Verzahnungsberechnung für Windkraftgetriebe, ein Prozess

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1 Verzahnungsberechnung für Windkraftgetriebe, ein Prozess Getriebeauslegung und Nachrechnung mit System Getriebeauslegung und Nachrechnung mit System H. Dinner, KISSsoft AG, Berechnungen von Maschinenelementen wie Verzahnungen, Wellen, Wälzlager und Verbindungen sollen immer schneller und in noch grösserer Zahl durchgeführt werden, vollständig nachvollziehbar sein und dabei besser dokumentiert werden. Der Berechnungsingenieur muss diese auch gegen Widerstände internen und externen Kunden verkaufen, Resultate, Berechnungsmodelle und Annahmen sollen übersichtlich und umfassend dargestellt werden. Der Zeitdruck steigt, die Fehleranfälligkeit beim Datenaustausch zwischen einzelnen Berechnungen, zwischen Berechnung und CAD und über die ganze Projektlaufzeit darf aber nicht zunehmen. Änderungswünsche des Kunden die die konstruktive Umsetzung einer Aufgabe angehen sind an der Tagesordnung, mehrere Rechenläufe mit überarbeiteten Annahmen werden gefordert. Diese steigenden Anforderungen bedingen ein Berechnungswerkzeug, mit dem rasch und sicher auch umfangreiche, viele Komponenten umfassende Antriebsstränge ausgelegt und wieder und wieder durchgerechnet werden können. Dabei ist die grafische, tabellarische und textuelle Darstellung der Resultate von grosser Wichtigkeit, dem Konstrukteur soll das Berichte schreiben erleichtert und dem Kunden die Aussagen empfängergerecht aufbereitet werden. Durch eine Kombination der Maschinenelemente Software KISSsoft und der Systemsoftware KISSsys wird dem Berechnungsingenieur ein Werkzeug zur Verfügung stellt das im Team die gestellten Aufgaben zeitgerecht, überprüfbar und mit dem notwendigen Detaillierungsgrad löst. 1 Die Aufgabenstellung 1.1 Klassen von Maschinenelementesoftware Die klassische, auf Formeln basierende Berechnung von Maschinenelementen stellt insbesondere im Getriebebau noch immer und zu Recht den Stand der Technik dar. Numerische Ansätze werden nur punktuell verwendet, die im Formelwerk integrierten Erfahrungen aus der Praxis und Messungen erlauben eine rasche und treffsichere Auslegung der Komponenten, ohne dabei auf zeitaufwändige numerische Modell zurückgreifen zu müssen. Das umfangreiche Normenwerk, insbesondere die noch immer weltweit anerkannten Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 1 von 24

2 DIN Normen, lässt sich relativ gut in Software abbilden, der Markt für solche Softwarelösungen ist aber beschränkt und umkämpft. Die angebotenen Softwarepakete lassen sich grob in drei Kategorien unterteilen I. Software für den Nachweis bekannter Maschinenelemente: Die regelkonforme Nachrechnung eines gegebenen Maschinenelementes (z.b. eine Passfederverbindung) stellt den ersten Schwierigkeitsgrad in einer Berechnungssoftware dar. Die Zahl der angebotenen kommerziellen Lösungen ist gross, ein gutes Dutzend Produkte teilen sich diesen Markt auf. II. Expertensystem für die Auslegung und Optimierung von Maschinenelementen: Die Nachrechnung reicht aber oft nicht aus da eine Software dem Konstrukteur schon in der Auslegephase helfen soll. Hier sind dann als zweiter Schwierigkeitsgrad Expertensysteme mit Funktionalitäten gefragt die dem Anwender zu einer gegebenen Problemstellung Lösungen, d.h. ein Design eines Maschinenelementes, vorschlagen. Nur wenige Produkte decken diesen Kundenwunsch konsequent ab, Auslegungs- und Suchfunktionen bieten nur die wenigsten Pakete. III. Systemlösungen zur Analyse gesamter Systeme: Den dritten Schwierigkeitsgrad stellen Softwarepakete dar die ganze Systeme, ganze Antriebsstränge abbilden anstatt nur Einzelberechnungen zu lösen. Im Bereich Maschinenelemente/Getriebebau sind dem Autor hierzu weltweit nur noch drei kommerzielle Lösungen bekannt. Eines dieser Systeme soll im Folgenden beschrieben werden. Interessanterweise ist die Zahl an Lösungen die die Vorteile aller drei Klassen kombinieren sehr klein, eine (die Einzige?) sei hier vorgestellt. Die Maschinenelementesoftware KISSsoft ist so konzipiert, dass sie den Anwender sowohl in der Auslegung, Optimierung als auch der Nachrechnung unterstützt. Sie deckt damit den gesamten Berechnungsprozess, von der Problemstellung bis zur Dokumentation, ab und darf sich daher Expertensystem (Kategorie II gemäss oben) nennen. Insbesondere die Verzahnungsberechnung als die umfangreichste Berechnung in KISSsoft darf nicht auf eine Nachrechnung der Festigkeit reduziert werden (würde dem ersten Schwierigkeitsgrad entsprechen), dieser Nachweis ist zwar notwendig und wird explizit gefordert, stellt aber nur einen einzelnen Schritt im gesamten Prozess Verzahnungsberechnung dar. Die Verzahnungsberechnung muss als Prozess verstanden werden, der bei der Lastermittlung anfängt, nach einer optimalen Verzahnungslösung sucht, diese analysiert und umfangreiche Dokumentation für Fertigung, Qualtitätssicherung und Zertifizierung erstellt. Nachrechnung Optimierung Herstellung Auslegung CAD Export Belastung Zertifizierung Dokumentation Abbildung Verzahnungsberechnung als Prozess Dieser Prozess ist in den einzelnen KISSsoft Berechnungen integriert. KISSsoft betrachtet aber in jedem Fall einzelne Maschinenelemente ohne deren Wechselwirkung. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 2 von 24

