08 ist jetzt verfügbar und beinhaltet den statischen und dynamischen Nachweis. Der statische Nachweis erlaubt dabei die Berücksichtigung von Spitzenlasten, abhängig von verschiedenen Verzahnungsarten. Der dynamische Nachweis berücksichtigt die verschiedenen Kerbfaktoren und die Auswertung erfolgt nach der GEH-Methode (von Mises). Die zulässigen Werkstoffkennwerte werden grundsätzlich aus der Werkstoff-Kernhärte abgeleitet, welche nun neu in KISSsoft eingegeben werden kann.

Erweiterungen bei den Planetengetrieben

In der Planetenkontaktanalyse lässt sich jetzt auch ein fliegend gelagertes Sonnenrad berücksichtigen – und somit auch für diesen Fall eine realistische Modellierung der Lastverteilungen innerhalb der Planeten vornehmen. Diese Berechnung wird typischerweise bei der üblichen Bauart mit drei Planeten angewendet und bezieht die flexible Zentrierung über die Verzahnungen mit ein. Die Sonne wird hierfür als Folge der unter-schiedlichen vorherrschenden Eingriffssteifigkeiten der drei Planeten, den Eingriffskräften entsprechend, positioniert und führt zu einer realitätsnahen Berechnung des Lastverteilungsfaktors Kγ.

Planetenträger in KISSsoft

Die Verformungen der Planetenbolzen im Planetengetriebe haben einen massgeblichen Einfluss auf die Eingriffsverhältnisse von Planetenrad zu Sonne sowie von Planetenrad zum Hohlrad. Zusätzlich zur bisherigen Funktionalität – die Schiefstellung des Planetenrades vorgeben zu können – ist es nun auch möglich, die Schiefstellung des Planetenbolzens aufgrund der simulierten Verformung des Planetenträgers berechnen zu lassen.

Als Planetenträgerkonstruktionen stehen ein- und doppelwandige Bauformen zur Auswahl, welche die Knoten des Planetenbolzens beinhalten. Die Knotenkoordinaten und Verformungen können dabei wahlweise eingegeben oder über eine FE-Berechnung ermittelt werden. Deshalb besteht nun die Möglichkeit, den Planetenträger in KISSsoft zu dimensionieren und mit einer Open-Source FE-Bibliothek die Verformungen des Planetenbolzens berechnen zu lassen.

Highlights in der Schraubenberechnung

Die neue Richtlinie der Schraubenberechnung VDI 2230, Blatt 1 und 2 (2014) wurde implementiert. Sie beinhaltet wesentliche Änderungen gegenüber der Ausgabe 2003. Neben diversen aktualisierten und erweiterten Tabellen für die Werkstofffkennwerte oder Reibungszahlen wurden die Berechnungsverfahren für das ziehende Anzugsverfahren um das reibungs- und torsionsfreie Anziehen sowie die Verwendung von Dehnhülsen ergänzt. Die Beispiele der VDI wurden mit KISSsoft nachgerechnet. Eine Vergleichsdatei steht auf Anfrage zur Verfügung.

Das Schraubenmodul in KISSsoft wurde auch um eine neue FEM-Modellierung ‚Modellklasse III (nur Kräfte und Momente, ohne Nachgiebigkeit)‘ erweitert. Diese Option gestattet die Kombination von FE-Ergebnissen ohne Nachgiebigkeit, wie z.B. die Schnittstelle mit dem ‚Bolt Assessment inside ANSYS‘.

Neue Funktionalitäten in KISSsys

In KISSsys wurde die Wirkungsgradberechnung und thermische Analyse nach ISO/TR 14179 weiter optimiert: Bei der Wirkungsgradberechnung kann der Benutzer nun unter anderem die Verlustleistungen aufgrund von Messungen durch eigene Faktoren anpassen. Des Weiteren wurde auch die Auswertung der thermischen Bilanz um mehrere Optionen ergänzt – wie zum Beispiel die Berechnung der Kühlerleistung. Die Berechnung ist verfügbar für sämtliche Getriebearten (Stirnrad-, Kegel- und Hypoidrad-, Planeten und Schneckengetriebe). Zusätzlich wurden Bedienung und Stabilität der Berechnung erweitert und verbessert.

Neu werden Eigenfrequenzen und Moden von Antrieben mit mehreren Wellen im System berechnet. Dabei wird die Eingriffssteifigkeit aller Verzahnungen (Stirnräder, Kegelräder, Planetengetriebe etc.) berücksichtigt. Es können reine Torsionsschwingungen berechnet werden oder gekoppelte Schwingungen mit allen Freiheitsgraden.

Gehäuseverformung

Für die statische Systemanalyse kann neu die Deformation des Gehäuses und somit der gegenseitige Einfluss der Lager durch die Gehäuseverformungen berücksichtigt werden. Diese daraus resultierenden Verschiebungen der Lageraussenringe bewirken eine unterschiedliche Wellendeformation und beeinflussen somit – insbesondere bei nachgiebigen Gehäusen und hohen Kräften – massgeblich die Verzahnungskontaktanalyse. Für die Berechnung wird dazu eine Steifigkeitsmatrix des Gehäuses importiert, die aus einer FE-Berechnung wie ANSYS, ABAQUS etc. erzeugt wird.

Bild: Planetenträger in KISSsoft. Quelle: KISSsoft AG