KISSsoft 03/2015 Tutorial 3

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1 KISSsoft 03/2015 Tutorial 3 Passfeder KISSsoft AG Rosengartenstrasse Bubikon Schweiz Tel: Fax: [email protected]

2 Inhaltsverzeichnis 1 Starten von KISSsoft Auswahl der Berechnung Berechnung einer Passfeder Aufgabenstellung Eingabe der Daten Ausführen der Berechnung und Protokoll Auslegen des maximal übertragbaren Drehmomentes Bemerkungen zum Protokoll Wellenberechnung Allgemeines Kerbfaktoren für Wellenberechnung / 11

3 1 Starten von KISSsoft Nach Installation und Freischaltung kann KISSsoft aufgerufen werden. Der Programmstart erfolgt üblicherweise mittels "StartProgrammeKISSsoft KISSsoft ". Es erscheint die folgende KISSsoft Benutzeroberfläche: Abbildung 1. Starten von KISSsoft, Startfenster 1.1 Auswahl der Berechnung Über das Modulbaumfenster im Tab Module wird die Berechnung für Passfedern aufgerufen: Abbildung 2. Auswahl Berechnungsmodul Passfeder unter Welle-Nabe-Verbindungen / 11

4 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 Aussendurchmesser Nabe D1 200mm* Aussendurchmesser Nabe D2 270mm Breite zu Aussendurchmesser D2 innerhalb der tragenden Länge c 17mm Abstand a 0 96mm Passfeder nach DIN A32x18x125 Anzahl Passfedern 1 Kantenbruch Welle Keiner Kantenbruch Nabe 0.8mm Nenndrehmoment 4 000Nm Maximaldrehmoment Nm Anwendungsfaktor 1.50 Häufigkeit der Lastspitze Häufigkeit Lastwechsel Mit Wechselmoment 15'000 Nm Material Nabe GG25 Material Passfeder C45 Material Welle C60 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 (vgl. Abbildung 3). Abbildung 3. 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) / 11

5 Abbildung 4. Aufbau der gesamten Verbindung, nachzuweisen ist Teil 1 Abbildung 5. Zur Definition von D2, D1, a 0 und c / 11

6 2.2 Eingabe der Daten Diese Daten werden wie folgt eingegeben: 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 7). Für die Werkstoffe ist Eigene Eingabe zu wählen und oben genannte Werte sind einzutragen (siehe Abbildung 8). Abbildung 6. Eingabefenster - Eingabe der Leistungsdaten und Hauptabmessungen Die Geometrie der Nabe, insbesondere für abgesetzte Naben, nach Abbildung 5 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 Abbildung 6., siehe Markierung / 11

7 Die detaillierte Geometrie der Passfeder wird aus dem Wellendurchmesser und der gewählten Passfedernorm bestimmt. Es besteht auch die Möglichkeit, eigene Passfederdimensionen anzugeben. Abbildung 7. Angaben zur ausgewählten Passfeder Die Materialdaten müssen extra angegeben werden (da so nicht in der Datenbank enthalten), diese Eingaben erfolgen über den Plus Button rechts neben der Auswahlliste für die Werkstoffe der Welle, Nabe und Passfeder: Definition des Materials für die Passfeder. Es sind hier die Werte für Zugfestigkeit und Streckgrenze 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) / 11

8 Angabe zum Wellenmaterial eingeben. Abbildung 8. 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). 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 ltr=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 / 11

9 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 (vgl. Abbildung 9) die geforderte Sicherheit auf 1.20 gesetzt und danach der Auslegen Button rechts neben der Eingabe für das Nenndrehmomentes betätigt. Es wird dann das maximal übertragbare Nenndrehmoment bestimmt, hier 5200 Nm. Wird dann nochmals gedrückt, so ist die minimale resultierende Sicherheit gerade gleich der geforderten Sicherheit von 1.20, siehe unterste Markierung in Abbildung 10. Abbildung 9. Modulspezifische Einstellungen Abbildung 10. Bestimmen des maximal übertragbaren Nenndrehmomentes / 11

10 Durch Drücken von ergibt sich das maximale Nenn-Drehmoment. Das Ausführen der Nachrechnung ergibt die geforderte Sicherheit. 2.5 Bemerkungen zum Protokoll Einige Bemerkungen zu den Zwischenwerten, wie sie im Protokoll aufgeführt sind: Äquivalentes Drehmoment: Teq=KA*Tnenn, KA aus DIN3990 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 Kneq; Knmax: Abhängig von der Anzahl der Passfedern; es werden maximal 2 Passfedern in der Berechnung berücksichtigt, der Tragfaktor =0.75 (höher für maximale Flächenpressung (Verformung der Passfeder), Kv=0.9) Lastverteilungsfaktor Kl, inhomogene Lastverteilung in der Passfeder Reibschlussfaktor KR: berücksichtigt, dass ein Teil des Drehmomentes über Reibschluss übertragen wird; wird nur für die maximale Flächenpressung verwendet Bei spröden Naben keine Übermasspassung vorsehen Lastrichtungswechselfaktor der fw: Berücksichtigung der Anzahl Lastwechsel Lastspitzenhäufigkeitsfaktor der fl: berücksichtigt für den Nachweis gegen das maximale Moment dessen Häufigkeit; unterschiedlich für duktile und spröde Werkstoffe Stützfaktor fs: Stützwirkung bei auf Druck beanspruchten Bauteilen; materialabhängig Härteeinflussfaktor fh: bei gehärteten Oberflächen Zulässige Flächenpressung aus Re oder R p02 für duktile und Rm für spröde Werkstoffe und für obige Faktoren Gültigkeitsbereich der Berechnung: metallische Werkstoffe für Temperaturen von -40 C bis 150 C / 11

11 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 1790 E. Leidich, Einfluss des Schwingungsverschleisses auf die Tragfähigkeit von Welle-Nabe- Verbindungen, VDI Bericht 1790 DIN 743, Tragfähigkeit von Wellen / 11