Untersuchungen zur Simulation von Bewegungsabläufen von Rollenkettengetrieben und Einzelteilen

Inhaltsverzeichnis 3

  Inhaltsverzeichnis  

Inhaltsverzeichnis   3

Verzeichnis  der Abkürzungen  5

Verzeichnis  der Symbole  6

  Abbildungsverzeichnis  8

Tabellenverzeichnis 10   

1.  Einleitung  11

1.1  Bedeutung der Simulation  11

1.2  Einordnung der Aufgabenstellung und Zielsetzung  12

2.  Bauteile eines Rollenkettentriebes  13

2.1  Rollenketten  13

2.1.1  Grundsätzlicher Aufbau  14

2.1.2  Arten von Rollenketten  15

2.1.3  Zubehörteile zu Rollenketten  16

2.2  Kettenräder  17

2.2.1  Ausführungsarten  18

2.2.2  Verbindung der Kettenräder mit Welle  19

2.2.3  Verbindung der Kettenräder mit Kette  21

2.3  Kettentrieb  22

2.3.1  Aufbau  22

2.3.2  Wirkungsweise  22

2.3.3  Hilfseinrichtungen zur Führung und Spannung der Kette  23

2.3.4  Hilfseinrichtungen zur Schmierung der Kette  25

2.3.5  Einrichtungen zum Schutz der Kette  27

Inhaltsverzeichnis 4

3.  Mechanik von Rollenkettentrieben  30

3.1  Kinematik von Rollenkettentrieben  30

3.2  Kräfte am Kettentrieb  32

3.3  Schwingungen  34

4.  Einführung zur Simulation von Bewegungsabläufen  39

4.1  Einordnung der Simulation in den Konstruktionsprozess  39

4.2  Simulation zur Verschleißvorhersage  40

4.2.1  Möglichkeiten  42

4.2.2  Finite Elemente Methode  43

4.3  CAD-Software zur Simulation von Bewegungsabläufen  46

4.3.1  ADAMS  47

4.3.2  AutoDesk Inventor  47

4.3.3  AutoDesk Mechanical Desktop  48

4.3.4  Dynamic Designer  49

4.3.5  Pro/ENGINEER  49

4.3.6  Solid Edge  50

4.3.7  SolidWorks  51

4.3.8  Working Model 4 D  51

4.4  Auswahl einer Software  52

5.  Simulation mit Working Model 4 D  54

5.1  Aufbereitung des Rollenkettenversuchstandes  54

5.2  Erstellen der Simulation  57

5.3  Bewertung der Simulationsergebnisse  62

6.  Zusammenfassung und Ausblick  65

  Literaturverzeichnis  68

Anhang 74   

Verzeichnis der Abkürzungen 5

Verzeichnis der Abkürzungen

ACIS American Committee for Interoperable Systems AD ADAMS ANSI American National Standards Institute CAD Computergestützter Entwurf (Computer Aided Design) CD Compact Disk DD Dynamic Designer DIN Verbandszeichen Deutsches Institut für Normung e.V. FE Finite-Elemente FEA Finite-Elemente-Methode (Finite-Element-Analysis) FEM Finite-Elemente-Methode IN Autodesk Inventor LW Laufwerk MB Megabyte MD Autodesk Mechanical Desktop PE Pro/ENGINEER RKV Rollenkettenversuchsstand SE Solid Edge SW SolidWorks VDI Verbandszeichen Verein deutscher Ingenieure e.V. WM Working Model 4D

