KISSsoft Tutorial: Wälzlager. Aufgabenstellung

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1 KISSsoft Tutorial: Wälzlager Für Release 04/2006 Letzte Änderung :45 KISSsoft Tutorial 007: Wälzlager Aufgabenstellung Allgemeines In KISSsoft wird in der Regel die Berechnung eines Wälzlagers (die in KISSsoft ebenfalls verfügbare Berechnung von Gleitlagern wird hier nicht behandelt) innerhalb der Wellenberechnung durchgeführt. Das Wälzlager wird dabei nicht losgelöst von seiner Umgebung, sondern als Teil eines Systems aus Welle, äusserer Belastung und der Lagerung betrachtet. Der grosse Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Berechnung der Belastung der Wälzlager automatisch und damit weniger fehleranfällig ausgeführt wird. Dies auch für statisch überbestimmte Systeme. Selbstverständlich kann auch ein einzelnes Lager mit einer bereits bekannten Belastung berechnet werden, siehe dazu Kapitel 0. Aufgabenstellung Es soll in diesem Beispiel die in Abbildung 0-1 gezeigte Mehrfachlagerung berechnet werden. Das System ist statisch überbestimmt: das erste Lager ist innerhalb der Hohlwelle platziert und das dritte Lager ist ein Axiallager, das rechts angestellt ist. Die anderen Lager nehmen keine Axialkräfte auf. Lager 1: FAG6205 Lager 2: FAB16006 Lager 3: FAG81106 Lager 4: FAG6304 Kraftelement: Kegelrad (Leistungseingang, 30kW) Kraftelement: Schrägverzahntes Stirnrad (Leistungsausgang, 30kW) Wellengeometrie wie gezeigt Abbildung 0-1 Lagerungsbeispiel für dieses Tutorial. 1 / 9 5. Mai 2006

2 Modellierung des Systems In einem ersten Schritt wird die in Abbildung 0-1 gezeigte Geometrie der Welle modelliert, siehe dazu das Tutorial zum Welleneditor: KISSsoft-Tutorial 006. In einem zweiten Schritt werden die beiden Kraftelemente (Kegelrad und Stirnrad) mit den folgenden Daten definiert: Abbildung 0-1 Definition der Kraftelemente. Danach sollte im grafischen Welleneditor das folgende System vorhanden sein: Abbildung 0-2 Geometrie der Welle und Kraftelemente Alternativ kann in der KISSsoft Wellenberechnung über Datei/Öffnen die Datei Tutorial-007- Step-1 geöffnet werden, darin ist die in Abbildung 0-2 gezeigte Welle mit den Kraftelementen bereits modelliert. Abbildung 0-3 Laden der in Abbildung 0-2 gezeigten Welle. 2 / 9

3 Lager einfügen Um ein Lager auf einer bestehenden Welle einzufügen, wird entweder (im grafischen Welleneditor) Lagerung/Wälzlager gewählt oder das entsprechende Icon rechts im grafischen Welleneditor gewählt: Abbildung 0-1 Einfügen eines Lagers im grafischen Welleneditor. Es erscheint ein Dialog, in dem das Lager positioniert (bezüglich des linken Wellenendes) und definiert wird, siehe dazu die folgenden Abbildungen. Nachdem dieser Dialog mit Ok abgeschlossen wurde, erscheint im grafischen Welleneditor das Lager (grün gezeichnet) an der entsprechenden Stelle. Angaben zu Lager 1, zu beachten: - Flag aussen setzen da das Lager innerhalb der Hohlwelle angeordnet ist. Damit bezieht sich der Durchmesser auf den Aussen- und nicht den Innendurchmesser des Lagers - Reines Radiallager, nimmt keine axialen Kräfte auf Angaben zu Lager 2, zu beachten: - Hier bezieht sich der Durchmesser nun auf den Innendurchmesser des Lagers - Reines Radiallager, nimmt keine axialen Kräfte auf 3 / 9

4 Angaben zu Lager 3, zu beachten - Reines Axiallager, rechts angestellt Abbildung 0-2 Angaben zu den einzelnen Lagern in diesem Beispiel. Angaben zu Lager 4 - Reines Radiallager, nimmt keine axialen Kräfte auf Das System aus Welle, Kraftelementen und Lager sollte nun wie in Abbildung 0-1 gezeigt aussehen. Nachdem das System aus Welle, äusseren Kräften und Lagerung im grafischen Welleneditor definiert wurde, wird dieser mit Eingaben übernehmen geschlossen. Alternativ kann in der KISSsoft Wellenberechnung über Datei/Öffnen die Datei Tutorial-007- Step-2 geöffnet werden (siehe dazu auch Abbildung 0-3), darin ist die in Abbildung 0-1 gezeigte Welle mit den Kraftelementen und Lagern bereits modelliert. Wälzlagerberechnung starten Wälzlagerberechnung starten In der Hauptmaske der Wellenberechnung wird nun mit Berechnen F5 und Auswahl von Wälzlager W050, die Wälzlagerberechnung aufgerufen: Abbildung 0-1 Aufruf der Wälzlagerberechnung aus der Wellenberechnung heraus. 4 / 9

