KISSsys: Effiziente Vorauslegung von Getriebekonzepten

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1 KISSsoft AG Frauwis 1 CH Hombrechtikon Telefon: Berechnungssoftware für den Maschinenbau Fax: info@kisssoft.ch KISSsys: Effiziente Auslegung von Antrieben 1. Einführung Mit KISSsys (Abbildung 1-1), einer seit drei Jahren kommerziell verfügbaren Software, kann der Leistungsfluss in Antriebssträngen abgebildet und mit einer Festigkeitsrechnung der im Antriebsstrang vorhandenen Maschinenelemente verknüpft werden. Damit lassen sich komplette Getriebe / Antriebsstränge parametrisieren und bezüglich Festigkeit und Lebensdauer analysieren. KISSsys erlaubt es dem Anwender unter anderem, rasch detaillierte Parameterstudien eines kompletten Getriebes / Antriebstranges durchzuführen um verschiedene Varianten eines Entwurfes effizient zu vergleichen. Das Konzept der Software soll erläutert und die Einsatzmöglichkeiten beschrieben werden. Der Fokus dieses Berichtes liegt auf der Anwendung von KISSsys im Bereich Fahrzeugbau. Im Speziellen werden die Erfahrungen und Performance an Hand von Fallbeispielen aus den Firmen GETRAG und LIEBHERR besprochen. KISSsys kann aber ebenso nutzbringend in anderen Bereichen wie industrieller Getriebebau, Feinwerktechnik oder Powertools verwendet werden. Abbildung 1-1 KISSsys mit Baumstruktur, Schema des Leistunsflusses, 3D Grafik, Tabellen und Dialogen KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 1 von 9 KISSsys: Effiziente Vorauslegung von Getriebekonzepten

2 2. KISSsoft / KISSsys, CAE-tools für Maschinenelemente KISSsys benutzt KISSsoft für die Festigkeits- und Lebensdauerberechnung der verschiedenen Maschinenelemente. KISSsoft ist eine CAE-Software für die schnelle und sichere Auslegung, Optimierung und Nachrechnung von Maschinenelementen wie Zahnräder, Wellen, Lager, Schrauben, Wellen-Nabenverbindungen und Federn. KISSsoft richtet sich an den Anwender im Getriebebau und ist bekannt für seine vielfältigen Optimierungsmöglichkeiten. Die Rechenmethoden beruhen alle auf Normen (z.b. ISO, AGMA, DIN) oder anerkannter Fachliteratur (z.b. Niemann, FKM). Der Fokus von KISSsoft liegt auf der Berechnung von Verzahnungen und bietet in diesem Bereich eine Fülle von Funktionalitäten. Eine der leistungsfähigsten dieser Funktionen iteriert durch ein vorgegebenes Set von Parametern (z.b. Bereich für Modul, Schrägungswinkel und Achsabstand) und sucht nach geeigneten Lösungen für eine Verzahnung, welche dann nach verschiedenen Kriterien (Festigkeit, Lärm, Gewicht, Steifigkeitsschwankungen) gewichtet werden. Die Entwicklung der Software begann vor rund 25 Jahren durch eine Getriebefabrik in Zürich, Schweiz und seit 1998 wird sie von einer eigenständigen Firma mit neun Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern weiterentwickelt, unterstützt und vertrieben. Die Software wird von Maschinenbau- Ingenieure geschrieben um sicherzustellen, dass der Konstrukteur am Arbeitsplatz ein Instrument erhält, welches seiner Vorgehens- und Denkweise entspricht. KISSsoft hat sich in Europa zur führenden Software für Verzahnungsgeometrie, Festigkeits- und Lebensdauerberechung im Getriebebereich entwickelt. Die Entwicklung und Konzeption eines Getriebes ist ein iterativer Prozess. Jede Änderung an einem Element des Antriebsstrangs (wie z.b. der Schrägungswinkel an einem Stirnrad) beeinflusst die meisten anderen Elemente (z.b. die Lager, bzw. die darauf wirkende Kräfte). Alle diese Abhängigkeiten von Hand zu überprüfen ist sehr aufwändig und fehleranfällig. Ziel ist somit, nicht nur das einzelne Zahnrad, sondern den ganzen Antriebsstrang laufend überblicken zu können. Dies ist die Aufgabe von KISSsys. Hier sind alle Maschinenelemente (Zahnräder, Wellen, Lager, Schrauben, ) im Leistungsfluss integriert und die Festigkeits- oder Lebensdauerberechnung von allen Elementen wird gleichzeitig durchgeführt. Eine 3D- Darstellung des aktuellen Zustandes des Systems wird simultan erstellt und zeigt jeweils unmittelbar den Einfluss der Änderung von Parametern an (z.b. für eine Kollisionsprüfung). Dies beschleunigt den Entwicklungsprozess wesentlich und ergibt vor allem eine sehr viel ausgewogenere Auslegung der verschiedenen Komponenten des Antriebsstrangs bereits in der Konzeptphase. KISSsys hat folgende Eigenschaften: Berechnung der Kinematik: Leistungsfluss/Drehzahlen mit Stirn-, Kegel-, Schnecken- und Kronenrad-Stufen Modellierung von Umlaufgetrieben (Planeten, Ravigneaux, Wolfrom, ) Differentiale (mit Kegel- oder Stirnrädern), Ketten- und Riementriebe Kupplungen können aktiviert und deaktiviert werden, Schlupf wird berücksichtigt Am System angreifende äussere Lasten werden berücksichtigt Lagersteifigkeiten und Wirkungsgrade 3D-Modell: Automatische 3D-Darstellung (auf Grund der Elementstruktur) 2D-Darstellung von Funktionen (Ergebnisse von Berechnungen, beispielsweise Gesamt-Gewicht in Abhängigkeit der Übersetzungsverteilung) Export des 3D-Modells an CAD, Import von Getriebe-Gehäusen (step / iges) KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 2 von 9