Verzeichnis der Symbole 6

Verzeichnis der Symbole

a Achsabstand [mm] [mm ² ] A Querschnittsfläche b 1 innere Breite [mm] c t Federsteifigkeit einer Kettenlasche [N/mm] d Teilkreisdurchmesser [mm] d 1 Rollendurchmesser [mm] d 2 Bolzendurchmesser [mm] d max maximaler Teilkreisdurchmesser [mm] d min minimaler Teilkreisdurchmesser [mm] [N/mm ² ] E Elastizitätsmodul f D Kettendurchhang [mm] F d dynamische Kettenzugkraft [N] F G Gewichtskraft [N] F ges,g resultierende Betriebszugkraft [N] F s Stützzugkraft [N] F su untere Stützzugkraft [N] F so obere Stützzugkraft [N] F t Kettenzugkraft [N] F v Vorspannkraft [N] F w Wellenbelastung [N] F wu untere Wellenbelastung [N] F wo obere Wellenbelastung [N] F z Fliehzugkraft [N] g Laschenhöhe [mm] h Durchgangshöhe [mm]

Flächenmoment 2. Grades (Flächenträgheitsmoment) [mm ⁴ ] J

Massenmomente 2. Grades (Massenträgheitsmoment) [kg/m ² ] J 1,2 K A Betriebsfaktor für Kettentriebe [1] l,l 1 äußere Breite [mm] m Gn Punktmasse [kg] M d übertragenes Drehmoment [Nm] M d1,2 Antriebsmoment [Nm]

Verzeichnis der Symbole 7

M Öl erforderliche Ölmenge [Tropfen/min] [min ^-1 ] Drehzahl n 1,2 p, t Teilung [mm] q Längegewicht der Kette [kg/m] s Laschendicke [mm] s E Elementdicke [mm] t Z Zeit [s] v k Kettengeschwindigkeit [m/s] v kmax maximale Kettengeschwindigkeit [m/s] v kmin minimale Kettengeschwindigkeit [m/s] v u Umfangsgeschwindigkeit [m/s] x,y Koordinatenangaben 2D-Koordinatensystem [1] x n Auslenkung [mm] X Anzahl der Kettenglieder [1] z 1,2 Zähnezahl [1] γ Flankenwinkel [°] ν Querkontraktion [1] τ Teilungswinkel [°]

