antriebstechnik 4/2018

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE Vom Sicherheitsfaktor zur Überlebenswahrscheinlichkeit – Teil 1 01 Resultate der Festigkeitsberechnung eines Getriebes in Kisssys In verschiedenen Branchen der Antriebstechnik wird heute vermehrt der Nachweis der Systemzuverlässigkeit von Anlagenkomponenten wie Getriebe oder Komplettanlagen verlangt. An sich ist die Angabe der Zuverlässigkeit einer Komponente nicht etwas grundsätzlich anderes als die Angabe des Sicherheitsfaktors oder der rechnerischen Lebensdauer. Über die Zuverlässigkeit einzelner Bauteile lässt sich jedoch einfach die Zuverlässigkeit des mechanischen Systems in seiner Gesamtheit bestimmen. Dr.-Ing. Ulrich Kissling ist CEO und Dr.-Ing. Michael Stangl ist Entwickler; beide bei der Kisssoft AG in Bubikon, Schweiz Die Angabe der Zuverlässigkeit ist klarer zu deuten für den mechanischen Laien als eine Liste von Sicherheitsfaktoren. Eine Aussage wie „Die Wahrscheinlichkeit, dass Getriebe X während der garantierten Lebensdauer von 50 000 h ausfällt, ist kleiner als 0,02 %“ ist viel besser verständlich als „Die Sicherheitsfaktoren aller Zahnräder in Getriebe X, berechnet für eine Betriebsdauer von 50 000 h, sind alle > 1,6", obwohl beide Aussagen dasselbe ausdrücken. In diesem Artikel wird beschrieben, wie für die Getriebekomponenten (Wellen, Lager, Zahnräder) aus der rech nerischen Lebensdauer nach Norm die Ausfallwahrscheinlichkeitskurven nach dem Weibull-Kriterium ermittelt werden. Die Methode kann auf alle Normberechnungen nach ISO, DIN oder AGMA angewendet werden, welche mit Woehlerlinien arbeiten. Berechnungen können mit Nennbelastung oder mit Lastkollektiven durchgeführt werden. Zur Ermittlung der Systemzuverlässigkeit werden die Getriebeelemente nach Lebenswichtigkeit klassiert: Bewirkt das Versagen eines Elementes direkt den Getriebeausfall? Gibt es Redundanzen? Damit kann dann durch mathematische Kombination der Komponentenzuverlässigkeit die Systemzuverlässigkeit bestimmt werden. Festigkeitsberechnung von mechanischen Komponenten Seit langem – und vermehrt seit Beginn des 20. Jahrhunderts − waren Inge nieure danach bestrebt, Regeln zu entwickeln, um eine Festigkeitsabschätzung von Maschinenbau-Elementen durchführen zu kön­ 106 antriebstechnik 4/2018

KOMPONENTEN UND SOFTWARE nen. Insbesondere deutsche Ingenieure versuchten durch die Kombination von Grundformeln der Mechanik mit Erfahrungswerten und Versuchen Berechnungsregeln zu entwickeln, mit welchen Bauteile ausgelegt werden konnten. Diese Vorgehensweise ist bis heute äußerst erfolgreich und hat sich weltweit durchgesetzt. Dies ist auch daran ersichtlich, dass alle bis heute publizierten Berechnungsnormen der ISO auf diesem Prinzip basieren. In der Regel wurden Berechnungsmethoden für mechanische Bauteile von verschiedenen Spezialisten an unterschiedlichen Hochschulen entwickelt. Allen Festigkeitsmethoden ist gemein, dass aufgrund der angreifenden Last die resultierenden Spannungen bestimmt und diese in Relation zur zulässigen Beanspruchung gesetzt werden. Ansonsten ist die Vorgehensweise zur Berechnung je nach Maschinenelement (wie Wälzlager, Welle, Zahnrad oder Schraube) äußerst unterschiedlich. Der unterschiedliche