Über das Modulbaumfenster im Tab Module wird die Berechnung für Passfedern aufgerufen:

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1 KISSsoft Tutorial 003: Passfeder KISSsoft AG Uetzikon Hombrechtikon - info@kisssoft.ag Switzerland - KISSsoft Tutorial: Passfeder 1 Starten von KISSsoft 1.1 Starten des Programms Nach Installation und Freischaltung von KISSsoft als Test- oder lizenzierte Version wird KISSsoft wie folgt aufgerufen. Der Programmstart erfolgt über Start/Programme/KISSsoft /KISSsoft. Es erscheint die folgende KISSsoft Benutzeroberfläche: Abbildung 1.1 Starten von KISSsoft, Startfenster. 1.2 Auswahl der Berechnung Über das Modulbaumfenster im Tab Module wird die Berechnung für Passfedern aufgerufen: Abbildung 1.2 Auswahl Berechnungsmodul Passfeder unter Welle-Nabe-Verbindungen. 1 / August 2009 Release 08/2009

2 2 Berechnung einer Passfeder 2.1 Aufgabenstellung Es soll eine Passfeder (nach DIN 6892, Methode B) für die folgenden Geometrie- und Belastungsdaten ausgelegt und nachgerechnet werden: Wellendurchmesser 120mm Nenndrehmoment 4 000Nm Aussendurchmesser Nabe D1 200mm* Maximaldrehmoment Nm Aussendurchmesser Nabe D2 270mm Anwendungsfaktor 1.50 Breite zu Aussendurchmesser D2 Häufigkeit der Lastspitze innerhalb der tragenden Länge c 17mm Häufigkeit Lastwechsel Abstand a 0 96mm Wechselmoment mit langsamen Anstieg Passfeder nach DIN A32x18x125 Material Nabe GG25 Anzahl Passfedern 1 Material Passfeder C45 Kantenbruch Welle Keiner Material Welle C60 Kantenbruch Nabe 0.8mm Tragende Länge l tr =93mm *Da im Teil 1 10 Bohrungen (64 mm Durchmesser) für die elastischen Elemente der Kupplung eingebracht sind, ist die Nabe weniger verdrehsteif. Zur Berechnung des Ersatzzylinders wird nicht der Aussen-, sondern der Lochkreisdurchmesser der Nabe verwendet. In KISSsoft stehen zurzeit zwei verschieden Rechengänge für den Nachweis der Festigkeit einer Passfeder zur Verfügung. Diese können unter den modulspezifischen Einstellungen über Berechnung Einstellungen, oder direkt über den Knopf in der Befehlsliste ausgewählt werden. Die Methode C der DIN ist eine vereinfachte Methode und wird hier nicht weiter berücksichtigt. Als Standard ist die Rechenmethode nach DIN 6892, Methode B eingestellt, kann also bei diesem Beispiel beibehalten werden (siehe Abbildung 2.1) Abbildung 2.1 Auswahl der Rechenmethode, DIN 6892, Methode B. Hierbei sind folgende Materialkennwerte vorgegeben: Fliessgrenze Re [MPa] Bruchfestigkeit Rm [MPa] EN-GJL-250 (GG 25) (spröde) C45 K (kaltgezogen) C60 N (normalisiert) / August 2009 Release 08/2009

3 Abbildung 2.2 Aufbau der gesamten Verbindung, nachzuweisen ist Teil 1. Abbildung 2.3 Zur Definition von D2, D1, a 0 und c. 2.2 Eingabe der Daten Diese Daten werden wie folgt eingegeben: 3 / August 2009 Release 08/2009

4 Die Auswahl der Rechenmethode ist entscheidend. Weiter ist die Passfederform zu wählen, wobei die Details zur Geometrie automatisch über den Wellendurchmesser bestimmt werden, (siehe Abbildung 2.6) Für die Werkstoffe ist Eigene Eingabe zu wählen und oben genannte Werte sind einzutragen (siehe Abbildung 2.7) Abbildung 2.4 Eingabefenster - Eingabe der Leistungsdaten und Hauptabmessungen. Die genauen Angaben zur Geometrie, wie in Abbildung 2.2 gezeigt, werden wie folgt eingegeben: Abbildung 2.5 Eingabefenster, Bereich: Geometrie - Angaben zur Geometrie der abgesetzten Nabe. Die Geometrie der Nabe, insbesondere für abgesetzte Naben, nach Abbildung 2.3, kann direkt über die Oberfläche eingegeben werden. Der Wert für die Breite des Nabenteilaussendurchmessers mit D2 innerhalb der tragenden Länge c, kann angegeben werden. Ist eine abgesetzte Nabe vorhanden, kann der Haken in der Checkbox gesetzt werden, damit die Werte beeinflusst werden können. Ist keine abgesetzte Nabe vorhanden, werden diese Werte gesetzt. Angaben zur Geometrie der Passfeder finden sich unter dem Plus Button Markierung in Abbildung 2.6:, siehe 4 / August 2009 Release 08/2009