3 1.2 Vom Expertensystem zur Systemlösung Ziel ist es also Werkzeuge zur Analyse kompletter Systeme anzubieten. Die Randbedingung soll dabei sein, dass das Werkzeug aber auch zur Auslegung und Nachrechnung einzelner Maschinenelemente geeignet ist, denn nicht immer ist die Sicht auf das Gesamtsystem notwendig oder gewünscht. Der Anwender wünscht sich also eine Systemsoftware (Klasse III) ohne auf die Vorteile einer einfachen Nachrechnungssoftware (Klasse I) und des Expertentools (Klasse III) verzichten zu müssen. Die Firma KISSsoft AG hat diese Aufgabenstellung auf eine einzigartige Weise gelöst: - die Maschinenelementesoftware KISSsoft deckt die einfachen Nachrechnungen als auch die aufwändigeren Auslegungen und Optimierungen ab - dabei kann der Anwender die Zahl der sichtbaren Fenster in KISSsoft selber bestimmen, er konfiguriert sich die Software nach seinen Bedürfnissen - KISSsoft kann damit als Software der Klasse I oder der Klasse II konfiguriert und verwendet werden - KISSsys fasst eine beliebige Anzahl an KISSsoft Berechnungen zusammen um ein System abzubilden und stellt damit im Verbund mit KISSsoft eine Softwarelösung der Klasse III dar - dabei greift der Anwender immer wieder auf die ihm vertrauten KISSsoft Berechnungen zurück, damit wird der Aufwand für den Umstieg von Expertensystem zur Systemlösung minimiert Abbildung Einfache Konfiguration der KISSsoft Verzahnungsberechnung, z.b. für die Verzahnungsnachrechnung. Es werden nur gerade drei Eingabefenster (Tabs, rot markiert) benötigt. Entspricht damit einer Software Klasse I. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 3 von 24

4 Abbildung Expertenkonfiguration von KISSsoft, für die Auslegung und Optimierung. Es sind ausserdem weitere Berechnungen aktiv (zusätzliche Tabs, rot markiert), mehrere Grafiken werden angzeigt und zusätzliche Auslegefunktionen sind als weitere Fenster aktiviert. Entspricht in dieser Form einer Software Klasse II. D.h. KISSsoft als Berechnungssoftware für einzelne Maschinenelemente kann als eigenständige Lösung ODER im Verbund mit dem Systemaufsatz KISSsys verwendet werden. Dieser Ansatz ist in der Berechnung von Maschinenelementen kaum je umgesetzt worden obwohl er die Vorteile aller Ansätze kombiniert und dem Anwender ein Maximum an Flexibilität bietet. Dieser Umstand erklärt auch den Erfolg des Teams KISSsoft + KISSsys. KISSsoft files mit Zahnradpaaren Stufe 1 KISSsoft files mit Zahnradpaaren Stufe 2 KISSsoft files mit Wellengeometrien, Eingangswelle KISSsoft files mit Wellengeometrien, Mittelwelle KISSsoft files mit Wellengeometrien, Ausgangswelle KISSsoft files für Wälzlagerpaar Eingangswelle KISSsoft files für Wälzlagerpaar Mittelwelle KISSsoft files für Wälzlagerpaar Ausgangswelle Abbildung Zusammenspiel von KISSsoft und KISSsys zur Abbildung eines Systems aus Einzelberechnungen. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 4 von 24

5 1.3 Der zusätzliche Modellierungsaufwand Typischerweise nimmt der Aufwand für die Bedienung von Softwareklasse zu Softwareklasse zu. Natürlich bedingt auch die Modellierung von Antriebssträngen in KISSsys einen Zeit- und Lernaufwand. Soll oder kann dieser nicht geleistet werden, bietet sich die Verwendung von Bibliotheken für Standardgetriebe an. D.h. dass nicht nur die Modellierungssoftware gekauft wird sondern auch fertige Berechnungsmodelle die dann nur noch mit Verzahnungs-, Wellenund Lagerdaten gefüttert werden müssen. Diese gebrauchsfertigen Modelle sind auf direkte Anregung von Kunden hin erstellt worden und werden diesen zusammen mit der Software angeboten bzw. zur Verfügung gestellt. Der Bericht geht daher sowohl auf die Modellierung beliebiger Antriebsstränge in KISSsys als auch auf die Verwendung vorgefertigter Berechnungsmodelle für Standardfälle ein. 2 Der Ansatz von KISSsys 2.1 Maschinenelementeberechnung in KISSsoft Das KISSsoft Berechnungsprogramm ist speziell für Ingenieure und Konstrukteure entwickelt worden. Es vereinfacht und beschleunigt die Auslegung und Nachrechnung von Maschinenelementen auf unter Anwendung der gültigen Normen (ISO, DIN, AGMA, etc.). Der Konstruktionsprozess wird wesentlich effizienter, besonders bei der Betrachtung verschiedener Design-Varianten. KISSsoft wird dank seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeiten in den unterschiedlichsten Bereichen wie Industriegetriebe, Energieerzeugung, Automobilbau, Druckmaschinen, Textilmaschinen, Feinwerktechnik, etc. eingesetzt. Standardpakete zu verschiedenen Bereichen bilden die Basis der umfangreichen Software. Expertenzusätze zu den Standardpaketen erweitern das System dort, wo Sie es brauchen. Raffinierte Auslegungs- und Optimierungsalgorithmen und verschiedenste Schnittstellen zu CAD-Programmen vereinfachen den ganzen Konstruktions-Prozess und garantieren, die erforderliche Bauteil-Sicherheit zu erreichen. Das gesamte Berechnungsprogramm ist modular aufgebaut, damit kann ein Kunde genau so viele KISSsoft Module erwerben wie er wirklich benötigt. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 5 von 24

