13. Tagung Zahnriemengetriebe am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden

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1 am Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden Dipl.-Ing. Gunther Weser (GWJ Technology GmbH, Braunschweig) Web based Engineering: Kosteneffektive und professionelle Berechnung von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen 1. Notwendigkeit der Berechnung 2. Software as a Service 3. Qualität, Geschwindigkeit und Sicherheit 4. Berechnungsmöglichkeiten 5. Anwendungsbeispiel 6. Verzahnung von Berechnung und Konstruktion 7. Zusammenfassung

2 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 2) 1. Notwendigkeit der Berechnung Schneller, besser und trotzdem preiswerter oder verkaufbarer Mehrwert: Im heutigen globalen Wettbewerb reichen nicht nur Produktinnovationen und Qualität. Immer stärker sind auch Preis und Geschwindigkeit entscheidend. Somit wächst der Bedarf nach kosteneffektiven Softwarewerkzeugen im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess. Das man heute bei der Dimensionierung von Maschinenelementen in den meisten Fällen nicht einfach mit dem dicken Daumen arbeiten kann, versteht sich von selbst. Zum einen ist im Falle einer möglichen Unterdimensionierung mit erheblichen Kosten bzw. im Extremfall mit Personengefährdung zu rechnen. Andererseits führt eine Überdimensionierung zu erhöhten Produktkosten, welche die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens verringert. So trifft man in der Praxis verschiedene Berechnungswerkzeuge an. Eine Berechnung von Hand ist heute aufgrund des Zeitdruckes und der Fehleranfälligkeit nur bei ersten Grobentwürfen und Vorabschätzungen noch üblich. Neben selbstentwickelter Firmensoftware und Excelberechnungsvorlagen wird seit den letzten zwanzig Jahren mit zunehmendem Wachstum Standardberechnungssoftware für Maschinenelemente eingesetzt. Die Gründe hierfür liegen auf der Hand. Selbstentwickelte Firmensoftware ist mit nicht unerheblichen Entwicklungs- und Pflegekosten verbunden. In vielen Fällen sind solche Softwaretools inzwischen veraltet, da diese nicht ständig an neue Betriebssysteme und Computerhardware angepasst wurden oder die ursprünglichen Entwickler z.b. aus Altersgründen das Unternehmen verlassen haben. Excelprogramme sind im Gegensatz dazu zwar meist weniger aufwendig zu erstellen, jedoch ist deren Pflege in der Regel schwieriger. Hinzu kommt dabei noch die Bedienung. In vielen Fällen kann nur der die Excelberechnung bedienen, der sie auch erstellt hat. Häufig verfügen die Excelberechnungen auch nicht über eine ausreichende Berechnungstiefe und sind lediglich für eine grobe Vordimensionierung geeignet. Somit haben sich im Laufe der Zeit verschiedene Standardsoftwareprodukte am Markt etabliert. Diese unterscheiden sich teilweise recht stark in Umfang, Leistungsfähigkeit, Qualität und Berechnungstiefe. Der überwiegende Teil der entsprechenden Softwareanbieter setzt dabei auf international anerkannte Berechnungsmethoden in Form von Normen und Richtlinien (DIN, ISO, VDI,...). Der Einsatz eines solchen, auf Standards basierendem, Softwarewerkzeuges verspricht für den Anwender eine deutliche Zeitersparnis, die Nutzung

3 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 3) anerkannter und moderner Berechnungsverfahren, eine Vereinfachung des Berechnungsnachweises gegenüber Kunden und Abnahmegesellschaften (TÜV, etc.) sowie gleichzeitig die Unterstützung der Qualitätssicherung in Form von detaillierten und aussagekräftigen Protokollen zur Berechnungsdokumentation. Die Entscheidung für eine Softwarelösung erfordert zum einen eine Beurteilung des Produktes durch den potentiellen Anwender hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Berechnungstiefe, Qualität und Bedienbarkeit. Die Bedienbarkeit und der Komfort spielen neben den anderen Gesichtspunkten, insbesondere bei nur gelegentlicher Anwendung, zunehmend eine größere Rolle. Zum anderen stellt sich für das Management natürlich die Frage, ob überhaupt und wie schnell sich die Anschaffung einer solchen Software rechnet. Hier sind neben den eigentlichen Investitionskosten, die Aufwände für Wartung, Installation, Einspielen von Updates etc. und notwendige Schulungen zu berücksichtigen. 2. Software as a Service Auf Basis langjähriger Erfahrungen im Bereich Berechnungssoftware für Maschinenelemente hat die GWJ Technology GmbH einen neuen Weg beschritten und bietet nun seit mehr als fünf Jahren ihre Berechnungssoftware eassistant als web basierte Lösung an. Mit der nutzungszeitabhängigen Kostenstruktur entfallen die Softwareinvestitionskosten und der Anwender arbeitet automatisch immer mit der aktuellsten Version und hat dabei Zugriff auf alle jeweils verfügbaren Berechnungsmodule. Je nach Bedarf kann sich der Anwender zwischen einer minutenweisen Zeitabrechnung über Stundenpakete für das gelegentliche Arbeiten oder einem Pauschalzugang für häufiges Arbeiten entscheiden. Wie Bild 1 am Beispiel eines Jahrespauschalzuganges zeigt, ist diese Form der Softwarenutzung kostentechnisch deutlich günstiger als eine vergleichbare Offlinesoftware mit einer Netzwerkfloatinglizenz inkl. Wartung. Zusatzkosten für die Installation der Offlinesoftware, dem regelmäßigen Einspielen von Aktualisierungen und eventuell notwendige Schulungen wurden dabei nicht berücksichtigt. Neben der Kostenersparnis vereint der eassistant die Möglichkeiten üblicher Standardsoftware mit den Vorteilen einer modernen Weblösung. Für die Nutzung sind lediglich ein Webbrowser, wie z.b. Firefox oder MS Internet Explorer, ein Internetzugang und JAVA auf dem

