DE10156330B4

DE10156330B4 - Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb, Verfahren zur Auswahl von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben und Datenträger

Info

Publication number: DE10156330B4
Application number: DE10156330A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. Barton; Roman Schäfer
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2021-11-20
Also published as: DE10156330A1; US20140032134A1; US20090024237A1; US10036688B2; US8560102B2; US20110196526A1; US7826912B2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb, wobei der Antrieb mindestens ein Getriebe umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
– in einem ersten Schritt Informationen zum Typ einer Anlage oder Maschine in ein Rechnersystem eingegeben werden,
– in einem zweiten Schritt Informationen (Applikationsdaten) über den zeitlichen Verlauf der Belastung durch Angabe der Größen Axialkraft, Querkraft, Drehmoment und Lastspielzahl für den Typ einer Anlage oder Maschine in ein Rechnersystem eingegeben werden,
– in einem dritten Schritt das Rechnersystem durch Klassenbildung, also Einteilung in Wertebereiche der Größen, aus dem zeitlichen Verlauf der Belastung ein Lastkollektiv, umfassend Teilkollektive, bildet,
– in einem vierten Schritt das Rechnersystem für jedes Teilkollektiv aus der vorgegebenen Lastspielzahl n_i und den real wirkenden Querkräften und/oder Axialkräften für jeden Antrieb der Baureihe ein zulässiges äquivalentes Drehmoment M_azul bestimmt,
indem eine Grenzbelastungskennlinie bestimmt wird, die die Abhängigkeit einer äußeren Querkraft von dem Drehmoment M_a abbildet...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb, ein Verfahren zur Auswahl von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben und einen Datenträger.
Hersteller von Antrieben, umfassend Umrichter, Elektromotoren und Getriebe, bieten dem Kunden üblicherweise eine umfangreiche Baureihe von Antrieben an, aus denen der Kunde gemäß seinen Anforderungen für seine spezielle Applikation den bestmöglichsten Antrieb heraussuchen kann. Beim Heraussuchen sind die Applikationsdaten, umfassend Betriebsarten, Betriebsbelastungen und Bauformen wesentlich. Die Zahl anbietbarer Varianten unter Berücksichtigung aller Baugrößen solcher Baureihen ist sehr umfangreich, insbesondere mehr als 10 000 oder 100 000.
Aus der DE 39 11 465 A1 ist ein Verfahren zur Konfiguration technischer Systeme aus Komponenten bekannt, bei dem Regeln und Anforderungen beachtet werden müssen, wobei Wert auf eine lange Lebensdauer gelegt wird.
Aus der DE 198 43 492 A1 ist ein Verfahren zur Planung, zum Aufbau und/oder zur Instandhaltung einer technischen Anlage bekannt, bei dem als Spezifikation ein erster Satz von Schnittstellenparametern und ein zweiter Satz von Funktionsparametern verwendet wird.
Aus der DE 198 34 422 A1 ist ein Verfahren und eine Anordnung zum Entwurf einer technischen Anlage bekannt, bei dem Variable vorgegeben werden und Nebenbedingungen derart berücksichtigt werden, dass eine Kostenfunktion einen optimierten Wert liefert.
Aus der EP 0 466 098 A2 ist ein Verfahren für die Einschätzung der Eignung eines Artikels für eine gegebene Operation bekannt, bei dem Kosten und Zeiten berücksichtigt werden.
Aus der WO 01/61301 A1 ist eine Methode zur Bestimmung der Beanspruchung einer mechanischen Vorrichtung bekannt. Dabei werden Messdaten von Sensoren für mechanische Spannungen an eine Analyse-Einheit übertragen und dort überwacht. Jede Schwachstelle der Vorrichtung wird hierbei separat überwacht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine genauere, einfachere und optimale Auswahl des für die jeweilige Applikation geeignetsten Antriebes, insbesondere des Getriebes, zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb nach den in Anspruch 1, bei dem Verfahren zur Auswahl von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben nach den in Anspruch 16 und bei dem Datenträger den in Anspruch 31 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren nach Anspruch 1 sind, dass es zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb geeignet ist, wobei der Antrieb mindestens ein Getriebe umfasst, wobei

– in einem ersten Schritt Informationen zum Typ einer Anlage oder Maschine in ein Rechnersystem eingegeben werden,
– in einem zweiten Schritt Informationen über den zeitlichen Verlauf der Belastung durch Angabe der Größen Axialkraft, Querkraft, Drehmoment und Lastspielzahl für den Typ einer Anlage oder Maschine in ein Rechnersystem eingegeben wird,
– in einem dritten Schritt das Rechnersystem durch Klassenbildung, also Einteilung in Wertebereiche der Größen, aus dem zeitlichen Verlauf der Belastung ein Lastkollektiv, umfassend Teilkollektive, bildet,
– in einem vierten Schritt das Rechnersystem für jedes Teilkollektiv aus der vorgegebenen Lastspielzahl n_i und den real wirkenden Querkräften und/oder Axialkräften für jeden Antrieb der Baureihe ein zulässiges äquivalentes Drehmoment M_azul bestimmt, indem eine Grenzbelastungskennlinie bestimmt wird, die die Abhängigkeit einer äußeren Querkraft von dem Drehmoment M_a und die den zeitfesten vom dauerfesten Bereich trennt, und das zulässige Drehmoment M_azul bei der äußeren Querkraft F_q mittels der Grenzbelastungskennlinie bestimmt wird,
– in einem fünften Schritt das Rechnersystem für jedes Teilkollektiv aus dem zulässigen äquivalenten Drehmoment M_azul für jeden Antrieb der Baureihe eine Bruchlastspielzahl N_i ermittelt gemäß der Formel Ni = NVorg·(Mazul/M(ni))p bestimmt wird, wobei N_Vorg eine vorgegebene Lastwechselzahl, M(n_i) das Drehmoment des Teilkollektivs und p ein Steigungsexponent ist,
– in einem sechsten Schritt das Rechnersystem für das Lastkollektiv aus den für jedes Teilkollektiv ermittelten Bruchlastspielzahlen und den eingegebenen Lastspielzahlen für den Antrieb einen Einzelbetriebssicherheitsfaktor angibt.

Vorteiligerweise ist die Erfindung anwendbar zur Bestimmung und/oder Fertigung eines Antriebs oder Teilen für einen Antrieb, wobei der Antrieb von einer Baureihe umfasst ist, die mindestens eine Baugröße umfasst, wobei jede Baugröße mindestens eine Variante von Antrieben umfasst, und wobei aus eingegebenen und/oder übermittelten Applikationsdaten und/oder Daten eines eingegebenen und/oder übermittelten Lastkollektivs, insbesondere eines mehrere Teilkollektive umfassenden Lastkollektivs, für jede Variante der Baureihe ein Wert einer Größe zur quantitativen Erfassung der Überlastfähigkeit bestimmt wird, und nur Varianten bestimmt und/oder gefertigt werden, deren Wert der quantitativen Größe eine Bedingung erfüllt, insbesondere einen kritischen Wert überschreitet oder extremal ist.
Weiter ist vorteilig, dass die heutige Auslegungsunschärfe bei Getriebemotoren vor allem in Grenzbereichen der Standardanwendungen und in der Servotechnik unter Beachtung der Überlastfähigkeit von Getriebeelementen im Zeitfestigkeitsbereich deutlich verringerbar ist.
Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zur Auswahl von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben nach Anspruch 16 sind, dass die Antriebe mindestens ein Getriebe umfassen, wobei für Antriebe der Baureihe ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors ausgeführt wird und alle Antriebe, für die der Einzelbetriebssicherheitsfaktor oder Gesamtbetriebssicherheitsfaktor größer als 1 ist, als Ergebnis ausgegeben werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist die quantitative Größe ein Betriebssicherheitsfaktors S_B und es werden nur Varianten bestimmt und/oder gefertigt, deren Betriebssicherheitsfaktor S_B als Bedingung den Wert 1 überschreitet. Von Vorteil ist dabei, dass eine Größe verwendet wird, die ein quantitatives Maß für die Überlastfähigkeit darstellt und somit mit objektiven Kriterien die Bestimmung und Fertigung eines für die Applikation bestgeeignetsten Antriebs zulässt. Insbesondere ist sogar eine maximal zulässige Sicherheit auch vorgebbar, wobei somit Überdimensionierungen vermeidbar sind. Alternativ ist auch eine noch höhere Sicherheit als nur die ausreichende Sicherheit vorgebbar. Beispielsweise ist sogar der sicherste Antrieb aus der gesamten Baureihe auswählbar.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird nur diejenige Variante bestimmt und/oder gefertigt, die für die Applikation, insbesondere gemäß weiterer Anforderungen, der optimale und/oder kostengünstigste Antrieb ist, falls für mehr als einen Antrieb der Betriebssicherheitsfaktors S_B größer ist als 1. Von Vorteil ist dabei, dass das Kriterium Sicherheit mit anderen Kriterien, wie Kosten oder Bauform, Baugröße, geometrische Abmessungen oder dergleichen, anwendbar und verknüpfbar ist.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren zur Bestimmung eines Betriebssicherheitsfaktors S_B bei einem für eine Last vorgesehenen Antrieb, umfassend Getriebe und Motor, aus einem mindestens dreidimensionalen Lastkollektiv ein Betriebssicherheitsfaktors S_B für den Antrieb oder zumindest für dessen Getriebe bestimmt.
Von Vorteil ist dabei, dass die heutige Auslegungsunschärfe bei Getriebemotoren vor allem in Grenzbereichen der Standardanwendungen und in der Servotechnik unter Beachtung der Überlastfähigkeit von Getriebeelementen im Zeitfestigkeitsbereich deutlich verringerbar ist. Zu diesem Zweck werden vierdimensionale Lastkollektive berücksichtigbar, mit deren Hilfe man u. a. auch zu einer genauen Kenntnis der Belastung aus der Anfahrdynamik gelangt. Ein wichtiger vorteilhafter Verfahrenscharakter ist die komponentenindividuelle Festigkeitsbetrachtung anstatt einer generellen Darstellung des Getriebemotors als „black box". Ein bedeutender Vorteil ist weiterhin, dass die Belastbarkeit der querkraftbeanspruchten Abtriebswellenkomponenten teilkollektivabhängig und somit belastungsabhängig ist. Außerdem sind nicht nur Querkraft, insbesondere deren Betrag und Richtung, sondern auch die Axialkraft berücksichtigbar. Darüber hinaus benötigt das Verfahren nur eine geringe Rechenzeit und ist für den Bediener einfach gestaltbar. Wesentlicher Vorteil ist außerdem, dass eine quantitative Größe, nämlich der Betriebssicherheitsfaktors S_B bestimmt wird und somit ausgehend von der Applikation bzw. den Applikationsdaten eine quantitative Bewertung eines jeden Antriebs der gesamten Baureihe verwendbar ist. Bei geänderten Applikationsdaten ändert sich auch dieser quantitative Wert. Somit ist für jede Applikation individuell der optimale Antrieb bestimmbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zumindest beim Getriebe für jede Komponente j ein Einzelbetriebssicherheitsfaktors S_Bj bestimmt und daraus das Minimum aller Einzelbetriebssicherheitsfaktoren S_Bj als Betriebssicherheitsfaktor S_B, verwendet oder bestimmt und ausgegeben und/oder angezeigt zur weiteren Verwendung bei Auftragsauslösung oder Fertigung. Von Vorteil ist dabei, dass für jede Komponente ein quantitativer Wert bestimmbar ist und aus all diesen Werten ein Gesamtwert quantitativ bestimmbar ist, der die Betriebssicherheit des Antriebs quantifiziert.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Lastkollektiv mindestens vierdimensional und umfasst mindestens Informationen über den zeitlichen Verlauf der Größen Drehmoment, Drehzahl, Axialkraft und Querkraft. Insbesondere sind bei der Eingabe der Querkraft Richtung und Betrag oder alternativ zwei entsprechende Komponenten ausführbar. Bei weiter bevorzugter Ausführung ist sogar der Angriffspunkt der Querkraft eingebbar. Von Vorteil ist dabei, dass nicht nur stationäre Belastungen mit konstanten Werten eingebbar sind sondern auch zeitliche Verläufe der realen Applikation. Außerdem wird nicht irgendein fiktiver maximaler Wert für die Größen, insbesondere für das Lastkollektiv, verwendet, sondern die im jeweiligen Teilkollektiv des Lastkollektives auftretenden wirklichen Werte der Größen. Weiter wird sogar die Richtung und der Betrag der Querkraft und/oder sogar der Angriffspunkt der Querkraft am jeweiligen Wellenabschnitt berücksichtigbar. Somit ist eine genaue Bestimmung des Betriebssicherheitsfaktors ermöglicht, sogar abhängig von der Querkraftrichtung und dem Angriffspunkt derselben. Gerade dadurch, dass für jedes Teilkollektiv ein eigener Wert berücksichtigbar ist, ist der zu fertigende Antrieb viel genauer bestimmbar. Somit sind insbesondere kleinere und/oder kostengünstigere Antriebe bestimmbar, fertigbar und verwendbar. Außerdem ist die Sicherheit deutlich erhöhbar.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist insbesondere auch ein Eingeben des Vorzeichens der Axialkraft, also eine Unterscheidung in Zug- und Druckkraft, und beim Eingeben des Drehmoments eine Eingabe der Leistungsflussrichtung ermöglicht. Somit ist die reale Applikation genau beschreibbar, insbesondere ist bei generatorischem und motorischem Betrieb eine Unterscheidung und entsprechend korrekte Auslegung ermöglicht.