6 Abbildung In KISSsoft können die gängigen Maschinenelemente normgerecht ausgelegt, optimiert und nachgerechnet werden. KISSsoft erlaubt die Analyse der folgenden Maschinenelemente Stirnräder: Aussen- und Innenverzahnungen, Pfeilverzahnungen, Planetensätze, Räderketten, Ritzel-Zahnstange, Einzelrad Kegelräder, Schnecken, Schraubräder, Kronenräder Wellen, Achsen, Balken Wälzlager, hydrodynamische Axial- und Radialgleitlager Schrauben, Bolzen, Stifte, Klebe-, Löt-, und Schweissverbindungen Passfedern, Kerbverzahnungen, Keilwellen, Polygonwellen, zylindrischer und konischer Presssitz Federn: Zugfedern, Druckfedern, Torsionsstäbe, Schenkelfedern, Tellerfedern Toleranzanalyse, Härteumrechnung, Bewertung örtlicher Spannungen, Hertzsche Pressungen Die Berechnungen folgen gängigen Normen (DIN, ISO, AGMA, ), Richtlinien (VDI, FKM, ), der Literatur (Niemann, Winter, Haibach, ) sowie eigenen Methoden. Rund 1100 Installation weltweit bestätigen die Praxistauglichkeit von KISSsoft. 2.2 Verknüpfung mehrere KISSsoft Berechnungen in KISSsys Mit KISSsys, 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. 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 Anwendung von KISSsoft für die Windkraft ist z.b. in [6] beschrieben. KISSsys als Systemaufsatz zu KISSsoft hat folgende Eigenschaften: Berechnung der Kinematik: Leistungsfluss/Drehzahlen mit Stirn-, Kegel-, Schnecken- und Kronenrad-Stufen Modellierung von Umlaufgetrieben (Planeten, Ravigneaux, Wolfrom, ) Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 6 von 24

7 Differentiale (mit Kegel- oder Stirnrädern), Ketten- und Riementriebe Kupplungen können aktiviert und deaktiviert werden, Schlupf wird berücksichtigt Am System angreifende äussere Lasten werden berücksichtigt Integrierte Festigkeits- und Lebensdauerberechnung: Hierzu greift KISSsys auf KISSsoft zu Lagersteifigkeiten, Transmission Error, Profilkorrekturen, Wirkungsgrade 3D-Modell: Automatische 3D-Darstellung (basierend auf den in KISSsoft definierten Daten) Export des 3D-Modells an CAD, Import von Getriebe-Gehäusen (step / iges) 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 Programmiersprache für das Implementieren von Spezialfunktionen Abbildung KISSsys Umgebung mit Baumstruktur, Kinematik, 3D Ansicht, Tabellen und Dialogen 2.3 Der Berechnungsablauf in KISSsys Der Ablauf einer Festigkeitsrechnung in KISSsys ist in Abbildung dargestellt Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 7 von 24

8 LOAD SPECTRA WITH N STEPS AND INFORMATION ON -LOADS (SPEED, POWER AND TORQUE) YES GEARBOX WITH k GEARPAIRS / PLANETEERY GEAR SETS CALCULATIO N WITH LOAD SPECTRA NO READ STEP n READ SINGLE LOAD-STEP FROM COLLECTIVE READ SINGLE LOAD STEP FROM ENTER NOMINAL AND SHIFT SETTINGS THROUGH USER INTERFACE SET SHIFT AND INPUT SET SHIFTS CALC KINEMATICS FOR LOAD STEP n FROM SPECTRA CALC BEARING YES NO LOAD SPECTRA FOR GEARPAIR 1 LOAD SPECTRA FOR GEARPAIR 2 LOAD SPECTRA FOR GEARPAIR k CALC KINEMATICS CALC BEARING LIFETIME SAFETY FACTORS FOR SHAFTS AND GEARS, BEARING LIFETIMES n=n+1 DO UNTIL n=n SAFETY FACTORS FOR GEARPAIR SAFETY FACTORS FOR GEARPAIR SAFETY FACTORS FOR GEARS, SHAFTS AND BEARING LIFETIMES FOR A NOMINAL LOAD Ltoth D i = L n n SAFETY FACTORS FOR GEARS AND BEARING LIFETIMES FOR THE INDIVIDUAL GEAR PAIRS CALCULATED WITH A LOAD SPECTRA LIFETIMES FOR BEARINGS CALCULATED FROM LOADSPECTRA DISPLAY IN KISSsys EXPORT KISSsoft REPORTS EXPORT TO OTHER FILES (.csv,.txt) Abbildung Berechnungsschema in KISSsys Das Berechnungsmodell erlaubt die Berechnung - mit einer nominalen Last - mit Lastkollektiv - mit einer Einzellast aus dem Lastkollektiv Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 8 von 24

