Virtuelle Untersuchungen für reale Qualität

CAD CAM

Simulation – Bei SEW-Eurodrive stehen Vielfalt, Qualität, Zuverlässigkeit und Innovationskraft im Vordergrund. Um diese hochgesteckten Ziele zu erreichen, verwenden die Ingenieure in der Produktentwicklung Simulationssoftware von Ansys.

02. Februar 2018

Ziel von Simulation ist zumeist, frühzeitig in der Produktentwicklung umfassende Informationen über das Verhalten von Bauteilen und Baugruppen zu erhalten, damit die gewünschte Funktionalität der geplanten Produkte abgesichert werden kann. Mit virtuellen Prototypen lernen Entwickler das zukünftige Produkt kennen und können dessen Qualität und Lebensdauer optimieren. Deshalb ist Simulation beim Antriebsspezialisten SEW-Eurodrive schon seit 30 Jahren im Einsatz, hat einen hohen Stellenwert erlangt und gehört als wertvolles Standardwerkzeug zur Produktentwicklung dazu.

Vorteile und Nutzen der Simulation lassen sich beispielhaft anhand der strukturmechanischen Analysen bei der Neuentwicklung der zweistufigen Kegelradgetriebe K..39/K..49 aufzeigen. Dabei werden sowohl Steifigkeits- und Festigkeitsuntersuchungen als auch Modalanalysen zur Bauteiloptimierung durchgeführt.

Leistungsstarke Antriebstechnik

Ziel ist es, in kompakter Bauweise eine leistungsstarke Antriebstechnik in der Drehmomentklasse bis 500 Newtonmeter zu realisieren, kombiniert mit einem hohen Wirkungsgrad in beide Drehrichtungen und bei jeder Antriebsdrehzahl. Selbstverständlich sind lange wartungsfreie Standzeiten eine weitere Zielsetzung, um eine hohe Wirtschaftlichkeit zu erreichen.

Bei der Berechnung der Steifigkeit wird die Nachgiebigkeit und Verformung der im Kraftfluss liegenden Getriebekomponenten untersucht. »Wir wollen damit kritische Lastfälle identifizieren und deren Einflüsse unter Berücksichtigung der Drehrichtung des Antriebs und seiner Einbausituation analysieren«, sagt Dr. Sascha Haller, Berechnungsingenieur Getriebe. »Durch die Verformung des Getriebes verlagern sich auch Wellen, was den Zahneingriff verändern kann. Auf Grundlage der Berechnungen nehmen die Verzahnungsexperten die Korrekturen an den Zahnrädern vor, sodass die erforderliche Tragfähigkeit erreicht wird.«

Im Rahmen der Festigkeitsuntersuchungen wird nicht nur die grundlegende Frage beantwortet: Hält das Bauteil – oder nicht? Spannungsüberhöhungen deuten zudem auf Schwachstellen hin, die durch konstruktive Anpassungen in frühen Phasen der Produktentwicklung optimiert werden können. Weiterhin lassen sich Grenzlasten nicht erst beim Test der Prototypen ermitteln, sondern die Simulationen liefern schon wichtige Anhaltswerte. »Wir können mit unseren Simulationsergebnissen bereits in frühen Phasen direkt auf die Konstruktion einwirken, um so ein beanspruchungsgerechtes Design der Getriebekomponenten zu erreichen«, betont Sascha Haller.

Eine frühzeitige Bauteiloptimierung vermeidet konstruktiv notwendige, aber kostspielige Änderungen in späteren Entwicklungsphasen. Mit der Behebung von Schwachstellen lassen sich nicht nur die für den Betrieb geforderten Lasten bestätigen und damit die funktionalen Anforderungen erfüllen, sondern auch die Qualität steigern.

Eine weitere strukturmechanische Analyseart ist die Modalanalyse, mit der das Schwingungsverhalten anhand von Eigenfrequenzen und Eigenformen beschrieben wird. Damit lassen sich Aussagen zur Geräuschentwicklung und zu möglichen Anregungen machen, die nicht erwünscht sind. »Die Geräuschentwicklung ist für uns ein wichtiges Thema, dessen Stellenwert sich in den letzten Jahren erheblich erhöht hat und zukünftig auch noch weiter an Einfluss gewinnen wird«, erläutert Dr. Heinrich Bolz, Leiter des Technologiekreises Berechnung und Simulation bei SEW-Eurodrive. Als Beispiele nennt er weniger Geräuschbelastung und spezielle Anwendungen wie Theaterbühnen.