5 Die Angaben zu den Wälzlagern sowie die Belastung resultierend aus den äusseren Kräften werden nun automatisch vom Welleneditor in die Wälzlagerberechnung übernommen. Angaben zu Lager eins und zwei Angaben zu Lager drei und vier Drehzahl, Axialkraft und Radialkraft werden automatisch bestimmt. Resultateübersicht für Lager eins bis vier Abbildung 0-2 Hauptmaske der Wälzlagerberechnung. Wälzlagerberechnung durchführen Unter Generelle Daten kann eine Rechenmethode ausgewählt und weitere Randbedingungen für die Berechnung eingestellt werden: Es kann eine Lebensdauer gefordert werden. Unterschreitet die berechnete Lebensdauer diesen geforderten Wert, so erscheint eine Warnung. Es stehen zur Zeit drei Rechenmethoden zur Verfügung - Standard L10 Methode - Nach FAG (1999) - Nach ISO281 Die beiden letzteren berücksichtigen den Einfluss der Schmierung, siehe dazu Abbildung 0-2 Abbildung 0-1 Angaben zur Berechnung. Wird die vereinfachte Berechnung ( Erweiterte Lebensdauerberechnung/keine ) gewählt, so wird die Schmierung in der Berechnung nicht berücksichtigt. Bei den Rechenmethoden nach FAG und nach ISO281 gehen jedoch die Angaben zur Schmierung in die Berechnung ein. Nach Wahl von Schmierung erscheint das folgende Fenster, in dem Angaben zur Schmierung getroffen werden können. 5 / 9

6 Schmiermittel auswählen Bei Auswahl von Eigene Eingabe kann über den Plusknopf ein eigener Schmierstoff definiert werden. Betriebstemperatur Sauberkeit Abbildung 0-2 Angaben zur Schmierung. Nach Angabe dieser Parameter und schliessen der Fenster über Ok kann in der Hauptmaske der Wälzlagerberechnung, siehe Abbildung 0-2, über Berechnen F5 die Berechnung durchgeführt und mit Protokollieren F6 dokumentiert werden. Die erreichten Lagerlebensdauern werden im unteren Teil der Hauptmaske angezeigt. Erreicht mindestens ein Lager die, wie in Abbildung 0-1 gezeigt, definierte Lebensdauer nicht, so erscheint die folgende Warnung: Abbildung 0-3 Hinweis, dass mindestens ein Lager die geforderte Lebensdauer nicht erreicht. Auswahl eines geeigneten Wälzlagers Über den Auslegeknopf rechts der Liste für die Auswahl des Lagertyps wird eine Liste aufgerufen, in der alle in der Datenbank vorhandenen Lager der entsprechenden Baugrösse (bezogen auf den Innendurchmesser, soll die Auswahl auf den Aussendurchmesser bezogen werden, so ist der Flag aussen zu aktivieren) mit ihrer rechnerischer Lebensdauer (infolge der modellierten Belastung) aufgeführt sind. Es kann hier dasjenige Lager ausgewählt werden welches die geforderte Lebensdauer gerade erreicht und z.b. preislich am günstigsten liegt. Auslegungsknopf Liste aller Lager mit dem richtigen Innendurchmesser Resultierende Lebensdauer Resultierendes fs Abbildung 0-1 Auswahl eines geeigneten Lagers über den Auslegeknopf. 6 / 9