3 Überprüfung auf Kollisionen Spezielle Eigenschaften: Berechnungen mit Lastkollektiven für alle Maschinenelemente im Modell Verschiedene Varianten von Getrieben im gleichen Modell Automatische Dokumentation (Festigkeits-Nachweise) für das komplette Getriebe Integrierte Makrosprache für das Implementieren von Spezialfunktionen Seit der ersten Version von KISSsys im Jahr 2001 sind schon verschiedene, breit gestreute Anwendungen erfolgreich realisiert worden. Nebst Anwendungen in der Maschinenindustrie (wie Getriebemotoren, Kran-Antriebe, Windkraftanlagen), der Feinwerktechnik (Bohrmaschinen, Ventilsteuerungen, Sitzverstellungen) sind auch umfangreiche Projekte in der Fahrzeugindustrie realisiert worden. Als Beispiele seien hier erwähnt: Modellierung des Schaltgetriebes des Fahrzeuges eines führenden Formel-1 Teams Dazu gehört das Schaltgetriebe (7 Vorwärts- und 1 Rückwärtsgang), die Zwischenuntersetzung über eine Kegelradstufe und das Stirnraddifferential (Abbildung 2-1, links). Die Lebensdauerberechnung erfolgt für die Zahnräder, Lager und eingeschränkt für die Wellen mit in Rennen gemessenen Lastkollektiven. Ein Element des Lastkollektivs umfasst die Häufigkeit, die Drehzahl, das Drehmoment und die Schaltstellung. Damit wird eine der sehr mächtigen Eigenschaften von KISSsys ausgenützt, indem bei der Bestimmung der Gesamtlebensdauer bei jedem Kollektivelement zuerst der Leistungsfluss entsprechend der gewünschten Schaltstellung gesetzt und erst dann die Berechnung der Schädigungen der vorhandenen Maschinenelemente durchgeführt wird. Als Resultat ergibt sich eine übersichtliche Tabelle mit den Lastkollektivbewerteten Lebensdauern aller Teile. Damit sind sowohl die kritischen Elemente (Lebensdauer zu knapp) als auch die überdimensionierten Elemente (Möglichkeit, um Gewicht einzusparen) sofort ersichtlich. Das Getriebe kann so sowohl für den generellen Einsatz während der Saison als auch spezifisch für einzelne Circuits optimiert werden. Abbildung 2-1 3D-Ansichten in KISSsys: Formel 1 Antrieb (links) und fahrbarer Kran (rechts) KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 3 von 9