9 Resultate werden entweder direkt in KISSsys in tabellarischer Form dargestellt oder können als Text z.b. nach Excel exportiert werden. Ausgewiesen werden Sicherheiten, Lebensdauern sowie Einzelschädigungen. Die wesentliche Grundfunktionalität ist die, dass KISSsys sämtliche Kräfte, Momente und Wälzleistungen aus der Kinematik berechnet und diese Belastungsdaten an KISSsoft im Sinne einer Eingabe weiter gibt. Danach werden die einzelnen KISSsoft Berechnungen ausgeführt und liefern die Resultate an KISSsys zwecks übersichtlicher Darstellung zurück. Globale, d.h. für alle KISSsoft Berechnungen gültige Einstellungen, z.b. Schmierstofftemperatur (wird für alle Zahnradberechnungen und für alle Lagerberechnungen verwendet) können zentral über eine Tabelle eingegeben werden, siehe Abbildung Abbildung Eingabe von Parametern für die Berechnung 3 Aufbau eigener KISSsys Modelle 3.1 Vorgehen bei der Erstellung von Modellen Das Erstellen eines Berechnungsmodelles in KISSsys umfasst die folgenden Schritte: 1) Planung des Modells, Definition der Systemgrenzen 2) Definition der im Modell betrachteten Maschinenelemente wie Wellen, Lager, Zahnräder und Verbindungen 3) Verknüpfung der Maschinenelemente zur Abbildung des Leistungsflusses 4) Koppelung der Maschinenelemente mit dazu passenden KISSsoft Berechnungen 5) Zusammenfassende Darstellung von Resultaten und Eingaben in Tabellen 6) Programmierung benutzerspezifischer Funktionen mittels der integrierten Programmiersprache 7) Prüfen des Berechnungsmodells Der Aufbau eigener Modelle bedingt eine einführende Schulung insbesondere dann wenn komplexere Getriebe modelliert werden sollen. Der Zeitaufwand für die Modellierung hängt von der Erfahrung des Anwenders ab, die Erfahrung zeigt dass der Zeitaufwand von mal zu mal sinkt. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 9 von 24

10 Die Maschinenelemente, deren Verknüpfungen, die dazugehörigen KISSsoft Berechnungen sowie Tabellen zur Darstellung von Daten werden allesamt in einer Baumstruktur dargestellt. Die Elemente die verwendet werden, werden aus einer Bibliothek kopiert und eingefügt. Verzahnungsdaten, Wellengeometrien oder Lagerdaten werden wie gewohnt in KISSsoft definiert. Aus der Anordnung der Maschinenelemente und der Verbindungen in der Baumstruktur ergibt sich dann die schematische Darstellung in der auch der Leistungsfluss sichtbar ist. Abbildung Links: Bibliothek an Elementen. Mitte: Baumstruktur eines Schaltgetriebes. Rechts: Resultierende, schematische Darstellung Erfahrene Anwender können eigene Bibliotheken erstellen respektive bestehende Bibliotheken erweitern. Dies erlaubt eine weitere Beschleunigung des Modellierungsprozesses. 3.2 Bsp. Traktorengetriebe Man stelle sich ein Traktorengetriebe mit rund 300 möglichen Schaltzuständen und zehn Lastfällen vor. Dann müssen rund 3000 Berechnungen für rund 50 Komponenten verwaltet werden. Wie kann sichergestellt werden dass in einer Berechnung die Lasten korrekt von der Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 10 von 24

11 einen Komponente an die nächste übergeben werden? Wie wird sichergestellt dass bei einer Änderung einzelner Komponenten alle ebenfalls betroffenen auch mit nachgerechnet werden? Wie soll eine solche Aufgabe unter Verwendung einzelner Berechnungen gehandhabt werden? In KISSsys werden diese vielen Lastfälle und Berechnungen für Einzelkomponenten verwaltet so dass alle Berechnungen simultan gesteuert werden können. Natürlich braucht eine Berechnung eines Traktorengetriebes insbesondere bei Verwendung eines Lastkollektives Zeit, die Rechenzeit in einem solchen Projekt kann durchaus eine Stunde betragen. Der Vorteil ist aber dass alle Lebensdauern und Sicherheitsfaktoren übersichtlich in Tabellen zusammengefasst werden können. Die Resultate können auch nach Excel exportiert werden um dort grafisch im Detail ausgewertet zu werden. Beliebige Lastkollektive können durchgerechnet werden, seine diese synthetisch, Prüfstandskollektive oder auf Messungen basierend. Unter Verwendung dieser Kollektive kann der Anwender virtuelle Tests fahren und die Berechnungsresultate mit seinen Erfahrungen vergleichen. Dieser Vergleich erlaubt es ihm dann, Abbildung KISSsys Modell eines Traktorengetriebes, rechts oben die komplexe Kinematik Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 11 von 24

12 Abbildung Links: Der Autor begutachtet den fertigen Traktor in Korea. Rechts: 3D Repräsentation des Getriebes in KISSsys. 3.3 Bsp. Krangetriebe Ein deutscher Getriebebauer mit Entwicklungs- und Fertigungsstandort in China greift für die Entwicklung eines Krangetriebes auf die Dienstleistungen der Firma KISSsoft AG zur Verzahnungsauslegung zurück. In Absprache und auf Wunsch des Kunden wird das Getriebe in KISSsys modelliert damit er nach Abschluss der Arbeiten die Daten direkt von der KISSsoft AG übernehmen kann (der Versand eines KISSsys Modells per stellt aufgrund der geringen Dateigrüsse von unter einem Megabyte kein Problem dar). Die für ein Industriegetriebe aufwändige Kinematik erlaubt es, mittels zweier Eingänge die beiden Ausgänge unabhängig von einander zu steuern. Während der Auslegung des Getriebes sind verschiedene Randbedingungen die Achsabstände sowie die Werkzeugwahl betreffend einzuhalten. Die Verwendung des KISSsys Modells erlaubt es, verschiedene auftretende Lastfälle rasch durchzurechnen. Die 3D Darstellung erlaubt dabei eine ständige Überprüfung auf Kollisionen die auf Grund der knappen Platzverhältnisse leicht auftreten können. Ein weiterer Vorteil zeigte sich nach Abschluss des Projektes. Aus Fertigungsgründen musste die Verzahnung nach Abschluss der Konstruktion doch noch geändert werden. Die Überprüfung dieser Änderung musste innerhalb eines halben Tages erfolgen. Dies war kein Problem da die Berechnung sehr rasch wieder geladen, die geänderten Verzahnungsdaten eingegeben, die Berechnung innert weniger Minuten wiederholt und automatisch dokumentiert werden konnte. Der Umstand dass sämtliche von der Änderung betroffenen Bauteile (nicht nur die Verzahnung sondern auch die Wellen und Lager) in einer einzigen Datei verwaltet werden hilft beim raschen Zugriff auf die Berechnungen. Das Getriebe ist mittlerweile fertig gestellt und der Kunde zeigt sich von der Anwendung von KISSsys überzeugt. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 12 von 24