Insbesondere ist auch die Drehzahlrichtung, welche unterschiedliche Beanspruchungszustände hervorruft, ebenfalls eingebbar und berücksichtigbar. Weiter sind auch Vorschläge von Varianten ausgebbar, die höhere Betriebssicherheit aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Lastkollektiv als Informationen über den zeitlichen Verlauf Lastwechselzahlen für die Größen. Von Vorteil ist dabei, dass wenige charakteristische Zahlen eingebbar und verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Lastkollektiv Teilkollektive, die durch Klassenbildung erzeugt, wobei die jeweiligen Klassen jeweilige Wertebereiche zugehöriger Größen umfassen. Von Vorteil ist dabei, dass die Menge der zu zeitlichen Verläufen gehörigen Daten reduzierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird für ein jeweiliges Teilkollektiv für jede Komponente eine Grenzbelastungskennlinie bestimmt und mittels dieser Grenzbelastungskennlinie und mindestens einer vorgebbaren Größe, wie Querkraft und/oder Axialkraft, ein zulässiges äquivalentes Drehmoment bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass real auftretende Größen durch einen fiktiven Wert für zulässiges äquivalentes Drehmoment ersetzbar sind und diese Drehmomente zusammen mit dem real auftretenden Drehmoment verarbeitbar sind zur Bestimmung des Betriebssicherheitsfaktors S_B.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden verschiedene Durchmesser aufweisende Abschnitte von Wellen und/oder Abschnitte von Wellen, die verschiedene Geometrieunstetigkeiten aufweisen, als separate Komponenten berücksichtigt. Von Vorteil ist dabei, dass komplexe geometrische Ausprägungen in einfacher Weise berücksichtigbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Grenzbelastungskennlinie durch zwei Parameter parametrisierbar in einem Querkraft-Drehmoment-Diagramm und/oder die Grenzbelastungskennlinie durch vier oder fünf Parameter parametrisierbar in einem Querkraft-Axialkraft-Diagramm. Von Vorteil ist dabei, dass wenige Parameter ausreichen, um in genügender Genauigkeit die Grenzbelastungskennlinie zu beschreiben. Somit wird die Rechenzeit erheblich reduzierbar. Insbesondere sind sogar geschlossene Lösungen für das Schneiden von Kurven angebbar, was die Rechenzeit um Größenordnungen reduziert und das Verfahren weiter vereinfacht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels einer Grenzbelastungskennlinie in einem Querkraft-Drehmoment-Diagramm aus einem Wert für Querkraft ein Wert für zulässiges äquivalentes Drehmoment bestimmt. Analog wird bei der Axialkraft vorgegangen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels einer Grenzbelastungskennlinie in einem Axialkraft-Querkraft-Diagramm aus einem Wert für Axialkraft und einem Wert für Querkraft ein Wert für zulässiges äquivalentes Drehmoment bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass sogar zwei auftretende reale Größen durch eine fiktive Größe beschreibbar sind und zur Bestimmung des Betriebssicherheitsfaktors S_B verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird für jedes Teilkollektiv und für jede Komponente aus der zugehörigen vorgegebenen Lastwechselzahl, dem Wert für Drehmoment und dem jeweiligen zulässigen äquivalenten Drehmoment eine Bruchlastspielzahl bestimmt. Von Vorteil ist dabei, dass jede Komponente mit der durch Klassenwerte repräsentierten realen Belastung berücksichtigt wird und die Rechenzeit trotzdem klein ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird aus den jeweiligen Bruchlastspielzahlen und der zugehörigen Lastwechselzahl ein Einzelbetriebssicherheitsfaktor
ermittelt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Temperatur der Umgebung, die maximale Betriebstemperatur und/oder die gewünschte Mindest-Lebensdauer des Antriebs von den eingegebenen Applikationsdaten umfasst. Von Vorteil ist dabei, dass der Einfluss der Temperatur der Umgebung berücksichtigbar ist, weil die Umgebungstemperatur Auswirkung auf die Tragfähigkeit von verschiedenen Getriebeelementen hat. Insbesondere ist auch die maximale Betriebstemperatur eingebbar, wodurch ein Antrieb mit genügend kleinem Wärmeübergangswiderstand vom Inneren des Antriebs oder Getriebeinneren zur Umgebung hin bestimmbar oder fertigbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die thermische Getriebebelastbarkeit, insbesondere als thermische Grenzleistung, ausgegeben und/oder angezeigt. Von Vorteil ist dabei, dass die thermische Grenzleistung mit der von der Applikation benötigten Leistung vergleichbar ist und demgemäß entsprechende Antriebe bestimmbar und/oder fertigbar sind.
Vorteiligerweise ist eine Schnittstelle zur Eingabe und Ausgabe von Daten bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, wobei die Schnittstelle eine grafische Benutzerschnittstelle und/oder eine Datenschnittstelle zum Ein- und Ausgeben von Daten umfasst, wobei Lastwechselzahlen oder Fahrdiagramme eingebbar sind. Somit ist auch eine beliebige Mensch-Maschine-Schnittstelle mit Mitteln zur grafischen Anzeige verwendbar, beispielsweise ein Rechner mit Bildschirm, Tastatur und Maus. Da die Applikationsdaten umfangreiche Datenmengen umfassen, insbesondere die zeitlichen Verläufe, sind die Applikationsdaten mittels der grafischen Eingabemöglichkeit schnell und einfach mit geringer Fehleranfälligkeit eingebbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Fahrdiagramme grafisch eingebbar, insbesondere unter Verwendung einer Maus. Von Vorteil ist dabei, dass durch Ziehen mit der Maus Kurven eingebbar sind, die umfangreiche Datenmengen beinhalten und somit trotzdem nur ein geringer Zeitaufwand zur Dateneingabe erforderlich ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Benutzer bei der Eingabe derart geführt, dass er nach Eingabe einer Information über Nicht-Vorhandensein einer Axialkraft und/oder Querkraft nur Drehmoment und Lastwechselzahl einzugeben veranlasst wird und dass er nach Eingabe einer Information über Vorhandensein einer Axialkraft und/oder Querkraft Informationen über Größen Axialkraft, Querkraft, Drehmoment und Lastwechselzahl einzugeben veranlasst wird, insbesondere Informationen über den zeitlichen Verlauf aller Größen. Von Vorteil ist dabei, dass je nach Kundenwunsch und Applikation oder auch Wissen des Kunden über seine Applikation die Schnittstelle für das Verfahren verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden

– bei einem Antrieb einer installierten Applikation im Betrieb Informationen über betriebsmäßige Werte der Größen erfasst, insbesondere unter Verwendung von Sensoren hierzu,
– und diese Werte als Applikationsdaten oder Daten des Lastkollektivs verwendet,
– und daraus der optimale und/oder kostengünstigste Antrieb ermittelt und verglichen mit dem in der Applikation vorhandenen.

Von Vorteil ist dabei, dass je nach Kundenwunsch und Applikation oder auch Wissen des Kunden über seine Applikation die Schnittstelle für das Verfahren verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Dateneingabe an einem ersten Rechner ausführbar, der über Internet und/oder andere Netzwerke, beispielsweise Intranet, mit mindestens einem weiteren Rechner verbindbar ist, wobei der weitere Rechner zur Durchführung des Verfahrens verwendbar ist, insbesondere auch zur Auftragsauslösung und zur Einbindung der Fertigung. Von Vorteil ist dabei, dass am weiteren Rechner das Verfahren nicht ausgeführt wird. Der Kunde gibt also an seinem Rechner mittels seines Internet-Browsers seine Applikationsdaten, insbesondere in grafischer Weise, ein und erhält dann von dem ersten per Internet verbundenen Rechner einen Vorschlag für den optimalen Antrieb. Er benötigt also keine Installation eines Programms auf seinem Rechner, vermeidet die damit verbundenen Probleme und bekommt immer die neueste Version des zum Verfahren gehörenden Programms angeboten. Außerdem ist der Anbieter des Programms geschützt gegen Raubkopien.
Wichtige Merkmale bei dem Datenträger nach Anspruch 31 sind, dass er zur Ausführung eines vorgenannten Verfahrens vorgesehen ist mit einer Datenverarbeitungsanlage, wobei die Verfahrensschritte des Bestimmens des Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb oder des Auswählens von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben in ein auf dem Datenträger gespeichertes Programm integriert sind, das aus in die Datenverarbeitungsanlage eingebbaren und/oder übermittelbaren Daten beim Ablaufen in der Datenverarbeitungsanlage einen Einzelbetriebssicherheitsfaktor und/oder Gesamtbetriebssicherheitsfaktor für jeden Antrieb der Baureihe bestimmt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
Die Applikationsdaten eines Antriebs, insbesondere Getriebemotors, umfassen Daten über vorgesehene Massen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Verzögerungen, Kräfte, Drehmomente, Leistungen, geometrische Daten, Reibungskräfte oder dergleichen. Darüber hinaus gehören bei speziellen Applikationen auch Angaben zur Lebensdauer, Umgebungs- und oder Betriebstemperatur zu den Applikationsdaten. Auch sind gewünschte Angaben zur Sicherheit, wie minimaler und/oder maximaler Sicherheitsfaktor eingebbar.
Bei einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden zuerst Fahrdiagramm und/oder Applikationsdaten eingegeben ohne Angaben zum Typ der Anlage oder Maschine.
Bei einem anderen erfindungsgemäßen Verfahren und bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird zuerst der Typ der Anlage oder Maschine ausgewählt.