  Abbildungsverzeichnis  8

  Abbildungsverzeichnis  

  Abb. 1 Hauptgruppen der Stahlgelenkketten RAC 62  13

  Abb. 2 Patentzeichnung Renold'sche Rollenkette RIN 91  14

  Abb. 3 Schematische Darstellung Rollenkettengelenk DEC 95  14

  Abb. 4 Arten von Rollenketten RO1 00  15

  Abb. 5 Rollenketten mit aufvulkanisierten Gummiprofilen DEC 95  15

  Abb. 6 Rollenkettengelenk mit Kunststoffbuchse DEC 95  16

  Abb. 7 Arten von Verbindungsgliedern RO1 00  17

  Abb. 8 Ausführungsarten von Kleinkettenrädern RAC 62  18

  Abb. 9 Ausführungsarten von Großkettenrädern RAC 62  19

  Abb. 10 Geteilte Kettenräder RAC 62  19

  Abb. 11 Formschlüssige Verbindungen RAC 62  20

  Abb. 12 Vorgespannte formschlüssige Verbindungen RAC 62  20

  Abb. 13 Reibschlüssige Verbindungen RAC 62  21

  Abb. 14 Flankenwinkel RAC 62  21

  Abb. 15 Zweiradkettentrieb RAC 62  23

  Abb. 16 Leiträder und Leitrollen AUT 83  24

  Abb. 17 Stützrollen und Stützschienen AUT 83  24

  Abb. 18 Anordnung der Spannräder AUT 83  25

  Abb. 19 Spannband AUT 83  25

  Abb. 20 Schmierungsarten für Kettentriebe DEC 95  27

  Abb. 21 U-Profil Kettenschutz RAC 62  28

  Abb. 22 Kettenschutzkasten RAC 62  28

  Abb. 23 Kettenschutzschlauch AUT 83  29

  Abb. 24 Polygoneffekt beim Kettentrieb RO1 00  31

  Abb. 25 Kettengeschwindigkeit über Zeit DEC 95  32

  Abb. 26 Kräfte an der Kette RO1 00  34

  Abb. 27 Schwingungsmodell transversale Schwingungen AUT 83  36

  Abb. 28 Schwingungsmodell longitudinale Schwingungen AUT 83  37

  Abb. 29 Schwingungsmodell Drehschwingungen AUT 83  38

  Abb. 30 Übersichtsplan Planung- u. Konstruktionsprozess PAH 93  39

  Abb. 31 Verschleißstellen im Kettengelenk RAC 62  41

  Abb. 32 Vom Bauteil zum FE-Modell RIN 91  43

  Abbildungsverzeichnis  9

  Abb. 33 Vergleich Kettengelenke  54

  Abb. 34 Abmessungen Kette  56

  Abb. 35 Einschnürungen RAC 62  63

  Abb. 36 Vorgegebene Zeichnung  75

  Abb. 37 Zeichnung 1  76

  Abb. 38 Zeichnung 2  77

  Abb. 39 Zeichnung 3  78

  Abb. 40 Übersicht Working Model 4 D  79

  Abb. 41 Öffnungsdialogfenster  80

  Abb. 42 Dialogfenster für Auswahl Größeneinheit  80

  Abb. 43 Eigenschaftsdialogfenster  81

  Abb. 44 Verbindungsdialogfenster  82

  Abb. 45 Bauteil Innenglied  83

  Abb. 46 Bauteil Außenglied  83

  Abb. 47 Verbindung der Außen- und Innenlasche  84

  Abb. 48 Reglerauswahldialogfenster  85

  Abb. 49 Tabelleneingabedialogfenster  85

  Abb. 50 Simulationsdialogfenster  86

  Abb. 51 Wiedergabekontrollen und Statusanzeige  86

  Abb. 52 Eigenschaftsdialogfenster-FEA  87

  Abb. 53 Simulationsdialogfenster-FEA  88

  Abb. 54 Dialogfenster für Render  89

  Abb. 55 Bildexportdialogfenster  89

  Abb. 56 Videoexportdialogfenster  90

  Abb. 57 Bild Simulation 1  91

  Abb. 58 Bild Simulation 2  92

  Abb. 59 Bild Simulation 3  93

Tabellenverzeichnis 10

Tabellenverzeichnis

Tab. 1 Vergleich Softwarelösungen 52 Tab. 2 Vergleich Abmessungen 56 Tab. 3 Vergleich Werkstoffeigenschaften 57 Tab. 4 Simulation 1: Geschwindigkeiten und Ausfahrhöhen 59 Tab. 5 Simulation 2: Geschwindigkeiten 60 Tab. 6 Simulation 3: Ausfahrhöhen 61

1. Einleitung 11

1. Einleitung

1.1 Bedeutung der Simulation

Die Minimierung von Projektentwicklungskosten sind bei der heutigen Wettbewerbslage im Planungs- und Entwicklungsbereich eine Notwendigkeit, um die Wettbewerbsposition am Markt zu sichern. Die Planung und Konstruktion von neuen maschinenbaulichen Produkten ist trotz neuer Methoden und Hilfsmittel immer noch sehr zeit- und damit kostenaufwendig. Der Gedanke, die Entwicklung von der ersten Idee bis zum fertigen Prototyp komplett am Computer auszuführen, gewinnt dabei immer mehr an Bedeutung.

Diese Situation erfordert aber geeignete Software zum Zeichnen, zur Konstruktion, zur Belastungsuntersuchung und zur Simulation von Bewegungsabläufen. Gerade Software zum letztgenannten Zwecke muss sehr hohen Ansprüchen genügen, damit dynamisches Verhalten (Beschleunigung Erdanziehungskraft, Stoß u.s.w.), geometrische Gegebenheiten

(Abmessungen, Körperschwerpunkt u.s.w.) und Werkstoffeigenschaften (Dichte, Elastizitätsmodul, Masse) Berücksichtigung finden.

In diesem Zusammenhang kann die Definition der VDI-Richtlinie 3633 herangezogen werden: "Simulation ist die Nachbildung eines realen Systems um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind".