13 Abbildung KISSsys Modell zur Auslegung des Getriebes. Abbildung Links: das Krangetriebe wird von einem deutschen Getriebebauer in China für den lokalen Markt gefertigt. Rechts: 3D Repräsentation des Getriebes in KISSsys. 4 Bibliotheken von KISSsys Modellen 4.1 Vorteil Das Erstellen von Berechnungsmodellen in KISSsys erfordert einen gewissen Zeitaufwand und bedingt ein systematisches Erlernen der Software. Für Anwender die diese Zeit nicht investieren können oder wollen bietet es sich an, mit vorgefertigten Modellen zu arbeiten. Die Zahl der Stufen, Wellen und Lager sowie die Kinematik der Getriebe sind dann vorgegeben. Der Anwender kann dann rasch Verzahnungsdaten und Wellengeometrien eingeben sowie die passenden Lagertypen auswählen. Die Vervollständigung des Berechnungsmodells ist dann rasch erledigt und das Getriebe steht in seiner Gänze für die Berechnungen zur Verfügung. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 13 von 24

14 4.2 Bibliothek für Industriegetriebe Mit dem neuen, auf KISSsys basierenden Produkt GPK hat der Konstrukteur ein Werkzeug zur Verfügung, das Berechnungen kompletter Industriegetriebe erlaubt. Anstatt mit mehreren Einzelberechnungen zu arbeiten, wird das gesamte Getriebe als Einheit abgebildet und die Berechnung findet für alle Zahnräder, Wellen und Lager simultan statt. Damit wird die Berechnung enger mit der Konstruktion verknüpft, der zeitraubende und fehleranfällige Datenaustausch wird minimiert. Die integrierte Kostenschätzung erlaubt dem Berechnungsingenieur bereits in der Auslegung des Getriebes die Kosten im Auge zu behalten und die umfangreichen Reporting Funktionen stellen sicher, dass er seine Arbeit rasch und umfassend gemäss den geltenden Qualitätsrichtlinien dokumentieren kann. Das Getriebeberechnungspaket GPK liefert auch für die Vertriebsunterstützung wertvolle Hilfe, lassen sich doch bestehende Getriebe für kundenspezifische Randbedingungen innert Minuten nachrechnen und die Berechnung protokollieren. Damit ist der Vertrieb in der Lage, Kundenanfragen technischer Natur zeitnah, nachvollziehbar und präzise dokumentiert zu beantworten. Die Berechnungen basieren alle auf der anerkannten und weit verbreiteten KISSsoft Software und folgen den aktuellen DIN/ISO/AGMA Normen. Dies stellt sicher, dass die Berechnungen die mit dem Getriebeberechnungspaket GPK erstellt werden, sowohl von internen wie auch von externen Kunden sofort akzeptiert werden. Zurzeit können Sie mit dem Getriebeberechnungspaket GPK mehrstufige Stirnradgetriebe und mehrstufige Kegelstirnradgetriebe berechnen, weitere Typen werden folgen. Abbildung Links: fünfstufiges Stirnradgetriebe. Rechts: Kegel-Stirnradgetriebe. Die Vorteile der Verwendung der Getriebebibliothek GPK sind im Einzelnen: Kostengünstige Konstruktionen: In GPK wird simultan zur rechnerischen Auslegung abgeschätzt, wie viel das Getriebe kosten wird (ohne Gehäuse). Dabei können auch Erfahrungswerte / Informationen aus der Produktion zu Kilopreisen für Verzahnungen, Wellen und Ritzelwellen in GPK hinterlegen werden. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 14 von 24

15 Abbildung Links: Dialog zur Eingabe der Herstellkosten. Rechts: Globale Einstellungen Nachrechnung gesamter Getriebe innert Minuten: Mit GPK dauert die Nachrechnung eines bestehenden Getriebes für geänderte Parameter oder neue Lastangaben nur Minuten: KISSsys starten, Getriebedatei laden, Verzahnungs- oder Belastungsdaten ändern, Berechnung ausführen, Dokumentation ausdrucken Auf Offertanfragen rasch und treffsichere reagieren: Im Tagesgeschäft erwarten die Kunden, dass der Getriebebauer rasch Auskunft über ungefähre Grösse und Gewicht eines Getriebes geben können. Mit GPK können auch rasch gesamte Getriebe ausgelegt und die resultierende Masse und Hauptabmessungen (ohne Gehäuse) abgeschätzt werden. Automatische Dokumentation erstellen: KISSsys übernimmt die Erstellung der Berechnungsberichte. Der Anwender kann wählen, ob er eine Zusammenfassung der Berechnung wünscht(z.b. für Ihre Kunden oder als Deckblatt im Projektordner) oder ob ein Gesamtbericht erstellt werden soll. Dieser dokumentiert in ausführlicher Weise sämtliche Berechnungen und stellt damit sicher, dass die Arbeit rasch, präzise und umfassend dokumentieren wird. Abbildung Links: Zusammenfassender Bereicht. Rechts: Umfassender, detaillierter Berechnungsbericht. Eingängige Grafiken und übersichtliche Resultatedarstellung: Mit GPK können Berechnungen eindrucksvoll präsentiert werden, bereits in der Auslegephase können Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 15 von 24