4 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 4) Anwendungsrechner notwendig. Diese Systemvoraussetzungen sind in der Regel heute in jedem Unternehmen gegeben. Kostenvergleich auf Basis eines annähernd vergleichbaren Leistungsumfanges(für 1. Netzwerklizenz) mit kumulierten Softwarekosten (Anschaffungspreis + Wartungsgebühr) ohne Zinseszins. Aufwände für Installation, Schulung, Einspielen von Updates und Servicepacks wurden nicht berücksichtigt. Produkt E: Weblösung (eassistant) Produkte A bis D: Am Markt befindliche Offline-Lösungen Bild 1: Standardberechnungssoftware für Maschinenelemente: Kostenvergleich Offlinesoftware und Weblösung 3. Qualität, Geschwindigkeit und Sicherheit Insbesondere bei der Nutzung von Berechnungssoftware ist es notwendig, Produkte mit entsprechender Qualität einzusetzen. Zwar ist der Anwender dazu verpflichtet, seine Eingaben auf Richtigkeit zu kontrollieren, aber auch die erhaltenen Ergebnisse auf Plausibilität zu prüfen. Somit ist der Einsatz einer Berechnungssoftware immer mit einem gewissen Vertrauen in das Produkt verbunden. Bei einer web basierten Berechnungssoftware und einem nutzungszeitabhängigen Preiskonzept entfallen die Investitionskosten. Somit besteht auch keine Kundenbindung durch getätigte Investitionen. Dadurch ist hier der Anspruch an Qualität und Bedienungskomfort deutlich höher als bei üblicher Offline -Software. Weiterhin werden natürlich Geschwindigkeit und Sicherheit gefordert. Auf der Basis des technologischen Grundkonzeptes des eassistant bietet dieser sowohl eine mit Offline- Lösungen vergleichbare oder auch teilweise höhere Geschwindigkeit und natürlich auch entsprechende Sicherheit. Wie wird dies erzielt? Wird ein Berechnungsmodul gestartet, so wird dieses temporär auf den Arbeitsplatzrechner geladen und dort ausgeführt. Das bedeutet, dass während des Ladevorganges die Geschwindigkeit vom jeweiligen Internetzugang ab-