Zum Beispiel im Bereich der Planung, Entwicklung und Konstruktion von Kettentrieben als Antriebs- und auch als Förderketten könnte sich angesichts der schwierigen Marktsituation die Anwendung der Simulation zur Optimierung des Konstruktionsprozesses als ein Marktvorteil erweisen. Vor dem Hintergrund dürfte besonders bei Förderketten der Nachteil des Verhältnisses der großen Eigenmasse (meist aus Stahl) im Vergleich zur transportierten Masse zum Tragen kommen. Von entscheidender Bedeutung scheint auch die Weiterentwicklung alternativer Maschinenelemente zur Leistungsübertragung und Förderung wie z. B. Riemen- und Zahnriemen zu sein, die Kettentriebe in vielen Anwendungsbereichen zu verdrängen drohen.

1. Einleitung 12

1.2 Einordnung der Aufgabenstellung und Zielsetzung

Im Rahmen der Diplomarbeit wird anfänglich ein Einblick und eine Übersicht in den Aufbau und die Mechanik von Kettentrieben am Beispiel von Rollenkettentrieben gegeben.

Anschließend sollen die Simulation in den Konstruktionsprozess eingeordnet und die Möglichkeiten zur Verschleißvorhersage mit Hilfe von Simulationen betrachtet werden.

Es werden dann gängige Software-Lösungen hinsichtlich ihrer Eignung zur Simulation von Bewegungsabläufen und zur Verschleißvorhersage untersucht.

Im Ergebnis dieser Untersuchungen wird eine Software ausgewählt, um den vorgegebenen Kettenprüfstand (Vorgabe erfolgte als Datei im *.DWG-Format und *.SAT-Format) rechentechnisch aufzuarbeiten und eine Simulation zu erstellen. Die Ergebnisse der Simulation sind dann zu bewerten. Für die gewählte Software wird ein Einblick in Form einer kurzen Benutzeranleitung erarbeitet.

Abschließend werden die erreichten Ziele als Zusammenfassung aufgeführt und ein Ausblick über Anwendungsmöglichkeiten und Praxisrelevanz gegeben.

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 13

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes

2.1 Rollenketten

Rollenketten bestehen prinzipiell wie alle Stahlgelenkketten aus einer Vielzahl von einzelnen Gliedern. Jedes Glied setzt sich dabei aus mehreren Konstruktionsteilen zusammen, die entweder zur Übertragung von Zugkräften dienen oder eine relative Drehung zweier Glieder zueinander ermöglichen. Nach RACHNER lässt sich die Vielzahl von genormten und ungenormten Stahlgelenkketten in vier Hauptgruppen einteilen: Bolzenketten, Buchsenketten, Rollenketten und Zahnketten [RAC-62 S.3]. Die nachfolgende Abbildung 1 veranschaulicht den grundsätzlichen Aufbau der vier Hauptgruppen der Stahlgelenkketten.

Die wesentlichen Bezeichnungen und Abmessungen der Bauteile gehen aus den Ziffern in der Abbildung und folgender Begriffszuordnung hervor: 1 Innenlasche, 2 Außenlasche, 3 Bolzen, 4 Buchse, 5 Rolle, 6 Zahnlasche, 7 Führungslasche.

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 14

2.1.1 Grundsätzlicher Aufbau

Die von Renold entwickelte, im Jahr 1880 patentierte und in Abbildung 2 dargestellte Rollenkette legte den Grundstein für die rasche Verbreitung von Kettentrieben.

Von allen Stahlgelenkketten kommt der Rollenkette damals wie heute aufgrund des fast unbegrenzten Einsatzbereiches die größte Bedeutung zu, obwohl die Rollenkette auch die teuerste Ausführungsform der Stahlgelenkkette ist. Am grundsätzlichen Aufbau der Rollenkette hat sich nichts geändert, wie Abbildung 3 als Vergleich zur Abbildung 2 zeigen soll. Die Außenlaschen der Rollenkette sind mit einem Bolzen und die Innenlaschen mit einer Gelenkbuchse (Hülse) vernietet. Auf den Buchsen sind geschliffene und gehärtete Rollen, die der Verschleiß- und Geräuschminderung dienen, gelagert.