5 Die detaillierte Geometrie der Passfeder wird aus dem Wellendurchmesser und der gewählten Passfedernorm bestimmt. Es besteht auch die Möglichkeit, eigene Passfederdimensionen anzugeben. Abbildung 2.6 Angaben zur ausgewählten Passfeder. Die Materialdaten müssen extra angegeben werden (da so nicht in der Datenbank enthalten), diese Eingaben erfolgen über den Plus Button Werkstoffe der Welle, Nabe und Passfeder: rechts neben der Auswahlliste für die Definition des Materials für die Passfeder. Es sind hier die Werte für Fliessgrenze und Bruchfestigkeit anzugeben. Bei der Definition des Materials für die Nabe ist es hier wichtig, den Werkstofftyp richtig auszuwählen. In diesem Beispiel wird festgelegt, dass es sich um einen spröden Werkstoff handelt, was Einfluss auf den Rechengang hat (z.b. werden folglich die zulässigen Pressungen aus der Bruchfestigkeit und nicht aus der Fliessgrenze hergeleitet). Angabe zum Wellenmaterial eingeben. Abbildung 2.7 Angaben zu den Materialien. 2.3 Ausführen der Berechnung und Protokoll Durch Drücken von in der Symbolleiste oder F5 wird die Berechnung ausgeführt und es werden im unteren Bereich des Hauptfensters einige ausgewählte Resultate (Pressungen an den Bauteilen, Sicherheiten gegen zulässige Pressung) angezeigt. Zu beachten ist die Anzeige Konsistent. Diese zeigt an, dass die Eingaben und die gezeigten Resultate zusammenpassen (wird z.b. jetzt das Nenndrehmoment verändert, wechselt die Anzeige auf Inkonsistent bis erneut oder F5 gedrückt wird). 5 / August 2009 Release 08/2009

6 Die Berechnung der Passfeder erfolgt nach DIN Die Berechnung ist vor allem für statische Drehmomente geeignet, mit Einschränkungen auch für schwellende oder wechselnde Momente. Meist ist jedoch die Welle und nicht die Passfeder das kritische Bauteil, diese muss in der Wellenberechnung überprüft werden (siehe auch Kapitel 3). Bei der Berechnung in KISSsoft wird unabhängig von der Passfederform mit der tragenden Passfederlänge (hier l tr =93 mm) gearbeitet. Das Reibschlussmoment muss extern berechnet werden (z.b. in der Berechnung für Presssitz) und muss vorgegeben werden. Ist dieses nicht bekannt, ist der Wert auf null zu setzen. Ausgegeben wird das Minimum der Sicherheiten aus Nenn- und Maximaldrehmoment (Minimum aus statischem und ermüdungsbedingtem Nachweis) sowie die Pressung aus dem Nenndrehmoment. Der Anwendungsfaktor geht dabei nur in das Nennmoment ein. Über das Symbol Protokoll erstellen (siehe rechts von ) oder F6 drücken, wird das Berechnungsprotokoll geschrieben, in dem sämtliche Berechnungsparameter (siehe auch Kapitel 2.5) aufgeführt sind. Dieses Protokoll kann nun z.b. in einen Nachweisbericht eingebunden werden. 2.4 Auslegen des Maximal übertragbaren Drehmomentes Es soll nun in einem zweiten Schritt das Nenndrehmoment bestimmt werden, das gerade noch mit einer Sicherheit von 1.20 übertragen werden kann. Dazu wird unter Modulspezifische Einstellungen (siehe Abbildung 2.8) die geforderte Sicherheit auf 1.20 gesetzt und danach der Auslegen Button (1) rechts neben der Eingabe für das Nenndrehmomentes betätigt. Es wird dann das maximal übertragbare Nenndrehmoment bestimmt, hier 3305 Nm. Wird dann nochmals (2) gedrückt, so ist die minimale resultierende Sicherheit gerade gleich der geforderten Sicherheit von 1.20, siehe unterste Markierungen (3) in Abbildung 2.9. Abbildung 2.8 Modulspezifische Einstellungen. 6 / August 2009 Release 08/2009