4 Grosse fahrbare Kräne Grosse Fahrzeugkrane weisen acht oder mehr Achsen auf von denen der grössere Teil angetrieben wird. Dementsprechend komplex sind die Achsverteilergetriebe mit den angeschlossenen Differentialen sowie den Radnabengetrieben (Abbildung 2-1, rechts). Eine Berechnung für verschiedene Lastfälle, z.b. für einen Vergleich zwischen Fahrt auf Strasse und im Gelände resultiert daher in einer hohen Zahl an Berechnungen für einzelne Maschinenelemente. Die Strukturierung dieser Berechnungen mit KISSsys spart dabei viel Zeit und erhöht die Übersicht. Entwicklung von neuen Antriebskonzepten für Traktoren Leistungsverzweigte Getriebe werden verwendet um eine kontinuierlich variable Fahrgeschwindigkeit zu erreichen. Dazu wird die Motorenleistung in einem Planetengetriebe in einen hydrostatischen und in einen mechanischen Teil aufgeteilt. Im hydraulischen Teil treibt eine Axialkolbenpumpe einen Hydromotor mit grossem Schwenkwinkel an. Die Hydrostaten wirken dabei als CVT Getriebe. Die beiden Leistungsanteile werden auf einer Summierungswelle wieder vereint und an das Längsdifferential und weiter an die Achsgetriebe geleitet. Im Vordergrund der Aufgabenstellung stehen dabei die Bestimmung der Gesamtwirkungsgrade, des hydrostatischen Leistungsanteils sowie die Lebensdauerberechnung mit kundenspezifischen Lastkollektiven. Interessant ist weiterhin die Aufgabenstellung, für den Versuch ein Lastkollektiv zu bestimmen, das zu einer vergleichbaren Schädigung führt, wie die im Betrieb zu erwartenden Belastungen. Dabei sind der Lasterhöhung zur Verkürzung der Testdauer enge Grenzen gesetzt. Mit Hilfe des Berechnungsmodelles lassen sich vergleichsweise rasch verschiedene Lastkollektive auf ähnliche Bauteilschädigung hin vergleichen. Abbildung 2-2 KISSsys Modell eines Schleppergetriebes KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 4 von 9

5 3. KISSsys in Entwicklung von handgeschalteten Fahrzeuggetrieben Ein Anwendungsbereich von KISSsys ist die Vorentwicklung von Automobilgetrieben. Oftmals steht in einer Konzeptphase nur wenig Zeit für Berechnungen zur Verfügung. Ein Einfluss von Varianten auf Festigkeitswerte oder Deformationen ist daher nicht bekannt. Mit KISSsys dagegen erhält man schon in der ersten Konzeptphase Hinweise auf die Belastung, Deformation und Lebensdauer der verschiedenen Elemente des Getriebes. Verschiedene Anordnungen von Lagern und Verzahnungsstufen können sehr schnell untersucht werden. Der Einfluss der Varianten auf Lagerlebensdauern und Wellendeformation (abschätzen des Tragbildes, zulässige Neigung von Wälzlagern) wird mit KISSsys beurteilt. Die Berechnung kann entweder für jeden Gang einzeln, oder mit Hilfe eines Lastkollektives für ein Belastungsspektrum erfolgen. Alle denkbaren Schaltstellungen sind dabei im gleichen Modell enthalten, da der Leistungsfluss durch das Aktivieren oder Deaktivieren von Kupplungen entsprechend der Kinematik des Getriebes gesteuert werden kann. Als einfaches Beispiel soll hier ein dreistufiges Schaltgetriebe dienen. In Abbildung 3-1 ist ein Modell eines solchen Getriebes dargestellt: Unten links befindet sich die Antriebswelle, welche als Direktgang an die Abtriebswelle gekuppelt werden kann und über eine Verzahnung die Vorgelegewelle antreibt. Auf der oben liegenden Vorgelegewelle befinden sich zwei Losräder, die über schaltbare Kupplungen mit der Welle verbunden werden können. Die graue Linie im Schema rechts bedeutet dabei eine offene Kupplung, eine rote Linie eine Verbindung, die Leistung überträgt (geschlossene Kupplung). Die Lagerkräfte der Losräder werden als Einzelkräfte auf der Vorgelegewelle dargestellt. Abbildung 3-1 Dreistufiges Schaltgetriebe (vereinfachtes Beispiel), das Stirnrad der Konstant-Untersetzung auf der Vorgelegewelle ( Secondary Shaft ) ist fliegend gelagert. Mit der oben gezeigten Anordnung stellen sich die folgenden Neigungswinkel der Welle in Winkelminuten (Schaltstellung: 2.Gang) an verschiedenen Stellen ein: Stelle: Zahnrad Zahnrad Zahnrad Lager 1 Lager 2 KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 5 von 9