Danach sind die jeweils typischen für diese Anlage oder Maschine relevanten Applikationsdaten eingebbar. Ein wesentliches Ziel der Erfindung ist es dabei, ein quantitatives Mittel zu erhalten und/oder anzuwenden zur Bestimmung des für die Anlage oder Maschine bestgeeignetsten Antriebs. Dies ist wesentlicher Bestandteil im Rahmen einer Projektierung und/oder Auslegung von Anlagen oder Maschinen.
Das Auswählen beziehungsweise die Eingabe von Daten sowie das Ausgeben von Daten erfolgt über die erfindungsgemäße Schnittstelle der Anordnung. Die Anordnung ist bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mittels eines einzigen Rechnersystems ausführbar. Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Anordnung durch ein Netzwerk von Rechnersystemen ausführbar, wie beispielsweise das gesamte Internet. Dabei ist die Schnittstelle einem ersten Rechnersystem zugeordnet und das Verfahren wird auf einem oder mehreren Rechnersystemen, die zum Datenaustausch als Netz verbunden sind, ausgeführt. Vorteilhaft ist dabei, dass die Aktualisierung von Daten und/oder Programmen beim Hersteller der Getriebebaureihe ausgeführt wird und der Nutzer des Verfahrens nur eine graphische Schnittstelle benötigt, die zur Eingabe und Ausgabe von Daten verwendbar ist. Beispielsweise ist bei einem über Internet verbundenen Rechnersystem ein handelsüblicher Internet-Browser verwendbar. Als solches Rechnersystem ist nicht nur ein Computer verwendbar sondern auch ein tragbares Kommunikationsgerät, wie Handy oder Organizer. Somit ist der Antrieb in verschiedenster Weise an verschiedensten Orten bestimmbar. Bei einer weiteren Ausführung ist mit dem genannten verbundenen Rechnersystem auch eine Anlage zur Fertigung verbunden, die den bestimmten Antrieb fertigt. Somit ist beim Auslegen einer Applikation durch Eingabe der Applikationsdaten an einem beliebigen Ort der Welt eine Fertigung des bestimmten Antriebs auslösbar.
Das Auswählen des Typs der Anlage oder Maschine erfolgt bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel durch Anklicken eines grafischen Objektes, das die Applikation charakteristisch darstellt. Die Eingabe von Daten ist einerseits durch Tastatureingaben und alternativ durch Tastatur- und Mauseingaben ausführbar. Insbesondere ist auch das Verändern von graphischen Darstellungen, die mit den Anzeigemitteln angezeigt werden, ermöglicht. Statt Tastatur und Maus sind auch andere Eingabemittel verwendbar, wie insbesondere berührungssensitive Bildschirme.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mit den Daten der zum jeweiligen Antrieb gehörigen Last, wie beispielsweise geometrische Daten, minimal vorgesehene und maximal vorgesehene Massen und Trägheitsmomente, und den Daten für den vorgesehenen Betrieb, wie beispielsweise vorgesehene zeitliche Verläufe der Drehzahl, der Beschleunigung, der Verzögerung und/oder des Drehmoments, unter Verwendung der bekannten Daten aller Antriebe einer herstellereigenen Baureihe der optimale Antrieb bestimmt oder gleichfalls optimale aber mechanisch andersartig ausgeführte Antriebe dem Benutzer vorgeschlagen.
Dazu wird mit den Daten des Antriebs, den Betriebsdaten und Applikationsdaten oder den Daten über das unten näher erläuterte Lastkollektiv für jeden Antrieb der gesamten Baureihe ein Betriebssicherheitsfaktor S_B bestimmt. Alle Antriebe, für die der Betriebssicherheitsfaktors S_B größer als 1 ist, werden dem Benutzer als Ergebnis vorgeschlagen, insbesondere angezeigt oder als Datenfile ausgegeben. Unter diesen vorgeschlagenen Antrieben ist es danach dem Benutzer ermöglicht, den für seine spezielle Anwendung optimalen Antrieb auszuwählen. Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird der sicherste Antrieb, also der den größten Betriebssicherheitfaktor aufweisende, ausgewählt oder derjenige, der weitere, zuvor eingegebene Bedingungen, wie beispielsweise eine erforderliche Bauform, eine gewünschte Orientierung, niedrigste Kosten oder dergleichen, erfüllt. In Weiterbildung wird dann dieser Antrieb von einer zum Datenaustausch verbundenen Fertigungsanlage gefertigt und an den Ort der Applikation zur Montage ausgeliefert.
In einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel werden die zu den Applikationsdaten zugehörigen Werte als statische Werte vorgegeben. Die Applikationsdaten oder eine entsprechende Teilmenge davon sind aber auch als dynamische Werte, also zeitabhängig, vorgebbar, wobei die Applikationsdaten oder die Teilmenge somit entweder als Fahrdiagramme in Form von Weg-Zeit-Diagramm, Geschwindigkeits-Weg-Diagramm, Beschleunigungs-Zeit-Diagramm, Beschleunigungs-Weg-Diagramm oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm eingegeben werden oder als zeitliche Drehmoment, Axialkraft-, Querkraft- und/oder Drehzahl-Verläufe. Statt Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung sind auch Winkel, Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung vorteilhaft verwendbar.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind als Applikationsdaten auch die projektierte Lastwechselzahl zu Wertebereichen von Größen eingebbar. Insbesondere sind also die jeweiligen Lastwechselzahlen zu einem ersten, zweiten und gegebenenfalls zu einem oder mehreren weiteren Bereichen von Werten für Drehmoment eingebbar. Zu jeder Lastwechselzahl und zugehörigen Drehmoment sind mindestens Werte einer weiteren Größe eingebbar. Insbesondere sind als Größen sowohl die Komponenten und der Angriffspunkt der Querkraft eingebbar sowohl als auch die Axialkraft. Weitere eingebbare Größen sind eine gewünschte Lebensdauer, Umgebungstemperatur und/oder Betriebstemperatur.
Mittels einer grafischen Benutzerschnittstelle werden Daten, insbesondere unter Verwendung einer Maus, eingegeben. Die Mauseingabe wird dabei bevorzugt für die grafische Eingabe eines Fahrdiagramms eingesetzt.
In der 1 ist eine beispielhafte Eingabemaske für die Eingabe per Tastatur schematisch gezeigt. Die Werte der Größen werden dabei mittels der Tastatur eingegeben.
In der 2 ist eine beispielhafte Eingabemaske für das grafische Eingeben unter Verwendung der Maus gezeigt. Dabei werden Linien angeklickt und dann durch Ziehen der Maus verformt. In der Eingabemaske werden zugehörige Werte angezeigt und entsprechend dem Ziehen verändert.
In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind die Daten auch über eine Software-Schnittstelle ein- und ausgebbar. Somit werden Pre- und Postprocessingfunktionen ermöglicht. Dadurch ist es auch ermöglicht, reale Daten einer Applikation als Datenfile einzugeben, wobei diese realen Daten mittels Messmitteln an einem bei einer bestehenden Applikation installierten Antrieb aufgenommen sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Ermittlung der Belastung aus der Anfahrdynamik ein idealisiertes Antriebssystem verwendet.
In 3 ist das mechanische Ersatzschaltbild eines solchen Systems in idealisierender Weise dargestellt. Dabei wird beim Motor das Motormoment M_M und Massenträgheitsmoment Motor I_M vorgesehen. Bei der Last sind Lastmoment M_L und lastseitiges Trägheitsmoment I_L kennzeichnend. Das zu übertragende Getriebemoment M_G, das auf die Lastseite bezogene Verlustmoment des Getriebes M_VL sowie das auf die Motorseite bezogene Trägheitsmoment I_GM des Getriebes kennzeichnen den Antrieb weiter. Wesentliche Merkmale für den Antrieb sind auch die Betriebsdaten Winkelbeschleunigungen α_L und α_M. Des Weiteren sind für jeden Antrieb die Größen Getriebeübersetzung i_G, Getriebewirkungsgrad η_G, Steifigkeit c und Systemdämpfung d bekannt. Aus diesen Daten werden durch Momentengleichgewichtsbildung und Umformungen das gesuchte übertragene Getriebemoment M_G für den Anfahrvorgang ermittelt.