7 Berechnung mit Lastkollektiven Weiterführende Berechnungen Unter Generelle Daten kann selektiert werden, ob für die Berechnung der Wälzlager ein Lastkollektiv verwendet werden soll (siehe Abbildung 0-1). Dabei kann entweder das Lastkollektiv berücksichtigt werden mit dem die Kraftelemente der Welle versehen wurden (dazu den Flag Lastkollektiv aus Wellenberechnung übernommen, siehe Abbildung 0-2), oder es kann lokal ein Lastkollektiv vorgegeben / aus einer Liste (Liste Art des Lastkollektives, siehe Abbildung 0-2) ausgewählt werden. Im letzteren Fall wird dann die Nominallast der Kraftelemente, beaufschlagt mit dem gewählten Kollektiv, verwendet. Es wird dann für alle Lager dasselbe Kollektiv verwendet, im Gegensatz zur oben beschriebenen Vorgehensweise. Abbildung 0-1 Aufruf der Untermaske zur Auswahl Lastkollektiv über das Fenster Generelle Daten. Wenn der Flag Lastkollektiv aus... gesetzt ist, so wird das Lastkollektiv mit dem die Kraftelemente versehen wurden für die Wälzlagerberechnung verwendet. Dieser Flag ist nur aktivierbar wenn die Kraftelemente auch mit einem Lastkollektiv beaufschlagt wurden. Abbildung 0-2 Auswahl eines Lastkollektives. Ist der Flag nicht gesetzt, kann in der Auswahlliste ein Lastkollektiv aus der Datenbank ausgewählt werden. Dieses wird dann mit der nominellen Belastung, den Bezugswerten, verwendet. Berechnung der thermisch zulässigen Betriebsdrehzahl Die Bestimmung der thermisch zulässigen Bezugsdrehzahl wird in der DIN (Entwurf) beschrieben. Die thermisch zulässige Betriebsdrehzahl kann relativ stark von anderen Grenzdrehzahlen abweichen, da die Bezugsbedingungen nur für ganz bestimmte Fälle zutreffen. Um die thermisch zulässige Betriebsdrehzahl zu bestimmen, muss zuerst die thermische Bezugsdrehzahl für den jeweiligen Fall definiert werden. Die Bestimmung der thermischen Bezugsdrehzahl wird in der DIN (Entwurf) definert. Die thermische Bezugsdrehzahl ist die errechnete lagerspezifische Drehzahl bei vorgegebenen Bezugsbedingungen, damit sich ein Gleichgewicht zwischen der Wärmeentwicklung (Reibung) und der Wärmestromabfuhr (über Lagersitz und Schmierstoff) einstellt. Mechanische oder kinematische Kriterien sind bei dieser Drehzahl nicht berücksichtigt. Die Bezugswerte (Temperaturen, Belastung, Viskosität des Schmierstoffes, Bezugsfläche des Lagers, ) wurden so festgelegt, dass die Bezugsdrehzahlen bei öl- oder fettgeschmierten Lagern identische Werte ergeben. 7 / 9

8 Der Aufruf dieser Berechnung in KISSsoft erfolgt in der Wälzlagerberechnung über Berechnungen / Thermisch zulässige Betriebsdrehzahl : Abbildung 0-1 Aufruf der Berechnung der thermisch zulässigen Betriebsdrehzahl Abbildung 0-2 Fenster zur Berechnung der thermisch zulässigen Betriebsdrehzahl Berechnung mit Ausfallwahrscheinlichkeit ungleich 10% Unter Einstellungen/Modul-Spezifisch erscheint der folgende Dialog, in dem die Ausfallwahrscheinlichkeit (standardmässig auf 10%) festgelegt, verändert werden kann, z.b.: Eingabe der Ausfallwahrscheinlichkeit Es werden nur die Lager der aktivierten Hersteller in der Auswahlliste angezeigt (Filterfunktion für die Wälzlagerdatenbank) Abbildung 0-1 Ausfallwahrscheinlichkeit ungleich 10% vorgeben. Erweitern der Wälzlagerdatenbank Standardmässig sind in KISSsoft mehrere tausend Wälzlager (FAG, Timken, SKF, INA, NSK) in der Datenbank abgelegt. Fehlende Lager können vom Anwender in der Datenbank 8 / 9

9 nachgetragen werden. Über die KISSsoft Startmaske ( Dienstleistungen/Datenbanktool ) kann das Datenbanktool aufgerufen werden. Hier wird nun die KISSsoft Datenbank geöffnet ( Datenbank/Öffnen ) und die entsprechende Wälzlagerdatenbank (hier einreihige Zylinderrollenlager) ausgewählt. Die Datenbank kann nun über Neu um einen neuen Datensatz erweitert werden, diese neu eingetragenen Wälzlager stehen nachher für die Berechnung zur Verfügung. Berechnung eines einzelnen Lagers mit bekannter Belastung Soll nur ein einzelnes Lager mit einer bekannten Belastung untersucht werden, so ist es nicht notwendig ein System aus Welle, Lasten und Lagerung in der Wellenberechnung zu modellieren. Es kann dann direkt die Wälzlagerberechnung wie folgt aufgerufen werden: Abbildung 0-1 Direktes Starten der Wälzlagerberechnung. Unter Generelle Daten kann die Anzahl der zu rechnenden Lager gewählt werden. Diese werden danach definiert (Auswahl der Lagerart, Innendurchmesser und Typ) und es muss die Belastung für beide Lager definiert sein. Die Axialkraft wird dabei global vorgegeben, die Verteilung der Axiallast auf die einzelnen Wälzlager erfolgt je nach gewählter Kraftaufnahme (je nachdem wie die Lager angestellt sind). 1. Anzahl Lager unter Generelle Daten wählen 2. Drehzahl und Axialkraft vorgeben 3. Lager wählen (Bauform, Durchmesser und Typ) 4. Lastrichtungen vorgeben 5. Berechnung ausführen und protokollieren Abbildung 0-2 Direkte Berechnung eines Paares von Wälzlagern, ohne Modellierung der Welle 9 / 9