7 2 1 3 Abbildung 2.9 Bestimmen des maximal übertragbaren Nenndrehmomentes. (1) Durch Drücken von ergibt sich das maximale Nenn-Drehmoment. (2) Das Ausführen der Nachrechnung ergibt die geforderte Sicherheit (3). 2.5 Bemerkungen zum Protokoll Einige Bemerkungen zu den Zwischenwerten, wie sie im Protokoll aufgeführt sind: - Äquivalentes Drehmoment: Teq=KA*Tnenn, KA aus DIN Umfangskraft aus Drehmoment: Feq=Teq/r, Fmax=Tmax/r - Bestimmen der tragenden Länge, ltr und Tiefe ttr - Flächenpressung aus Kraft und Anpressfläche sowie Beiwert Traganteilfaktor Kv: Abhängig von der Anzahl der Passfedern; es werden maximal 2 Passfedern in der Berechnung berücksichtigt, Kv=0.75 (höher für maximale Flächenpressung (Verformung der Passfeder), Kv=0.9) - Lastverteilungsfaktor K l, inhomogene Lastverteilung in der Passfeder Reibschlussfaktor K R : berücksichtigt, dass ein Teil des Drehmomentes über Reibschluss übertragen wird; wird nur für die maximale Flächenpressung verwendet - Bei spröden Naben keine Übermasspassung vorsehenlastrichtungswechselfaktor f W : Berücksichtigung der Anzahl Lastwechsel; unterschiedlich für schnelle oder langsame Wechsel - Lastspitzenhäufigkeitsfaktor f L : berücksichtigt für den Nachweis gegen das maximale Moment dessen Häufigkeit; unterschiedlich für duktile und spröde Werkstoffe - Stützfaktor f S : Stützwirkung bei auf Druck beanspruchten Bauteilen; materialabhängig - Härteeinflussfaktor f H : bei gehärteten Oberflächen - Zulässige Flächenpressung aus R e oder R p02 für duktile und R m für spröde Werkstoffe und für obige Faktoren - Gültigkeitsbereich der Berechnung: metallische Werkstoffe für Temperaturen von -40 C bis 150 C 7 / August 2009 Release 08/2009

8 3 Wellenberechnung 3.1 Allgemeines Aus den bisherigen Untersuchungen an Passfederverbindungen geht hervor, dass meist die Welle das kritische Bauteil der Verbindung darstellt. Abscheren der Passfeder ist sehr selten und kommt, wenn überhaupt, nur bei Überlast vor. Der in zahlreichen Dauerversuchen mit Passfederverbindungen nachgewiesene Schwingungsverschleiss (infolge Umlaufbiegung und/oder schwingender Torsion) ist meist der Schädigungsmechanismus, der zum Versagen der Verbindung führt. Der komplette Nachweis der Verbindung umfasst eigentlich die Prüfung der Flächenpressung an Welle, Passfeder und Nabe, der Festigkeit der Welle und der Festigkeit der Nabe, wobei letztere in der Regel nicht kritisch ist. In der Passfederberechnung in KISSsoft werden nur die Flächenpressungen geprüft. Der Nachweis der Welle kann in der KISSsoft-Wellenberechnung geführt werden. 3.2 Kerbfaktoren für Wellenberechnung Da die Schädigungsursache (insbesondere für die Welle) eine Kombination aus Spannungsüberhöhung und tribologischen Einflüssen ist, reicht für die Bestimmung von Kerbfaktoren eine Betrachtung einer genuteten Welle alleine nicht aus, d.h. es muss für die Bestimmung von Kerbfaktoren die ganze Verbindung betrachtet (mit hohem Aufwand getestet) werden. Da hierbei eine grosse Menge an Parametern berücksichtigt werden müsste, sind die Angaben zu Kerbfaktoren für die Wellenberechnung z.t. unterschiedlich oder unterliegen einer Streuung. Es bleibt damit dem Berechnungsingenieur überlassen, die verwendeten Kerbfaktoren für die Wellenberechnung kritisch zu hinterfragen. Siehe dazu z.b.: - DIN 6892, Passfedern, Berechnung und Gestaltung - U. Oldendorf, Lebensdauer von Passfederverbindungen, VDI Bericht E. Leidich, Einfluss des Schwingungsverschleisses auf die Tragfähigkeit von Welle- Nabe-Verbindungen, VDI Bericht DIN 743, Tragfähigkeit von Wellen und Achsen 8 / August 2009 Release 08/2009