Jede Applikation wird durch eine Kombination von Belastungen, die auf das Getriebe wirkt, gemäß der Betriebsart beim erfindungsgemäßen Verfahren gekennzeichnet. Dabei unterscheidet man zwischen Belastungen im stationären und im dynamischen Zustand. Ein stationärer Zustand liegt vor, wenn die Drehzahl konstant bleibt. Von einem dynamischen Zustand spricht man hingegen, wenn der Antrieb einer Drehzahländerung unterliegt.
Durch Klassenbildung der äußeren Belastung, also Einteilung in Wertebereiche der zugehörigen Größe, erhält man aus dem realen Belastungsverlauf ein Lastkollektiv. Hierbei sind die auf das Getriebe wirkenden Größen wertemäßig geordnet.
Dabei umfassen in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Größen Drehmomente, Lastwechselzahl, Quer- und Axialkräfte. Daher ist das zugehörige Lastkollektiv durch Punkte in einem mindestens vierdimensionalen Raum kennzeichenbar. Beispielsweise beschreibt ein einziger Punkt in dieser Darstellung, dass der entsprechende Wert für Drehmoment, der entsprechende Wert für Axialkraft und der entsprechende Wert für Querkraft mit der zugehörigen Lastwechselzahl bei der Anwendung gemäß den Betriebsdaten auftreten. Dabei ist jedem Wert mittels der beschriebenen Klasseneinteilung ein jeweiliger Wertebereich zugeordnet. Drehmomente, die innerhalb eines Wertebereiches der Klasseneinteilung variieren, werden als dieser zu der Klasse zugehörige Wert angesehen. Ein jeweiliger genannter Punkt wird im Folgenden auch als Teilkollektiv bezeichnet.
In der 4 ist eine Applikation beschrieben, bei deren Betrieb nur drei Drehmomente auftreten, beziehungsweise nur Drehmomente aus den drei gemäß Klasseneinteilung zugehörigen Wertebereichen. Bei der Applikation wird für einen ersten Zeitabschnitt ein Anfahrmoment M_a1 vorgesehen, für einen zweiten Zeitabschnitt ein Bremsmoment Mal vorgesehen und danach für einen dritten Zeitabschnitt ein Haltemoment M_a3 vorgesehen. Dieser Vorgang wird während der Gebrauchsdauer, also beispielsweise über Jahre hinweg, regelmäßig, beispielsweise täglich, mehrmals wiederholt. Daraus ist für das jeweilige Moment eine Lastwechselzahl herleitbar. Bei dieser speziellen beispielhaften Applikation tritt bei dem jeweiligen Drehmoment immer nur ein innerhalb eines zu einer Klasse zugehörigen Wertebereiches liegender Wert von Axialkraft und von Querkraft auf. Daher sind diese äußeren Quer- und Axialkräfte hier als Attribute den jeweiligen Drehmomenten beifügbar und die Darstellung zweidimensional ausführbar. Die Breite des jeweiligen Teilkollektivbalkens, also n₁, n₂ oder n₃ entspricht der Lastwechselzahl an der Abtriebswelle. Von allen Größen werden hier zur Darstellung in 4 nur deren Beträge verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden anfangs eingegebene Größen des vierdimensionalen Lastkollektivs bei querkraft- und/oder axialkraft-beanspruchten Komponenten für jedes Teilkollektiv reduziert auf äquivalente Größen, insbesondere Drehmoment. Diese äquivalente Größe entspricht also nicht der real wirkenden Größe, macht aber die Erfindung in einfacher Weise ausführbar mit gleichzeitiger geringer benötigter Rechenzeit. Außerdem wird durch die äquivalenten Größe ein Mittel zur quantitativen Festlegung geschaffen, aus welchem dann der Betriebssicherheitsfaktor zum optimierten Auswählen von Antrieben aus einer Baureihe bestimmbar ist.
Im weiteren Verlauf werden weitere Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Komponenten Abtriebswellenquerschnitt, Abtriebswellenloslager und feste, schwimmende oder angestellte Abtriebswellenlager beispielhaft beschrieben. Für weitere Komponenten, wie beispielsweise die Antriebswelle, ist ein analoges Vorgehen ausgeführt.
In diesen weiteren Verfahrensschritten wird gemäß 5 für jeweils ein Teilkollektiv aus der vorgegebenen Lastwechselzahl und der zugehörigen Axial- und/oder Querkraft ein zulässiges äquivalentes Drehmoment bei vorgegebener Lastwechselzahl bestimmt.
Dazu werden Diagramme gemäß 5, 6, 7 und 8 erstellt, die mittels einer sehr großen Getriebedatenbank unter Verwendung der Normen, wie DIN 743, bekannter physikalischer Gleichungen und Angaben von Lagerherstellern errechnet sind.
Wesentliches Merkmal ist dabei, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine geschlossene Darstellung verwendet wird zur Beschreibung der äquivalenten Grenzbelastung für ein Teilkollektiv für eine Komponente.
Zur genaueren Ausführung wird dieses Vorgehen für drei folgende Komponenten erläutert, die bei Berücksichtigung von der Last stammenden Axial- und Querkräften betrachtet werden müssen. Für je nach Antrieb auftretenden weitere Komponenten wird ein analoges Vorgehen ausgeführt.
Die äquivalente Grenzbelastung bei einer Abtriebswelle soll als zulässiges Drehmoment beschrieben werden. Dazu wird aus der genannten Getriebedatenbank unter Verwendung der Normen und bekannter physikalischer Gleichungen in ausreichender Genauigkeit eine Grenzbelastungskurve abgeleitet. Dabei ist die als Querkraft-Drehmoment-Diagramm dargestellte Grenzbelastungskurve als Ellipse bestimmt. Der Vorteil ist dabei, dass nur zwei Parameter zur Kennzeichnung der Grenzbelastungskurve für die Abtriebswelle bei gegebenem Querschnitt Q genügen.
Bei einer Abtriebswelle treten oft mehrere Abschnitte mit jeweils verschiedenen Durchmessern oder Abschnitte, die Geometrieunstetigkeiten aufweisen, auf, beispielsweise bis zu 18 Abschnitte mit jeweils verschiedenen Durchmessern und einem unstetigen Absatz als Übergang zwischen den Abschnitten. Diese Abschnitte werden als verschiedene Komponenten behandelt. In der 6 sind nur zwei Grenzbelastungskurven für einen ersten Querschnitt Q₁ und für einen weiteren Querschnitt Q₂ gezeigt. Die Grenzbelastungskurve ist jeweils als Drehmoment-Querkraft-Diagramm aufgetragen. Die Grenzbelastungskurve grenzt hier den dauerfesten Bereich gegen den zeitfesten Bereich ab. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden weitere Sicherheiten berücksichtigt, die sowohl aus einer Norm, wie DIN 743, DIN 3990, DIN 3996 und dergleichen, entnehmbar sind als auch herstellereigen vorgebbar sind.
Die Grenzbelastungskurve für eine Abtriebswelle mit einem Abtriebswellenquerschnitt ist also als
beschreibbar, wobei M_a das Drehmoment, M_azul(F_q = 0 N) das zulässiges Drehmoment bei einer Querkraft von 0 N, F_q(ni): die äußere Querkraft eines Teilkollektivs, F_qzul(M_a = 0 Nm) die zulässige äußere Querkraft bei einem Drehmoment von 0 Nm ist. Bei verschiedenen Querschnitte sind die Parameter F_qzul(M_a = 0 Nm) und M_azul(F_q = 0 N) verschieden.