Aufbau der Rechenmethoden je nach Bauteil ist ein Problem, welches aus dieser historischen Entwicklung entstanden ist. Eigentlich könnte erwartet werden, dass die resultierende Sicherheit einer Nachrechnung, wenn die zulässige Belastung durch die auftretende Spannung geteilt wird, als Aussage genügt – und somit eine Sicherheit über 1,0 bedeutet, dass das Bauteil ausreichend dimensioniert ist. Dies ist leider nicht so. Bei Wälzlagern wird keine Sicherheit, sondern eine Lebensdauer bestimmt. Bei einer Zahnradberechnung nach ISO werden Sicherheiten für Zahnfuß und Flanke bestimmt; hier fragt sich, welches der beiden Kriterien wann entscheidend ist. Zudem wird empfohlen, für den Zahnfuß eine Mindestsicherheit von 1,4 – für die Flanke hingegen 1,0 – zu verwenden. Es gibt eine Begründung, weshalb unterschiedliche Mindestsicherheiten verlangt werden: Ein Zahnbruch führt zu einem sofortigen Ausfall des Getriebes – Grübchenbildung auf der Flanke hingegen nicht. Bei Wellenberechnungen nach FKM wird die zu erreichende Mindestsicherheit abhängig gemacht von der Wichtigkeit des Bauteils, das heißt von den Konsequenzen eines möglichen Wellenbruchs, was sicher sinnvoll ist. Bei der Fressberechnung von Zahnrädern wird eine Mindestsicherheit von 2.0 verlangt, diesmal, weil die Rechenmethode als „noch nicht genügend geprüft“ beurteilt wird. Bei einer Schraubenberechnung nach VDI wird für die Sicherheit gegen Gleiten der verschraubten Teile je nach Belastungsfall eine Mindestsicherheit von 1,2 bis 1,8 verlangt. Die Aufzählung kann beliebig weitergeführt werden. Das Fazit ist: Sicherheit ist – je nach Bauteil – nicht gleich Sicherheit. 02 Angabe der Schädigung aller wichtigen Elemente eines Getriebes in Kisssys Bin Häufigkeit Leistung Drehzahl Drehmoment Schädigung, bezogen auf die Soll-Lebensdauer (20 000 h) No. [%] [kW] [1/min] [Nm] No. F1 % F2 % H1 % H2 % 1 0,00020 175.0000 440,8 3 791,1 1 0,08 0,04 0,00 0,00 2 0,00160 172.0250 440,8 3 726,6 2 0,54 0,30 0,03 0,01 3 0,02800 166.2500 440,8 3 601,5 3 7,25 3,97 0,41 0,12 4 0,27200 158.9000 440,8 3 442,3 4 49,86 26,45 3,02 0,87 5 2,00000 150.1500 440,8 3 252,7 5 27,25 121,40 9,58 2,54 6 9,20000 141.4000 440,8 3 063,2 6 6,35 35,48 16,63 4,41 7 28,00000 132.6500 440,8 2 873,6 7 0,00 4,53 17,96 4,77 8 60,49820 123.9000 440,8 2 684,1 8 0,00 0,00 13,26 3,52 Σ 91,33 192,18 60,89 16,24 Tabelle 01: Lastkollektiv (l.) und Darstellung der Schädigung pro Lastkollektiv-Element je für Zahnfuß (F1: Ritzel, F2: Rad) und Flanke (H1: Ritzel, H2: Rad); Soll-Lebensdauer ist 20 000 h; die erreichbare Lebensdauer des Zahnrades beträgt 10 400 h (Zahnfuß des Rades); deshalb dann die rechnerische Schädigungssumme von 192 % Rechenmethode Schadenswahrscheinlichkeit F o 1 % 10 % Andere Kommentar Welle, DIN743 2,5 % Angenommen, ist nicht dokumentiert Welle, FKM-Richtlinie 2,5 % Welle, AGMA6001 n Falls kC = 0,817 Wälzlager, ISO281 n Falls Faktor a1 = 1,0 Zahnflanke, ISO6336; DIN3990 n Zahnfuß, ISO6336; DIN3990 n Zahnflanke, AGMA2001 n Falls Zuverlässigkeitsfaktor KR = 1 Zahnfuß, AGMA2001 n Falls Zuverlässigkeitsfaktor KR = 1 Tabelle 02: Festgelegte Schadenswahrscheinlichkeit von verschiedenen Rechenmethoden bei der Bestimmung der Werkstoffkennwerte antriebstechnik 4/2018 107