16 sich alle Beteiligten ein Bild der Konstruktion machen. Die Arbeit des Berechnungsingenieurs wird dadurch auch für Nichtfachleute nachvollziehbar und sie gewinnt an Glaubwürdigkeit. Abbildung Übersichtliche Grafiken zur Kollisionsprüfung und Dokumentation Vereinfachte Datenverwaltung: Statt für ein z.b. vierstufiges Getriebe wie bisher mit fünf Wellen- und Lagerberechnungen sowie vier Verzahnungsberechnungen zu hantieren, arbeitet man mit GPK mit einer einzigen Datei. Dies ist übersichtlicher und der Konstrukteur muss sich nicht mehr Gedanken darüber machen, welche Datei zu welchem Entwicklungsstand der Konstruktion gehört. Wie in KISSsoft arbeiten: GPK greift für die Berechnungen und Dateneingabe auf KISSsoft zurück. Damit ist sichergestellt, dass der Anwender sich rasch in GPK zurechtfindet. Bestehende KISSsoft Dateien können direkt aufgerufen werden, so lassen sich beispielsweise aus bestehenden KISSsoft Dateien von einzelnen Bauteilen in GPK die gesamten Getriebe zusammenbauen. Es können auch Daten aus GPK als KISSsoft Dateien abgespeichert werden. Direkte Übergabe der Daten an Ihr CAD System: Nachdem ein Getriebe ausgelegt oder nachgerechnet wurde, exportiert der Anwender die 3D Daten als step Datei und kann diese direkt im CAD System wieder einlesen. 4.3 Bibliothek für Windkraftgetriebe Bei der Auslegung und Nachrechung von Getrieben für die Windkraft sind die aktuellen Richtlinien, wie vom Germanischen Lloyd oder Det Norske Veritas vorgegeben, einzuhalten. Diese wiederum verweisen auf gültige Normen wie ISO6336, DIN743, AGMA6006, DIN ISO281 oder AGMA6123, die die Berechnungen der Verzahnungen, Wellen, Lager und Verbindungselemente abdecken. Kenntnisse dieser Vorschriften und Normen, Erfahrung in der Ausführung von Berechnungen und Verständnis für die physikalischen Vorgänge in einer Windturbine sind Voraussetzungen für die Auslegung und Nachrechnung von Getrieben nach dem Stand der Technik. Dieser muss von allen beteiligten Parteien wie Getriebelieferant, Anlagenbauer und Zertifizierer eingehalten werden. Damit entsteht der Bedarf nach einem praxisgerechten und aktuellen Software-Werkzeug, mit dem die notwendigen Berechnungen sicher ausgeführt werden können und das den Datenaustausch zwischen den beteiligten Firmen erlaubt. Im Rahmen mehrerer Engineeringprojekte und auf vielseitigen Kundenwunsch ist eine Bibliothek an in der Windkraft häufig verwendeten Getriebetypen entstanden. Diese erlaube es dem Anwender, sich rasch in der komplexen Berechnungswelt für Windkraftgetriebe zu Recht zu finden. Die Modelle können vom Anwender auf seine spezifischen Konstruktionsdaten hin angepasst werden und sind sowohl für Anwender der Getriebe Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 16 von 24

17 (Windkraftanlagenbauer) als auch für die Konstrukteure (Getriebebauer) verwendbar. Sie erleichtern darüber hinaus den Austausch von Getriebespezifischen Daten zwischen Komponentenlieferanten, Getriebebauer, Anlagenbauer und Zertifizierer. Die Modelle sind in Zusammenarbeit mit Anlagenbauern erstellt worden, dies und die anwendergerechte Dokumentation stellt Ihre Praxistauglichkeit sicher. Abbildung Bibliothek an Windkraftgetrieben (Links oben: eine Planetenstufe, zwei Stirnradstufen. Rechts oben: zwei Planetenstufen, eine Stirnradstufe. Links unten: Differenzialgetriebe mit drei Planetenstufen und einer Stirnradstufe. Rechts unten: Stufenplanet mit raumfesten Planeten und einer Stirnradstufe). 5 CAD Export 5.1 CAD Export aus KISSsoft Für die KISSsoft Module zur Berechnung von Zahnrädern, wurden Schnittstelle zu den gängigen CAD Systemen (wie SolidWorks, SolidEdge, ProE, UG NX3/4, Catia, Solid Designer und Inventor) entwickelt. So können direkt aus der Zahnformberechnung in KISSsoft die berechneten Zahnräder per Knopfdruck im CAD erzeugt und abgebildet werden. Damit entfällt das aufwendige Konstruieren oder das Übertragen der Parameter von Hand. Dabei werden die folgenden Zahnradgeometrien unterstützt: Geradeverzahnt innen/aussen Schrägverzahnt innen/aussen Schraubräder Schnecken Geradverzahnte Kegelräder Die Konstruktion der Zahnräder kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Ein Zahnrad kann an einer bestehenden Konstruktion, oder einfach in einem neuen Part erzeugt werden. Erzeugt werden die Zahnräder mit Polylines oder per Kreisbogenapproximation. Die Schnittstellen von KISSsoft sind in den Sprachen Deutsch, Englisch, Französisch, Italienisch Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 17 von 24