Daraus ergibt sich das maximal zulässige Drehmoment bei einer Abtriebswelle mit einem Querschnitt zu:
wobei M_azul das zulässige Drehmoment, M_azul(F_q = 0 N) das zulässige Drehmoment bei einer Querkraft von 0 N, F_q(ni) die äußere Querkraft eines Teilkollektivs und F_qzul(M_a = 0 Nm) die zulässige äußere Querkraft bei einem Drehmoment von 0 Nm ist.
Auf diese Weise ist nun aus der Querkraft das zulässige Drehmoment bestimmbar, das auch als äquivalentes Drehmoment bezeichenbar ist. Je nach Applikationsdaten bzw. Lastkollektiv ergeben sich somit verschiedene Werte für dieses zulässige Drehmoment.
Bei anderen Komponenten wird eine analoge Berechnungsweise angewandt, die wiederum zum Ziel hat, ein solches zulässiges Drehmoment zu bestimmen.
Als zweites Beispiel wird nun die Berechnungsmethode bei Abtriebswellenloslagern illustriert gemäß Bild 7. In einem Drehmoment-Querkraft-Diagramm sind dabei für verschiedene Abtriebsdrehzahlen Grenzbelastungskurven eingetragen, wobei hierbei Geraden verwendbar sind. Die Drehzahl n_a ist hierbei die Standard-Abtriebsdrehzahl, also die Abtriebsdrehzahl des Getriebes bei Netzbetrieb. Die Gerade für n = 1 min^–1 beschreibt dabei die absolute Belastungsgrenze, wobei wiederum herstellereigen Sicherheiten berücksichtigbar sind. Eine weitere Verringerung der Drehzahl hat keine Verbesserung der Tragfähigkeit zur Folge.
Das zulässige Drehmoments M_azul für eine bestimmte Drehzahl wird nun folgendermaßen ermittelt:
Zunächst wird aus dem beispielhaften Datenkennwert 1, also (F_q1, 0), und aus dem beispielhaften Datenkennwert 2, also (F_q2, M_amax), eine Steigung m der Grenzbelastungskurven ermittelt, also gilt:
wobei m die Steigung der Grenzbelastungskurven, F_q1 und F_q2 aus den Datenkennwerten 1 und 2 entnommen sind, M_amax das maximale Getriebeabtriebsmoment ist.
Anschließend wird mit dem Datenkennwert 1 und mit dem Datenkennwert 3, also (F_q3, 0), die Lage der gesuchten Belastungskurve bestimmt. Unter Verwendung des Datenkennwerts 3, also (F_q3, 0), wird unter Verwendung von Lagerherstellerangaben:
wobei
die zulässige Querkraft bei Betriebsabtriebsdrehzahl und M_a = 0 Nm, n_aist die Betriebsabtriebsdrehzahl, p der Steigungsexponent und n₀ die Standard-Drehzahl ist. Die senkrechten Abstände der Geraden zur Grenzgerade in der 7 wachsen exponentiell.
Schließlich wird aus den beiden berechneten Werten und der äußeren Querkraft das zulässige Drehmoment M_azul des Lagers bestimmt:
wobei M_azul das zulässiges Drehmoment,
die zulässige Querkraft bei Betriebsabtriebsdrehzahl und M_a = 0 Nm, F_q(n_i) die äußere Querkraft des Teilkollektivs und m die Steigung der Grenzbelastungskurven ist.
Als drittes Beispiel wird nun die Berechnungsmethode bei festen, schwimmenden oder angestellten Abtriebslagern illustriert gemäß Bild 8a.
Der Einsatz einer festen, schwimmenden oder angestellten Abtriebslagerung erfordert es, das zulässige Drehmoment M_azul nach einem Diagramm gemäß 8a zu bestimmen. Zunächst wird die aufwendigere Berechnung für eine angestellte Lagerung beschrieben. Anschließend wird vorgestellt, welche Vereinfachungen sich bei Einsatz einer festen oder schwimmenden Lagerung ergeben:
Aus der genannten Getriebedatenbank unter Verwendung der Normen und bekannter physikalischer Gleichungen werden die Punkte 1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11 bestimmt. Aus den Punkten 1 und 2 erhält man mit den bekannten Werten für die Querkraft und das Drehmoment durch Inter- bzw. Extrapolation die Punkte 3 bis 5. Diese entsprechen den Querkraftdeckelwerten für M_a = 0 Nm, M_a = M_amax/2 und M_a = M_amax. Der Schnitt der Geraden aus den Punkten 6 und 7 mit der Deckelgeraden durch Punkt 3 ergibt den Punkt 12. Analog geht man bei den Werten für M_a = M_amax/2 bzw. M_a = M_amax vor, so dass man die Punkte 13 und 14 erhält. Punkt 15 ist der Mittelpunkt eines Kreises, der mit ausreichender Genauigkeit durch die Punkte 12 bis 14 in ausreichender Näherung geht. Unter ausreichender Näherung wird in dieser Schrift eine Toleranz verstanden, die 10% unterschreitet, wobei aber in Einzelfällen es zweckdienlicher und vorteiliger ist, eine Toleranz von 1% zu unterschreiten. Als Nächstes wird der Punkt 16 als Schnittpunkt der Geraden durch die Punkte 6 und 7 bzw. 10 und 11 bestimmt.
Die gesamte Kennlinienschar im Querkraft-Axialkraft-Diagramm ist nun erzeugbar, da alle Eckpunkte aller jeweiligen Kennlinien auf dem bestimmten Kreis mit Punkt 15 als Mittelpunkt liegen. Diese Kennlinienschar stimmt mit ausreichender Genauigkeit mit der real existierenden überein.
Zur Bestimmung des gesuchten zulässigen äquivalenten Drehmomentes des Teilkollektives wird nun im Querkraft-Axialkraft-Diagramm der Punkt F →_i(N_Vorg) eingezeichnet, also derjenige Punkt, der die für das Teilkollektiv vorgegebenen Werte für Axial- und Querkraft aufweist.
Anschließend erfolgt ein Schnitt der Geraden durch die Punkte 16 und diesen Punkt F →_i(N_Vorg) mit dem Kreisbogen, der als Mittelpunkt den Punkt 15 besitzt. Das Ergebnis ist Punkt 17, aus dessen zulässigem Querkraftwert nun das zulässige äquivalente Drehmoment M_azul(N_Vorg) bestimmt wird.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind statt des Kreises auch andere nicht-lineare Kurven mit endlichem Krümmungsradius verwendbar, die dann allerdings mehr Parameter aufweisen. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist gemäß 8b die gesamte Kennlinienschar mit ausreichend vielen, derart dicht liegenden Kennlinien gespeichert, dass der Eckpunkt 17 aus 8b entweder direkt auf einer Kennlinie zu finden ist oder durch lineare Interpolation bestimmbar ist.
Bei Verwendung von festen oder schwimmenden Lagerungen als Komponenten ist ein Diagramm gemäß 5 vorgesehen. Aus der genannten Getriebedatenbank unter Verwendung der Normen und bekannter physikalischer Gleichungen ergibt sich, dass die gemäß 8a fallenden Geraden durch die Punkte 6 und 7, 8 und 9 bzw. 10 und 11 nun in 5 parallel sind. Es entfallen bei der Konstruktion der Grenzbelastungskennlinien die Punkte 4, 8, 9, 10, 13, 15 und 16 aus 8a. Zur Festlegung der Grenzbelastungskennlinien genügen nun 4 statt 5 Parameter, weil statt des Kreises gemäß 8a nun eine Gerade verwendbar ist, die in 5 durch die Punkte 12 und 14 geht. Der Punkt 17 wird daher mittels des Schnitts der Geraden durch die Punkte 12 und 14 mit der parallelen Geraden zur Geraden durch die Punkte 6 und 7 durch den Punkt F →_i(N_Vorg) erzeugt. Somit ist auch bei festen oder schwimmenden Lagerungen in einem Querkraft-Axialkraft-Diagramm ein Wert für zulässiges äquivalentes Drehmoment bestimmbar, welcher der in der Applikation herrschenden Quer- und Axialkraft für das entsprechende jeweilige Teilkollektiv entspricht.