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 15

2.1.2 Arten von Rollenketten

Als normale Ausführungsform werden Rollenketten nach DIN 8187 (europäische Bauart) und DIN 8188 (amerikanische Bauart) als Einfach- oder Mehrfachrollenketten ausgeführt (siehe Abbildung 4 a und b). Durch diese Ausführungsformen kann der Anwendungsbereich für Antriebsketten auf Leistungen von > 1000 kW und Kettengeschwindigkeiten bis 30 m/s erweitert werden. Für die Verwendung als Förderketten werden Rollenketten in den Ausführungsformen mit Befestigungslaschen nach DIN 8187 und nach DIN 8188 (siehe Abbildung 4 c) und als langgliedrige Variante nach DIN 8181 und nach DIN 8189 (siehe Abbildung 4 d) eingesetzt. Für die Zuführung und den Transport werden diese Rollenketten mit aufvulkanisierten Profilen versehen (siehe Abbildung 5), so dass auch kleine Teile einen sicheren Stand erhalten und mitgenommen werden. Dabei liegt die Kettengeschwindigkeit meist unter 3 m/s. Die Rotarykette nach DIN 8182 als Rollenkette mit gekröpften Gliedern (siehe Abbildung 4 e) wird oftmals in Baggern und Erdölbohrmaschinen eingesetzt, dabei sind Kettengeschwindigkeiten bis zu 17 m/s möglich.

Abb. 5 Rollenketten mit aufvulkanisierten Gummiprofilen [DEC-95]

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 16

Beim Einsatz von Rollenketten in Fällen, in denen mit mangelnder Schmierung zu rechnen ist (z. B. durch schlechte Zugänglichkeit) oder bei denen aus betrieblichen Gründen keine Schmierung möglich ist (z. B. Maschinen in der Lebensmittelindustrie), müssen Rollenketten mit Kunststoffgleitlagern verwendet werden. Das bedeutet, dass sich zwischen dem Bolzen und der Gelenkbuchse eine Kunststoffbuchse (meist aus Polyamid) befindet, die mit Spiel in der Gelenkbuchse sitzt. Abbildung 6 zeigt ein Rollenkettengelenk mit Kunststoffbuchse. Die Bauteile in der Abbildung werden bestimmt durch die Ziffern und folgender Begriffszuordnung: a Innenlasche, b Außenlasche, c Hülse, d Kunststoffbuchse, e Bolzen, f Rolle.

2.1.3 Zubehörteile zu Rollenketten

Um offene Rollenkettenstränge zu einer endlosen Rollenkette zu verbinden oder um eine vorhandene Kette zu verlängern bzw. zu verkürzen, gibt es eine Reihe von Zubehörteilen, die nachfolgend beschrieben werden sollen. Meistens werden Rollenketten in offenen Strängen mit einer vordefinierten Länge (l) geliefert. Diese Länge stellt das Produkt aus der Anzahl der Kettenglieder (X) multipliziert mit der Teilung der Kette (p oder t) dar.

⋅ = p X l (1)

Wenn der Kettenstrang aus einer geraden Anzahl von Kettengliedern besteht, sind die Endglieder oder Endlaschen stets Innenlaschen. Die Endglieder lassen sich erst nach dem Auflegen der Kette auf die Räder verbinden, wenn keine

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 17

Wellenverschiebung mehr möglich ist und keine abnehmbaren Spannrollen vorhanden sind. Die Endglieder werden durch das seitliche Einfügen von einer mit Bolzen versehenen Außenlasche und das Gegenlegen einer nicht vernieteten nächsten Außenlasche verschlossen. Für die Sicherung der Außenlasche gibt es mehrere Möglichkeiten, wie Abbildung 7 verdeutlicht. Es ist möglich, das Verbindungsglied als Nietglied (siehe Abbildung 7 a) auszuführen, bis zu einer Kettenteilung von 19,05 mm wird das Verbindungsglied mit Federverschluss (siehe Abbildung 7 b) verwendet und für Ketten mit Teilungen von 25,04 mm und mehr das Verbindungsglied mit Splintverschluss (siehe Abbildung 7 c).