6 Konstante Untersetzung 1. Gang 2. Gang Input Shaft Secondary Primary Eine einfache Variation dieses Modells wäre z.b. das Vertauschen der Reihefolge von Zahnrad und Lager auf der Vorgelegewelle. Es ergibt sich eine Darstellung wie in Abbildung 3-2. Abbildung 3-2 Dreistufiges Schaltgetriebe (wie zuvor), die Vorgelegewelle ( Secondary Shaft ) ist beidseitig aussen gelagert. Die Berechnungen liefern wiederum die Neigungswinkel an den Zahnrädern und Lagerstellen. Die folgende Tabell zeigt die Neigungswinkel der Welle in Winkelminuten (Schaltstellung: 2.Gang) an verschiedenen Stellen: Stelle: Zahnrad Konstante Untersetzung Zahnrad 1. Gang Zahnrad 2. Gang Lager 1 Lager 2 Input Shaft Secondary Primary Durch das Verschieben des Lagers auf der Vorgelegewelle lassen sich die Neigungen der Zahnräder und Lager also wesentlich reduzieren, was zu verbessertem Tragbild und höherer Lagerlebensdauer führt, oder bei einer Reduktion des Wellenquerschnitts eine Gewichtsverminderung ergibt. Bei der Firma GETRAG wird KISSsys in der Vorentwicklung für neue Automobilgetriebe eingesetzt, zurzeit unter anderem für Doppelkupplungsgetriebe. GETRAG ist spezialisiert auf die Entwicklung, Test und Fabrikation von Automobil-Getrieben. Für den Zeitaufwand der mit KISSsys durchgeführten Untersuchungen liegen folgende Aussagen vor: KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 6 von 9

7 Untersuchung von Radsatzkonzepten (Zeitaufwand beim Aufbau eines neuen Getriebemodells 4-6h) Vergleich von Lagerkonzepten (Zeitaufwand beim Vergleich mehrerer Lagerkonzepte je nach Aufwand beim Umbau des Modells: 0,5 bis 1h pro Variante) Optimierung des Layouts (z.b. konnte durch eine Variation der Reihenfolge der Radebenen die Lagerlebensdauer eines kritischen Lagers um den Faktor 4 erhöht und nebenbei die Durchbiegung halbiert werden! Zeitaufwand für die Untersuchung der 8 Varianten: 4h) Auslegung der Wellen und Vorauswahl der Lager (Zeitaufwand für die Auslegung der Wellen und Lager bei einer Untersuchung eines DKGs ca. 4h) Gegenüber der bisherigen Vorgehensweise ergab sich gemäss den Angaben der zuständigen Ingenieure eine Reduktion des Zeitaufwandes für solche Untersuchungen von bis zu 80%! 4. Anwendung bei der Entwicklung von Automaten-Getrieben Mit KISSsys können nicht nur die klassischen Schaltgetriebe modelliert werden. Die Abbildung des Leistungsflusses sowie die Berechnung der Umfangskräfte, Drehmomente und Relativdrehzahlen in Umlaufgetrieben war eine der wesentlichen Forderungen bei der Entwicklung von KISSsys. In Kombination mit den aktivierbaren Kupplungen lässt sich die Leistungsaufteilung und die unterschiedlichen Untersetzungen in Planetenstufen realisieren (z.b. ein Ravinaux-Satz). Für einen grossen deutschen Automobilhersteller wurde beispielsweise so ein komplettes Modell eines Automatikgetriebes erstellt. Bei Doppelkupplungsgetrieben lassen sich Kupplungen nicht nur als geschlossen oder offen abbilden, sondern sie können auch mit Schlupf oder vorgegebener Last in der Kinematikberechnung berücksichtigt werden. 5. Einsatz bei der Berechnung des Nockenwellen-Antriebs von Benzin- und Dieselmotoren Der Nockenwellen-Antrieb von Motoren besteht aus mehreren ineinander greifenden Zahnrädern, da neben der eigentlichen Ventilsteuerung Nebenantriebe betrieben werden müssen (dies trifft insbesondere für Grossmotoren zu). Dazu gehört der Antrieb von Hydraulikpumpen, Kompressoren, Wasserpumpen, Generatoren usw. Je nach Einsatzzweck des Motors können dabei verschiedene dieser Aggregate am Motor angeordnet oder weggelassen werden. Es stellt sich also die Aufgabe, kundenspezifische Varianten der Antriebskette rasch überprüfen zu können. Die manuelle Nachrechnung der Verzahnung ist aufgrund der hohen Anzahl Zahnräder und des immer wieder ändernden Leistungsflusses fehleranfällig und aufwändig. Die Firma Liebherr Machines Bulle, Schweiz benutzt KISSsys seit zwei Jahren zur Auslegung von Zahnrädern an Dieselmotoren (Abbildung 5-1), die als Antrieb für verschiedenste Nutzungen verwendet werden. Die Anforderung von Kundenseite zur Verwendung der gelieferten Energie sind unterschiedlich: mit Hilfe von KISSsys können die kundenspezifischen Konfigurationen eingegeben und die kritischen Komponenten schnell und zuverlässig kontrolliert werden. Das Fehlerrisiko wird enorm vermindert wobei der Zeitaufwand für die Nachrechnung minimal ist. Eine Überprüfung und Dokumentation einer Kundenspezifischen Konfiguration dauert nur wenige Minuten! KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 7 von 9