Ist das zulässige Drehmoment M_azulD bekannt, wird die komponenten- und teilkollektivabhängige Bruchlastspielzahl N_i ermittelt. Die grundsätzliche Vorgehensweise ist in 9 dargestellt.
Es ist dabei zu beachten, dass die dauerfest auslegbaren Elemente Verzahnung, Wellenquerschnitt und Passfeder zwei in der 9 gestrichelt eingezeichnete Grenzen aufweisen. Diese beiden Grenzen beschreiben die statische und die dauerfeste Belastungshöhe, zwischen denen sich das zulässige Drehmoment bewegt.
Dazwischen ist für die Grenzbelastung
wobei N_i die Bruchlastspielzahl, N_Vorg die vorgegebene Lastwechselzahl, M_azulD das zulässige äquivalente Drehmoment oder Schadensakkumulationsdrehmoment, M(n_i) das Drehmoment des ursprünglichen eingegebenen Teilkollektivs und p der Steigungsexponent ist.
Mit Hilfe der zuvor für jedes Teilkollektiv ermittelten Bruchlastspielzahlen N_i und den vorhandenen Lastspielzahlen n_i lässt sich für das jeweilige Getriebeelement ein Einzelbetriebssicherheitsfaktor S_Bj angeben, der eine reziproke Schadenssumme nach Palmgreen-Miner darstellt. Die beschreibende Gleichung hierfür ist gemäß Schadensakkumulationshypothese.

S_Bj: der Einzelbetriebssicherheitsfaktor,
n_i: die Teil-Lastspielzahl,
N_i: die Bruchlastspielzahl,
i: der Index des Teilkollektivs und
j: der Index des Getriebeelements ist.

Als Gesamtbetriebssicherheitsfaktor S_B wird daher das Minimum aller berechneten Einzelbetriebssicherheitsfaktoren S_Bj angeben. Der Gesamtbetriebssicherheitsfaktor S_B muss dabei größer oder gleich 1 sein:

S_B: der Gesamtbetriebssicherheitsfaktor,
S_Bj: der Einzelbetriebssicherheitsfaktor und
j: der Index des Getriebeelements.

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb, wobei der Antrieb mindestens ein Getriebe umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt Informationen zum Typ einer Anlage oder Maschine in ein Rechnersystem eingegeben werden, – in einem zweiten Schritt Informationen (Applikationsdaten) über den zeitlichen Verlauf der Belastung durch Angabe der Größen Axialkraft, Querkraft, Drehmoment und Lastspielzahl für den Typ einer Anlage oder Maschine in ein Rechnersystem eingegeben werden, – in einem dritten Schritt das Rechnersystem durch Klassenbildung, also Einteilung in Wertebereiche der Größen, aus dem zeitlichen Verlauf der Belastung ein Lastkollektiv, umfassend Teilkollektive, bildet, – in einem vierten Schritt das Rechnersystem für jedes Teilkollektiv aus der vorgegebenen Lastspielzahl n_i und den real wirkenden Querkräften und/oder Axialkräften für jeden Antrieb der Baureihe ein zulässiges äquivalentes Drehmoment M_azul bestimmt, indem eine Grenzbelastungskennlinie bestimmt wird, die die Abhängigkeit einer äußeren Querkraft von dem Drehmoment M_a abbildet und die den zeitfesten vom dauerfesten Bereich trennt, und das zulässige Drehmoment M_azul bei der äußeren Querkraft F_q mittels der Grenzbelastungskennlinie bestimmt wird, – in einem fünften Schritt das Rechnersystem für jedes Teilkollektiv aus dem zulässigen äquivalenten Drehmoment M_azul für jeden Antrieb der Baureihe eine Bruchlastspielzahl N_i ermittelt gemäß der Formel Ni = NVorg·(Mazul/M(ni))p bestimmt wird, wobei N_Vorg eine vorgegebene Lastwechselzahl, M(n_i) das Drehmoment des Teilkollektivs und p ein Steigungsexponent ist, – in einem sechsten Schritt das Rechnersystem für das Lastkollektiv aus den für jedes Teilkollektiv ermittelten Bruchlastspielzahlen und den eingegebenen Lastspielzahlen für den Antrieb einen Einzelbetriebssicherheitsfaktor angibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzbelastungskennlinie abhängig ist von der Betriebsabtriebsdrehzahl n_aist
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb in Komponenten untergliedert wird, wobei in einem siebten Schritt das Rechnersystem einen Gesamtbetriebssicherheitsfaktor für den Antrieb als das Minimum der Einzelbetriebssicherheitsfaktoren für die Lastkollektive der Komponenten festlegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Antrieb die Menge der Komponenten – verschiedene Abschnitte einer Abtriebswelle mit jeweils verschiedenen Durchmessern und/oder – verschiedene Abschnitte einer Abtriebswelle zwischen denen eine Geometrieunstetigkeit ausgebildet ist und/oder – Abtriebswellenloslager und/oder – feste Abtriebswellenlager und/oder – schwimmende Abtriebswellenlager und/oder – angestellte Abtriebswellenlager umfassen.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt – ein erstes Bestimmungsverfahren für das zulässige äquivalente Drehmoment ausgeführt wird, wenn die Komponente ein Abtriebswellenabschnitt ist, – wobei eine Grenzbelastungskennlinie im Querkraft-Drehmoment-Diagramm verwendet wird, die als Ellipse bestimmt wird, insbesondere deren eine Halbachse durch das zulässige Drehmoment bei einer Querkraft von 0 N und deren andere Halbachse durch die zulässige äußere Querkraft bei einem Drehmoment von 0 Nm, jeweils bei gegebenem Wellenabschnittsquerschnitt, festgelegt ist, – das zulässige äquivalente Drehmoment als zur Querkraft des Teilkollektives zugehöriger Punkt auf der Grenzbelastungskurve im Querkraft-Drehmoment-Diagramm ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt – ein zweites Bestimmungsverfahren für das zulässige äquivalente Drehmoment ausgeführt wird, wenn die Komponente ein Abtriebswellenloslager ist, – wobei eine Grenzbelastungskurve als Gerade in einem Drehmoment-Querkraft-Diagramm verwendet wird, die eine absolute Belastungsgrenze beschreibt und für die eine weitere Verringerung der Drehzahl keine Verbesserung der Tragfähigkeit zur Folge hat, – wobei das zulässige äquivalent Drehmoment als Drehmoment zu der Querkraft des Teilkollektivs auf der Grenzbelastungskennlinie zur Betriebsabtriebsdrehzahl n_aist bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bestimmungsverfahren für das zulässige äquivalente Drehmoment die zulässige Querkraft bei Betriebsabtriebsdrehzahl bestimmt wird nach der Formel
bestimmt wird, wobei n_{a ist} die Betriebsabtriebsdrehzahl und p ein Steigungsexponent, F_q3 ein Datenkennwert und n₀ eine Standard-Drehzahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt – ein drittes Bestimmungsverfahren für das zulässige äquivalente Drehmoment ausgeführt wird, wenn die Komponente ein angestelltes Abtriebswellenlager ist, – wobei ein Querkraft-Axialkraft-Diagramm verwendet wird, wobei aus der Getriebedatenbank acht Punkte in dem Querkraft-Axialkraft-Diagramm bestimmt werden, – wobei durch sechs Punkte drei erste Geraden für Drehmoment 0 Nm, halbes maximales Drehmoment und maximales Drehmoment festgelegt sind, die sich in einem ersten Schnittpunkt schneiden, – drei weitere, zur Axialkraft-Achse parallele zweite Geraden festgelegt sind, die den Querkraftdeckelwerten für Drehmoment 0 Nm, dem halben maximalen Drehmoment und dem maximalen Drehmoment entsprechen, – drei zweite Schnittpunkte definiert werden zwischen ersten und zweiten Geraden jeweils für Drehmoment 0 Nm, halbes maximales Drehmoment und maximales Drehmoment, – der Mittelpunkt eines Kreises bestimmt wird, der mit einer Toleranz von höchstens 10% die zweiten Schnittpunkte schneidet, – das zulässige äquivalente Drehmoment aus derjenigen Querkraft bestimmt wird, die sich aus dem Schnittpunkt der Geraden