5 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 5) hängt. Bei einem ISDN- oder DSL-Zugang dauert dies nur wenige Sekunden. Ist das Modul vollständig geladen, so wird die Leistungsfähigkeit des Arbeitsplatzrechners genutzt. Dadurch können auch anspruchsvolle Berechnungen, wie zum Beispiel die Ermittlung der Eigenfrequenzen von Wellen oder die exakte Zahnform von Stirnrädern mit Simulation des Zahneingriffs, schnell und komfortabel durchgeführt werden. Da das Berechnungsmodul nach dem Öffnen temporär auf dem Arbeitsplatzrechner läuft, ist damit nicht nur eine entsprechende Geschwindigkeit möglich, sondern die Datensicherheit ist gleichzeitig mit gewährleistet. Nach Abschluss der Berechnung kann diese selbstverständlich abgespeichert werden. Diese kann der Anwender entweder auf dem eassistant-server oder lokal auf seinem Arbeitsplatzrechner bzw. Firmennetzwerk speichern. Für die Dokumentation der Ergebnisse können detaillierte Protokolle im HTML- oder PDF- Format erzeugt werden. Damit wird gleichzeitig die interne Qualitätssicherung unterstützt und der Berechnungsnachweis deutlich vereinfacht. 4. Berechnungsmöglichkeiten Über eine Baumstruktur lassen sich die verschiedenen Berechnungsmodule des eassistant starten. Das jeweils gestartete Berechnungsmodul wird in einem neuen Fenster geöffnet. Danach kann das gewählte Maschinenelement ausgelegt, nachgerechnet oder optimiert werden. Es stehen eine Vielzahl von Berechnungsmodulen zur Verfügung, so z.b. für die Berechnung von Wellen, Wälzlagern, Pressverbänden, Passfederverbindungen, Zahnwellen-, Kerbzahnwellen- und Keilwellenverbindungen, Stirnradverzahnungen, Druck- und Zugfedern, Bolzen und Stiften sowie von Zahnriementrieben,.... Der eassistant wird ständig weiterentwickelt, so dass immer wieder neue Berechnungsmodule oder Modulerweiterungen hinzukommen. Diese stehen den Anwendern nach entsprechender Freigabe automatisch zur Verfügung. Die Weiterentwicklung orientiert sich dabei schwerpunktmäßig an den Erweiterungswünschen und Anforderungen der Anwender. Die Berechnungsmodule basieren auf anerkannten Berechnungsmethoden. In erster Linie sind das entsprechende DIN- und ISO-Normen oder anerkannte Fachliteratur. Bei der Ent-

6 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 6) wicklung der Module wurde und wird auf eine sehr detaillierte Umsetzung der entsprechenden Berechnungsverfahren geachtet. Dabei steht die einfache und praxisorientierte Bedienung immer im Vordergrund. Der Anwender sieht nach Eingabe eines Wertes sofort sein aktuelles Ergebnis. Darüber hinaus wird er auch durch verschiedene Auslegungsfunktionen tatkräftig unterstützt. Weiterhin werden in einem Meldungsfenster automatisch entsprechende Hinweise oder Warnungen angezeigt. Unterschreitet ein Ergebnis die vorgegebene Sollsicherheit, so wird dieser Wert automatisch rot markiert. Zusätzlich wird der Anwender mit einer Kurzinfohilfe sowie einem Online-Handbuch unterstützt. Besonders hervorzuheben ist noch die integrierte Redo / Undo - Funktionalität, die es dem Anwender ermöglicht, seine Eingaben bis zu 100 Schritte zurückzusetzen bzw. wiederherzustellen. 5. Anwendungsbeispiel In der Praxis hat man es üblicherweise nicht nur mit einem Maschinenelement zu tun, sondern mit einem System bestehend aus mehreren Komponenten. Am Beispiel einer Antriebswelle für eine Turboverdichtereinheit sollen die Komponenten Zahnriementrieb, Welle, Lager und Welle-Nabe-Verbindung näher betrachtet werden. Die Antriebswelle wird über einen Zahnriementrieb von einem Elektromotor angetrieben und treibt den Steg eines hochübersetzenden Planetengetriebes an, welches über das Sonnenritzel dann den Turberverdichter antreibt. Zunächst wird aufgrund des vorgegebenen Drehmomentes der minimale Wellendurchmesser bestimmt. Dieser darf bei der späteren konstruktiven Gestaltung der abgesetzten Welle nicht unterschritten werden. Hierfür kann das eassistant - Modul Wellendimensionierung genutzt werden. Bei einer Antriebsleistung von 12 kw und einer gewünschten Drehzahl von /min ergibt sich ein Drehmoment von rund 20 Nm. Mit diesem Drehmoment und einem entsprechenden Sicherheitsfaktor kann nun ein Mindestdurchmesser für die Antriebswelle ermittelt werden. Danach wird der Zahnriementrieb dimensioniert. Aus der Vorgabe der Motordrehzahl und -leistung sowie eines ungefähren Durchmessers der Antriebsscheibe, welcher sich aus dem zur Verfügung stehendem Bauraum ergibt, schlägt das Zahnriemenprogramm mehrere in Frage

