GEARWHEEL&BEARING
Voraussetzungen
Um die folgenden Berechnungen durchführen zu können, wird neben winLIFE BASIC das Programm winLIFE GEARWHEEL&BEARING benötigt. Die Verzahnungsauslegung mit dem Programm ZAR der Firma HEXAGON ist so integriert, dass eine Auslegung damit einfach möglich ist. Ein ausführliches Beispiel ist dokumentiert.
Auslegung der Verzahnung
Die Auslegung einer Verzahnung nach DIN 2290 kann nun direkt mit dem Programm ZAR der Firma HEXAGON erfolgen. Bei der Berechnung der Lebensdauer wird dann auf ZAR zugegriffen, um die drehzahl- und belastungsabhängigen Faktoren zu berechnen. Auf diese Weise können auch reale Kollektive, wie sie z.B. in der Automobilindustrie üblich sind, verwendet werden.
Lebensdauer von Zahnrädern und Lagern
Die Ermüdung von Zahnrädern erfolgt im Zahnfuß durch Biegung und in der Zahnflanke durch Grübchenbildung (Pittings). Beide Schädigungsmechanismen laufen gleichzeitig ab und je nach Materialeigenschaften und Konstruktion wird einer der beiden Phänomene dominieren. Da nicht bekannt ist, welcher Effektedominiert, sollten bei der Lebensdauerberechnung beide Schädigungsmöglichkeiten untersucht werden.
Zahnfußermüdung
Die Zahnfußermüdung resultiert aus der bei jedem Zahneingriff auftretenden dynamischen Zahnfußspannung, die zu einem Primärriss und schließlich zum Zahnbruch führen kann. Geometrie (Kerbfaktor), Oberfläche und Spannung sind die entscheidenden Einflussgrößen.
In Normen und Forschungsprojekten wurden Regeln für die Anwendung und Herleitung von Wöhlerkurven für Zahnräder abgeleitet, an denen sich winLIFE orientiert. Selbstverständlich kann der Anwender auch eigene Daten verwenden.
Zahnflankenermüdung (Pittings)
Die Normalkraft auf die Zahnoberfläche in dem Bereich, in dem keine Gleitbewegung der Oberflächen, sondern ein reines Abwälzen stattfindet, bewirkt eine Hertzsche Pressung, die zur Bildung von Grübchen (Pittings) führen kann.
Die Lebensdauer kann mit speziell dafür ermittelten Wöhlerkurven bestimmt werden.
Lebensdauer von Wälzlagern
Die Ursache der Wälzlagerermüdung ist ähnlich der Ursache der Pittingbildung bei Zahnrädern: die Hertzsche Pressung der Oberflächen.
Auch diese Lebensdauer kann mit Wöhlerkurven beschrieben werden, und die Hersteller stellen dazu Daten zur Verfügung. Anhand dieser Daten wird die Lebensdauer abgeschätzt.
Wöhlerkurven und ihre Modifikation
Bei der Lebensdauerberechnung für Lager und Zahnräder sind ebenfalls Modifikationen üblich, die nachfolgend dargestellt sind:
Die Erzeugung einer Wöhlerlinie erfolgt basierend auf DIN Standards oder FVA Richtlinien mit Hilfe der oben abgebildeten Maske. Die Daten für die Wälzlager werden den Katalogen der Hersteller entnommen.
Eingabe eines Lastkollektivs
Die Lebensdauer von Zahnrädern und Lagern hängt von der Anzahl der Umdrehungen und der dabei wirkenden Belastung – Drehmoment bzw. Kraft - ab.
Als Belastung kann ein Kollektiv z.B. aus einer Messung (Verweildauerzählung) importiert werden. Das Kollektiv kann auch von Hand in die eingegeben werden, was jedoch aufgrund des Aufwands nur für sehr wenige Kollektivstufen erfolgen wird.
Für jedes Element der Drehzahl-Drehmoment-Matrix muss eine Verweildauer angegeben werden. Da eine typische Matrix Hunderte von Elementen enthält, ist die manuelle Eingabe sehr aufwendig und nur in Ausnahmefällen üblich. In der Regel wird eine solche Matrix aus einer Messung oder Simulation entnommen.
Die folgende Abbildung zeigt eine Verweildauermatrix, wie sie aus dem System winEVA gewonnen wurde. Die winLIFE-Schnittstelle ist gut dokumentiert, so dass eine Anbindung an andere Systeme mit wenig Aufwand möglich ist.
Die Verweildauermatrix wird automatisch in eine Drehmoment-Drehzahl-Tabelle bzw. Kraft-Drehzahl-Tabelle konvertiert. Das Ergebnis für das Ritzel (Rad 1) und das Rad 2 ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Umrechnung auf das Bauteil
In vielen Fällen wird das Belastungskollektiv, das dem Anwender zur Verfügung steht, nicht mit dem des Zahnrades übereinstimmen. Dies liegt oft daran, dass die Messung meist an leicht zugänglichen Wellen (Eingang / Ausgang) durchgeführt wird. Daher muss eine Umrechnung auf die am Zahnrad wirkenden Drehzahlen und Drehmomente erfolgen. Bei Planetengetrieben wird diese Umrechnung oft dadurch erschwert, dass keine festen Drehzahlverhältnisse vorliegen und dass sich zusätzlich die Übertragungsrichtung ändert.
Schadensakkumulation
Die Lebensdauer wird mit Hilfe der linearen Schadensakkumulation berechnet. Die Ergebnisse werden in der Protokolldatei ausführlich dokumentiert.
Benutzerkomfort
Da die Ermüdungsphänomene von Zahnrädern und Lagern denen anderer Bauteile ähnlich sind, ist auch der Berechnungsablauf ähnlich dem des winLIFE BASIC Moduls. Ein Anwender, der winLIFE BASIC bedienen kann, wird sich schnell in winLIFE GEARWHEEL&BEARING einarbeiten können, da die Programmstruktur und die Benutzerführung ähnlich aufgebaut sind.