18 und Spanisch erhältlich. Die genaue Zahnform wird durch Simulation der Herstellung generiert. Auf dieser Basis werden Gerad- oder Schrägverzahnungen sowie Innenverzahnungen im CAD erzeugt. Weiterhin können mehrere Verzahnungen auf bereits bestehende Wellen aufgebracht werden. Die zulässige Formabweichung ist in der Berechnung mit KISSsoft implementiert und ist auch in der 3D Darstellung berücksichtigt. Die Herstellund Berechnungsdaten, werden direkt an die Zahnform angehängt. Der Anwender kann damit auf der Zeichnung sofort auch alle relevanten Fertigungsdaten ausgeben. Durch Auswählen eines Zahnes im CAD gelangt man bequem zurück in die Berechnung, und können hier Änderungen vornehmen. Durch diese Funktion wird sichergestellt, dass von der Auslegung des Zahnrads bis zur Fertigung auf alle notwendigen Informationen zurückgegriffen werden kann ohne dass Dabei Daten verloren gehen. Neutralschnittstellen im 2D und 3D Format runden die CAD spezifischen Exportfunktionen ab. Abbildung Direktübergabe der Verzahnungsdaten an verschiedene CAD Systeme, als 3D Modell oder für die 2D Zeichnung inklusive Verzahnungsstempel. 5.2 CAD Export aus KISSsys Für Bauraumuntersuchungen, Kollisionsprüfungen und für die rasche CAD Modellerstellung z.b. in der Offertphase sowie für die Darstellung der konstruktiven Lösung für den Kunden kann ein KISSsys Modell über eine Neutralschnittstelle direkt in ein CAD exportiert werden. Das Modell weist dabei eine vereinfachte Geometrie auf, die Hauptabmessungen sind aber exakt. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 18 von 24

19 Abbildung Export eines KISSsys Modells über eine Neutralschnittstelle zum CAD System. 6 Ausblick 6.1 Weiterentwicklung KISSsoft Neue Bedienerführung Die Oberfläche von KISSsoft wird zurzeit massiv verbessert: - Integration der Hilfe in einem Browser - Projekt- und Dateiverwaltung - Exportmöglichkeiten für Grafiken und Berichte - Konsistente Verwendung von Symbolen und Formelzeichen - Möglichkeit, gleichzeitig mehrere Grafiken zu öffnen - Möglichkeit, Grafiken für Variantenstudien zu sperren - Verbesserungen in der Verzahnungsauslegung Abbildung Neue grafische Oberfläche von KISSsoft Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 19 von 24

20 6.1.2 Planetensatzberechnung nach VDI2737 Für die ökonomischere Auslegung von Planetensätzen findet in der Industrie seit einiger Zeit die VDI 2737 Anwendung. Auf Kundenwunsch wird diese Berechnungsmethode nun in KISSsoft integriert und wird im Spätsommer zur Verfügung stehen. Abbildung Rechengang nach VDI2737 (Linke, Baumann, Trempler, Analyse zur Beanspruchung der Verzahnung von Planetengetriebe, DMK05) Lastverteilungsrechnung für Stirnradverzahnungen Die Lastverteilungsrechnung für die Synthese von passenden Korrekturen wird zurzeit in KISSsoft ausgebaut. Es werden die Lagerdeformationen/Verschiebungen, die Wellendeformationen, die Eingriffssteifigkeit und die über die Breite der Verzahnung variierende Zahnform berücksichtigt. Die Arbeiten erfolgen schrittweise, vier der fünf Schritte sind gelöst, der fünfte steht noch aus. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 20 von 24

21 Abbildung Links: Verifikation der Lastverteilungsrechnung mittels FEM. Rechts: Eingabemasken für Korrekturen Lagerberechnung nach ISO281-4 Insbesondere unsere Kunden in der Windkraft verlangen nach der Lagerlebensdauerberechnung nach ISO281 Beiblatt 4. In dieser Berechnung wird der innere Aufbau der Lager berücksichtigt und es wird berechnet wie sich die Last auf die Lagerung auf die einzelnen Wälzkörper verteilt. Daraus ergibt sich dann auch die Pressungsverteilung entlang von Wälzkörpern. Vergleiche mit einer Referenzsoftware haben gezeigt dass die bereits programmierte KISSsoft Berechnung nahezu identische Resultate liefert. Abbildung Lagerberechnung nach ISO281-4, Lastverteilung auf die Wälzkörper und entlang der Wälzkörper Wellenberechnung für überlagerte Wellen Für die Tragbildberechnung und für die Berechnung von Lagerkräften bei statisch überbestimmten Systemen ist es notwendig, Wellensysteme berechnen zu können. Insbesondere Pilotlager, Losräder und Gehäuse von Differenzialen sollen berücksichtigt werden können. Für die Berechnung von koaxialen Wellensystemen integrieren wir zurzeit einen FEM solver, mit dem solche Systeme (bis zu zehn überlagerte Wellen) berechnet Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 21 von 24

22 werden können. Dabei werden translatorische und rotatorische Lagersteifigkeiten sowie Spiele berücksichtigt. 6.2 Weiterentwicklung KISSsys KISSsys profitiert zuerst einmal von sämtlichen Weiterentwicklungen auf der Seite von KISSsoft. Spezifisch soll KISSsys im den folgenden Bereichen erweitert werden D Grafiken Für die Darstellung der grossen Menge an Resultaten die in KISSsys produziert werden weicht der Anwender in der Regel auf Excel aus. Dieser Schritt soll überflüssig werden, die dazu notwendige Möglichkeit, 2D Grafiken (Balkendiagramme u.ä.) einfach zu erzeugen werden zurzeit in KISSsys stark ausgebaut D Grafik Insbesondere die Animation der Bewegungsabläufe verdient Aufmerksamkeit, gerade für Planetengetriebe. Die Animation erregt erst einmal Aufmerksamkeit und dient auch dazu, die Funktionsweise eines Getriebes darzustellen. Weiter dient sie der Prüfung der Drehrichtungen Berechnung mit Lastkollektiven Kurz vor dem Abschluss sind die Arbeiten für eine einfacher zu bedienende Berechnung mit Lastkollektiven in KISSsys. Dieses neue Vorlagenelement erlaubt es, sowohl Sicherheitsfaktoren als auch Lebensdauern zu berechnen. Der Umfang des Lastkollektives ist dabei nicht begrenzt. Die Funktion findet in nicht schaltbaren als auch in schaltbaren Antriebssträngen Verwendung Verbesserte Nutzerführung Insbesondere beim Aufbau von Modellen haben sich in der Praxis einige Ansatzpunkte für Verbesserungen gezeigt: - Einfügen von Elementen per Drag and Drop - Einfügen von Kommentaren zu einzelnen Variabeln - Automatisches Kopieren und Einfügen von Variabelnamen und Pfaden - Nutzerführung bei Speichern/Schliessen usw. 6.3 Zusammenfassung Bei der Konstruktion von Getrieben muss der Ingenieur gleichzeitig konstruktive Gesichtspunkte als auch die festigkeitsmässige Auslegung aller Komponenten im Auge behalten. Weder CAD System noch die meisten der angebotenen Softwarepakete im Bereich Maschinenelementeberechnungen können diese Doppelrolle zufrieden stellend einnehmen. Mit KISSsys, dem Systemaufsatz zu KISSsoft werden die einzelnen Maschinenelemente nicht mehr unabhängig voneinander ausgelegt, sondern es wird ein Gesamtsystem (Getriebe) frei aus einzelnen Elementen (Wellen, Lager, Verzahnungen, ) aufgebaut und berechnet. Die primären Auslegungsfunktionen wie in KISSsoft bereits vorhanden, werden dadurch deutlich mächtiger: Nach Optimierung an einem Element (z.b. Schrägungswinkel an einer Stufe) werden alle Auswirkungen auf die Lebensdauer oder Festigkeit der davon betroffenen anderen Maschinenelemente (wie Lager, Wellen oder Welle-Naben Verbindungen) sofort sichtbar. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 22 von 24