7 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 7) kommenden Riementypen vor (siehe Bild 2). Mit Rücksicht auf eine möglichst kompakte Gestaltung, wird der Riemen vom Typ AT5 GEN III mit einer Breite von 25 mm gewählt. Bild 2: Zahnriementrieb: Riemenvorauslegung Über die Wahl der Zähnezahl der Abtriebsscheibe lässt sich das gewünschte Übersetzungsverhältnis einstellen und eine Abtriebsdrehzahl von /min erzielen. Für die Riemenvorspannung kommt noch eine Spannrolle zum Einsatz. Hieraus ergibt sich die im nachfolgenden Bild 3 dargestellte Riemenkonfiguration. In der Leistungsberechnung wird die Zahnriemenbreite auf 32 mm korrigiert, um bei der genauen Dimensionierung eine ausreichende Sicherheit zu erhalten. Die kleinste Sicherheit beträgt 1,09. Diese ist für die hier vorliegende Anwendung ausreichend. Anschließend wird die Antriebswelle berechnet. Am linken Wellenende ist die Zahnriemenscheibe angeordnet. Die Lagerung soll mittels Rillenkugellager als Fest-Loslagerung erfolgen. Am rechten Wellenende befindet sich das Sonnenritzel für die Planetenstufe. Ist die Welle modelliert (siehe Bild 4), so werden zunächst über den berechneten Vergleichsspannungsverlauf die für die Festigkeit kritischen Querschnitte identifiziert. An diesen werden dann in der Geometrie entsprechende Kerbwirkungen definiert. Danach wird die Festigkeitsberechnung nach DIN 743 durchgeführt. Am kritischsten Querschnitt wird eine ausreichende Sicherheit > 1,2 erzielt. Weiterhin wird die 1. biegekritische Drehzahl mit rund

8 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 8) /min ermittelt. Somit ist die Welle festigkeitstechnisch ausreichend dimensioniert und unkritisch hinsichtlich ihrer Eigenfrequenz. Bild 3: Zahnriementrieb: Geometrie und Leistung (Festigkeit) Für die anschließende Wälzlagerberechnung werden die Lagerkräfte ebenfalls im Wellenberechnungsmodul ermittelt. Im Wälzlagermodul kann bequem der Wälzlagerhersteller und die gewünschte Lagerart gewählt werden. Nach Vorgabe der Belastungen und der Drehzahl kann über die Lagerauswahlsuche schnell ein passendes Lager herausgesucht werden. Bild 4: Prinzip des Wellenberechnungsmodels Abschließend sind nun noch die Welle-Nabe-Verbindungen zu berechnen. Die Abmessungen des Sonnenritzels sind durch das Planetengetriebe gegeben. Die Zahnriemenscheibe soll mittels Passfederverbindung und das Sonnenritzel mittels Pressverband (Schrumpfsitz) mit der Welle verbunden werden. Da nur eine Drehrichtung für den Betrieb des Turboverdichters in Frage kommt, ist die Berechnung der Passfederverbindung nach Methode C der DIN 6892 ausreichend. Eine Passfederlänge von 20 mm wird bereits als ausreichend ermittelt. Damit ist

9 von A wie Antriebswelle bis Z wie Zahnriemen (Seite 9) die weitere Bedingung der Anwendung der Methode C erfüllt, d.h. die tragende Länge der Passfeder darf nicht größer sein als 1,3 * Wellendurchmesser. Der Pressverband kann ebenfalls leicht ausgelegt werden. Nach Vorgabe der geometrischen Abmessungen und der Belastungen kann man sich vom Programm eine geeignete Passung vorschlagen lassen. Mit der ausgewählten Passung werden dann die entsprechenden Sicherheiten jeweils für das kleinste, mittlere und größte Übermaß automatisch ermittelt. Weiterhin erhält man die notwendige Fügetemperatur aus dem enstprechenden Berechnungsprotokoll. Dieses Beispiel zeigt, dass mit Hilfe des eassistant eine Vielzahl von Komponenten in einem Antriebssystem ausgelegt und professionell berechnet werden können. 6. Verzahnung von Berechnung und Konstruktion Eine weitere Effizienzsteigerung im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess ist durch eine Verzahnung von Berechnungs- und Konstruktionssoftware möglich. Hierfür gibt es die eassistant CAD-PlugIns zu verschiedenen gängigen 3D CAD-Systemen, wie z.b. für SolidWorks, Solid Edge, Autodesk Inventor oder CATIA. Mittels dieser PlugIns lassen sich die Berechnungsmodule aus der Konstruktionsumgebung heraus starten. Auf Basis der Berechnung können dann 3D Modelle direkt im jeweiligen CAD-System erstellt werden. Die Generierung erfolgt mit den jeweiligen Konstruktionselementen des CAD-Systems. Derzeit sind gerad- und schrägverzahnte Außen- und Innenstirnräder, Zahnwellenverbindungen und Wellen möglich. Die Verzahnungen werden dabei mit exakter Zahnform modelliert und können somit für weiterführende Prozesse wie die Fertigung oder Werkzeugherstellung genutzt werden. Weiterhin werden die Berechnungsinformationen mit in den 3D Modellen gespeichert, so dass die Berechnung zu einem beliebig späteren Zeitpunkt wieder aus dem 3D Modell aufgerufen werden kann. Darüber hinaus können die sogenannten Herstelldaten der Verzahnung via Mausklick auf die Zeichnung plaziert werden.