Eine Modalanalyse kann auch die Fertigung unterstützen. Die Kenntnis über Eigenfrequenzen und Eigenformen im Vergleich zu externen Anregungen wie dem Eingriff eines Fräsers kann resonante Schwingungen erklären, was raue Oberflächen zur Folge hat. Zusätzliche Spannpunkte verändern dann das Schwingungsverhalten, sodass die Oberflächenqualität gesteigert wird. »Dieser Anwendungsfall ist ein Beispiel dafür, wie wir mit einer relativ einfachen Simulation fertigungstechnisch relevante Details des neuen Produkts erkennen konnten«, berichtet Sascha Haller.

Trotzdem ist immer wieder zu überprüfen, ob die Ergebnisse aus den Simulationen dem realen Verhalten der Produkte entsprechen. »Um die Prognosefähigkeit von Simulationsmodellen sicherzustellen, sind die Modelle laufend zu verifizieren und mittels geeigneter Versuche zu validieren. Hierzu gibt es in der Simulation einen SEW-spezifischen Verifizierungs- und Validierungsprozess, der durchlaufen werden muss«, erläutert Heinrich Bolz. Im Falle der Kegelradgetriebe K..39/K..49 werden zur Validierung statische Bruchversuche des Fußgehäuses mit mehreren Getrieben in unterschiedlichen Raumlagen unter Querkraftbelastung durchgeführt. Der Abgleich von Simulations- und Versuchsergebnissen erfolgt anhand von Weg- und Dehnungsmessungen.

»Dazu führen wir zunächst Simulationen durch, um die kritischen Stellen zu erkennen, an denen wir im Versuch Messungen vornehmen«, berichtet Sascha Haller. »So können wir mit Dehnmessstreifen genau untersuchen, wo ein Riss beginnt und wie der Rissfortschritt verläuft.« Zusätzlich wird der Einfluss verschiedener Simulationsparameter auf das Ergebnis betrachtet. Diese Parameterstudien betreffen unter anderem die Materialeigenschaften, die aufgrund verschiedener Materialproben aus den Getriebegehäusen gewonnen werden, sowie die Reibwerte, die Schraubenvorspannungen und die Systemgrenzen im Allgemeinen. Mittels der in Ansys integrierten Programmiersprache APDL kann dann eine automatisierte Auswertung der Wege, Dehnungen, Kontakt- und Schraubenkräfte erfolgen.

Durch die Wegmessung lassen sich Verschiebungen abgleichen und dadurch auf das Verformungsverhalten schließen. Eine Erkenntnis ist unter anderem, dass Aufbau und Anschlusssteifigkeit eine Rolle spielen können. Die Querkraftbelastung wird in statischen Bruchversuchen gesteigert, bis ein Riss entsteht. Der Anrissort kann durch den Vergleich der plastischen Dehnungen richtig vorhergesagt werden, die tatsächlich erreichte Maximallast liegt aber meist etwas höher als berechnet. Der Abgleich der Dehnungen zeigt, dass ein Set an Simulationsparametern nicht für alle Messpunkte gleichzeitig gute Übereinstimmung liefern muss.

»Bei der Entwicklung der Kegelradgetriebe war es durch den Einsatz der Simulation möglich, eine kurze Entwicklungszeit, hohe Drehmomente und für Grauguss ein möglichst leichtes, aber dennoch hoch steifes Getriebe zu realisieren«, resümiert Dr. Jörg Hermes, Leiter Entwicklung Getriebe. »Mittlerweile ist die Baureihe K..39/K..49 seit etwa anderthalb Jahren sehr erfolgreich auf dem Markt.«

Aus der Vielzahl der in Realität auftretenden Lastfälle können durch die Simulation die kritischen erkannt und gezielt im Versuch untersucht werden. Die dabei angewandten Vorgehensweisen und Simulationsmethoden werden im Rahmen eines internen Verifizierungs- und Validierungsprozesses bestätigt und weiterentwickelt. mk

Erschienen in Ausgabe: 01/2018