23 Darüber hinaus werden neben der rechnerischen Auslegung simultan Bauraumprüfungen möglich, dies durch den Import von Gehäuse 3D-Daten als sat, step oder iges Files. Damit entfällt die zeitaufwändige Bauraumüberprüfung im CAD System nach jeder rechnerischen Auslegung. CAD Schnittstellen für die automatische Konstruktion und Zeichnungserstellung der Verzahnung inkl. Verzahnungsstempel runden die Zusammenarbeit mit den gängigen CAD Systemen ab. Durch diese Kombination aus rechnerischer Auslegung und Zusammenarbeit mit den CAD System wird dem Konstrukteur ein CAE System in die Hand gegeben, das der eingangs aufgestellten Forderung sehr nahe kommt. Neben dieser Verknüpfung von Berechnung und CAD System bietet der systembasierte Ansatz weiter Vorteile wie z.b.: Durch den parametrischen Aufbau des Models des kompletten Getriebes lassen sich sehr schnell Varianten erstellen und z.b. bezüglich Kosten, Masse, Bauraum oder Wirkungsgrad vergleichen. Über eine integrierte Programmiersprache lassen sich ebenfalls Sensitivitätsanalysen automatisch durchführen, damit kann geklärt werden, ob die Konstruktion anfällig auf Fehler in den der Berechnung zu Grunde gelegten Annahmen ist. Da in KISSsys sowohl die Kinematikberechnung, die Festigkeitsberechnung, die Bauraumuntersuchung sowie eine frei programmierbare Aufbereitung der Resultate/Berichterstellung zur Verfügung steht, erübrigt sich die Verwendung weitere Berechnungs- und Darstellungstools (Excel, Mathcad, ) weitgehend. Der fehleranfällige, unproduktive und zeitaufwändige Datenaustausch zwischen den verschiedenen vom Getriebebauer ursprünglich genutzten Berechnungstools wird dadurch eliminiert. Da sämtliche Berechnungen zu einem Getriebe in einer einzigen Datei verwaltet werden, ist sichergestellt, dass alle Berechnungen immer auf demselben Stand sind. Dadurch wird auch der Datenaustausch zwischen verschiedenen Projektpartnern vereinfacht. Fertig modellierte und ausgelegte Getriebe können im Sinne einer Produktedatenbank auf einem Server abgelegt werden. Die Daten können dabei über einen Administratormodus gesperrt werden, so dass die Dateien nur noch gelesen werden können. Dies erlaubt es beispielsweise, die Daten auch dem Vertrieb und Marketing zur Verfügung zu stellen, der Vertrieb wird dadurch in die Lage versetzt, kundenspezifische Fragen zur Festigkeit und Lebensdauer der Getriebe schneller zu beantworten. Die Arbeit des Getriebebauers wird durch den Einsatz dieser Systemsoftware beschleunigt, vereinfacht, weniger fehleranfällig und damit letztlich interessanter und befriedigender. Der Erfolg in der Praxis bei führenden Industriegetriebebauern bestätigt diese Aussage. Es hat sich in verschiedenen Projekten gezeigt, dass gerade bei Varianten- und Baureihenkonstruktionen durch die Verwendung eines Berechnungsmodels für das gesamte Getriebe viel Zeit sparen lässt, respektive es können in der gleichen Zeit deutlich mehr Varianten untersucht werden. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 23 von 24

24 7 Kontakt Wir freuen uns, wenn Sie mit uns Kontakt aufnehmen. Gerne besprechen wir Ihre Aufgabenstellung. Hauptsitz in der Schweiz KISSsoft AG Uetzikon Hombrechtikon SWITZERLAND Tel: Fax: info@kisssoft.ch Sales, customer support, engineering Hanspeter.Dinner@KISSsoft.ch Stefan.Beermann@KISSsoft.ch Dan.Kondritz@KISSsoft.com (USA) Büro in den USA KISSsoft USA 3719 North Spring Grove Road Johnsburg (IL) USA Tel: Fax: dan.kondritz@kisssoft.com Software development Ulrich.Kissling@KISSsoft.ch Markus.Raabe@KISSsoft.ch Andrea.Frei@KISSsoft.ch Please send me Information on Software modules and pricing Software Test versions Information on Training Seminars Other, please specify Please contact me directly Name. Company Full postal address Country.. Phone.. Getriebeberechnung-mit-System-Format-KISSsoft-D.doc 24 von 24