8 Abbildung 5-1 Nockenwellen-Antrieb eines Dieselmotors von Liebherr KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten Abbildung 5-2 Ansicht des Getriebezugs (3D) und des Leistungsflusses (Prinzipskizze) in KISSsys 8 von 9

9 Die Abbildung 5-1 zeigt ein Beispiel für den Antrieb von Hydraulischen Pumpen und eines Kompressors. Das KISSsys-Modell (Abbildung 3-2) verwaltet den Leistungsfluss von der Motorhauptwelle über die Zahnräderkonfiguration zu den möglichen Nebenantrieben und Nockenwellen. Zu den Nebenantrieben gehört der Antrieb eines Luftkompressors, Einspritzpumpe, Wasserpumpe und ein Hydraulik-Aggregat. Über das Benutzerinterface des Modells (eine Excel-ähnliche Tabelle, Abbildung 5-3) wird die geforderte Antriebsleistung der Nebenabtriebe eingegeben. Weitere notwendige Vorgaben, wie die Nominaldrehzahl des Motors oder Anwendungsfaktoren (zur Berücksichtigung von Anfahrstössen), werden ebenfalls entsprechend dem konkreten Berechnungsfalls direkt definiert. Über Funktionsaufrufe kann das System komplett durchgerechnet oder einzelne Zahnradpaarungen in der Detailberechung (Aufruf der KISSsoft-Zahnradberechnungsmaske) eingesehen und verändert werden. Ebenfalls per Knopfdruck wird ein Gesamtprotokoll erzeugt, welches die Systemdaten und die Festigkeitsberechnung nach ISO-Norm von allen Zahnrädern dokumentiert, dies wahlweise in englischer, deutscher, französischer, italienischer oder spanischer Sprache. Abbildung 5-3 User-Interface zur Nachrechnung des Dieselmotors-Nebenantriebs; rote Zahlen zeigen die notwendigen Eingaben an, schwarze Zahlen Resultate. Blau hinterlegte Felder sind Funktionsknöpfe. 6. Schlussfolgerungen Die besprochenen Fallbeispiele zeigen eine Steigerung der Effizienz bei der Antriebsauslegung und bei der Kontrolle von neuen Anforderungen an bestehende Antriebe durch die Verwendung von KISSsys und KISSsoft. Seit der Einführung der Software ist eine beträchtliche Zahl unterschiedlichster Berechnungsmodelle erstellt und verwendet worden. Die Zahl der KISSsys Anwender steigt kontinuierlich mit der Akzeptanz dieses Softwarekonzepts das auf Systemebene statt auf Elementebene arbeitet. Der Zeitaufwand für erste qualitative und quantiative Beurteilungen eines Getriebekonzeptes wird massiv reduziert, vor allem dann, wenn verschiedene Konzepte miteinander verglichen oder optimiert werden sollen. Dies führt dazu, daß in der gleichen Zeit mehr Konzepte verglichen werden, was wiederum die Chance auf eine ausgewogene und erfolgreiche Konstruktion erhöht. KISSsys: Effiziente Auslegung von Getriebekonzepten 9 von 9