durch den ersten Schnittpunkt und den durch die Axialkraft und die Querkraft im Teilkollektiv definierten Punkt mit dem Kreis ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im vierten Schritt – ein drittes Bestimmungsverfahren für das zulässige äquivalente Drehmoment ausgeführt wird, wenn die Komponente ein festes oder schwimmendes Abtriebswellenlager ist, – wobei ein Querkraft-Axialkraft-Diagramm verwendet wird, wobei aus der Getriebedatenbank acht Punkte in dem Querkraft-Axialkraft-Diagramm bestimmt werden, – wobei durch vier Punkte zwei erste Geraden für Drehmoment 0 Nm und maximales Drehmoment festgelegt sind, die parallel verlaufen, – zwei weitere, zur Axialkraft-Achse parallele zweite Geraden festgelegt sind, die den Querkraftdeckelwerten für Drehmoment 0 Nm dem maximalen Drehmoment entsprechen, – zwei zweite Schnittpunkte definiert werden zwischen ersten und zweiten Geraden jeweils für Drehmoment 0 Nm und maximales Drehmoment, – eine dritte Gerade durch die zwei zweiten Schnittpunkte verläuft, – das zulässige äquivalente Drehmoment aus derjenigen Querkraft bestimmt wird, die sich aus dem Schnittpunkt der dritten Geraden mit einer zu den zwei ersten Geraden parallelen und durch den durch die Axialkraft und die Querkraft im Teilkollektiv definierten Punkt verlaufenden Geraden ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einzelbetriebssicherheitsfaktor für ein Lastkollektiv als reziproke Schadenssumme über die Teilkollektive nach Palmgren-Miner bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus den jeweiligen Bruchlastspielzahlen und der zugehörigen Lastwechselzahl ein Einzelbetriebssicherheitsfaktor
ermittelt wird, wobei die Summe über alle Teilkollektive gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtbetriebssicherheitsfaktor als Minimum aller berechneten Einzelbetriebssicherheitsfaktoren für die Lastkollektive der Komponenten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Schritt die Informationen über den zeitlichen Verlauf der Belastung durch Angabe der Größen Axialkraft, Querkraft, Drehmoment und Lastspielzahl durch ein Fahrdiagramm grafisch eingegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt das Auswählen des Typs einer Anlage oder Maschine durch Anklicken eines grafischen Objektes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das zulässige äquivalente Drehmoment die Grenzbelastungskennlinie aus Daten einer Getriebedatenbank abgeleitet sind.
Verfahren zur Auswahl von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben, wobei die Antriebe mindestens ein Getriebe umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass für Antriebe der Baureihe ein Verfahren zur Bestimmung eines Einzelbetriebssicherheitsfaktors nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgeführt wird und alle Antriebe, für die der Einzelbetriebssicherheitsfaktor oder Gesamtbetriebssicherheitsfaktor größer als 1 ist, als Ergebnis ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nur diejenige Variante bestimmt und/oder gefertigt wird, die für die Applikation gemäß weiterer über die Betriebssicherheit hinausgehender Anforderungen und auch geometrischer Anforderungen, der optimale und/oder kostengünstigste Antrieb ist oder der Antrieb mit der voraussichtlich längsten Lebensdauer, falls für mehr als einen Antrieb ein Betriebssicherheitsfaktor S_B größer ist als 1.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem mindestens dreidimensionalen Lastkollektiv ein Betriebssicherheitsfaktor S_B für den Antrieb oder zumindest für dessen Getriebe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest beim Getriebe eines Antriebs für jede Komponente j ein Einzelbetriebssicherheitsfaktors S_Bj bestimmt wird und daraus das Minimum aller Einzelbetriebssicherheitsfaktoren S_Bj als Betriebssicherheitsfaktors S_B, verwendet oder bestimmt und ausgegeben und/oder angezeigt wird und zur Auftragsauslösung einer Fertigung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastkollektiv mindestens vierdimensional ist und mindestens Informationen über den zeitlichen Verlauf der Größen Drehmoment, Drehzahl, Axialkraft und Querkraft umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastkollektiv Richtung und Betrag der Querkraft und/oder den Angriffspunkt der Querkraft umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Durchmesser aufweisende Abschnitte von Wellen oder Abschnitte von Wellen, die Geometrieunstetigkeiten aufweisen, als separate Komponenten berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzbelastungskennlinie durch zwei Parameter parametrisierbar ist in einem Querkraft-Drehmoment-Diagramm und/oder die Grenzbelastungskennlinie durch vier oder fünf Parameter parametrisierbar ist in einem Querkraft-Axialkraft-Diagramm.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Umgebung, die maximale Betriebstemperatur und/oder die gewünschte Mindest-Lebensdauer des Antriebs von den eingegebenen Applikationsdaten, umfassend geometrische Randbedingungen, umfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Motor- und/oder Getriebebelastbarkeit bestimmt und ausgegeben und/oder angezeigt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Eingabe eine Maus verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Benutzer bei der Eingabe derart geführt wird, dass er nach Eingabe einer Information über Nicht-Vorhandensein einer Axialkraft und/oder Querkraft nur Drehmoment und Lastwechselzahl einzugeben veranlasst wird, und dass er nach Eingabe einer Information über Vorhandensein einer Axialkraft und/oder Querkraft Informationen über Größen Axialkraft, Querkraft, Drehmoment und Lastwechselzahl einzugeben veranlasst wird oder Informationen über den zeitlichen Verlauf aller Größen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – bei einem Antrieb einer installierten Applikation im Betrieb Informationen über betriebsmäßige Werte der Größen erfasst werden, wobei auch Sensoren hierzu verwendbar sind, – und dass diese Werte als Applikationsdaten oder Daten des Lastkollektivs verwendet werden – und dass daraus der optimale und/oder kostengünstigste Antrieb ermittelt wird und verglichen wird mit dem in der Applikation vorhandenen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dateneingabe an einem ersten Rechner ausführbar ist, der über Internet mit mindestens einem weiteren Rechner verbindbar ist, wobei der weitere Rechner zur Durchführung des Verfahrens verwendbar ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Rechner auch zur Auftragsaulösung und/oder Verbindung mit der Fertigung verwendbar ist.
Datenträger zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 30 mit einer Datenverarbeitungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte des Bestimmens des Einzelbetriebssicherheitsfaktors für einen Antrieb oder des Auswählens von Antrieben für eine Anlage oder Maschine aus einer Baureihe von Antrieben in ein auf dem Datenträger gespeichertes Programm integriert sind, wobei aus in die Datenverarbeitungsanlage eingebbaren und/oder übermittelbaren Daten ein Einzelbetriebssicherheitsfaktor und/oder Gesamtbetriebssicherheitsfaktor für jeden Antrieb der Baureihe bestimmt wird, wenn das Programm von einer Datenverarbeitungsanlage ausgeführt wird.