Lässt sich aus konstruktiven Gründen eine ungerade Kettenanzahl nicht vermeiden oder soll zur Reparaturzwecken die Kettenlängung durch Verschleiß ausgeglichen werden, sind die Verbindungsglieder oder Reparaturglieder als gekröpfte Rollenkettenglieder ausgeführt (siehe Abbildung 7 d und e). Bei der Reparatur einer verschleißbedingten Längung der Rollenkette könnten beispielsweise zwei Doppelglieder (vier Glieder) entfernt und durch ein gekröpftes Doppelglied und ein Außen- bzw. Verbindungsglied ersetzt werden, um die Kette um ein Glied zu kürzen. Grundsätzlich sollte der Einsatz von gekröpften Gliedern vermieden werden, da durch die zusätzlichen Biegebeanspruchungen in der Kröpfung die Bruchlast der Gesamtkette nach MÜLLER um 10 bis 20 % sinkt [AUT-83 S.22].

2.2 Kettenräder

Kettenräder sind Konstruktionselemente eines Kettentriebes, die laut RACHNER wie ein Hebelarm das mechanische Bindeglied zwischen Kraft und

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 18

Drehmoment darstellen [RAC-62 S.19]. Im wesentlichen besteht das Kettenrad aus der Verzahnung tragenden Radscheibe mit der Nabe, die die Verbindung mit der Welle herstellt. Die Verzahnung der Kettenräder muss so ausgeführt sein, dass eine durch Verschleiß auftretende Kettenlängung entsprechend berücksichtigt wird, um Sicherheit, Laufruhe und Lebensdauer des Kettentriebes zu gewährleisten.

2.2.1 Ausführungsarten

Die Form der Kettenräder wird durch die gewählte Zähnezahl und das zu übertragende Moment bestimmt.

Bei kleinen Zähnezahlen werden die Kettenräder wie in Abbildung 8 ausgeführt. Die Wahl der entsprechenden Ausführungsart nach Abbildung 8 ist abhängig von den konstruktiven Gegebenheiten des Triebes. Wenn bei gegebenen Wellendurchmesser extrem wenig Zähnezahlen realisiert werden sollen, sind Schafträder einzusetzen. Allerdings müssen verschlissene Schafträder im Gegenteil zu Naben- und Scheibenrädern komplett mit Welle ausgewechselt werden. Nabenräder können große Momente auf die Welle übertragen, während Scheibenräder nur eingesetzt werden können, wenn kleine Momente zu übertragen sind.

Bei großen Zähnezahlen und großen zu übertragenden Momenten werden entsprechend des Verwendungsfalls und der Anzahl der Räder, Kettenräder nach Abbildung 9 verwendet. Bei großen Stückzahlen sind nach RACHNER gegossene Räder geschweißten Rädern vorzuziehen [RAC-62 S.21].

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 19

Bei besonders hohen Zähnezahlen und bei sehr großen Kettenteilungen werden in den Radscheiben axiale Rippen oder Erleichterungsöffnungen vorgesehen.

Zur leichteren Montage der Kettenräder können diese als geteilte Ausführung (siehe Abbildung 10) sowohl für kleine als auch für große Zähnezahlen eingesetzt werden.

2.2.2 Verbindung der Kettenräder mit der Welle

Die Verbindung der Kettenräder mit der Welle kann als eine der folgenden Ausführungsarten ausgeführt sein: formschlüssige Verbindung, vorgespannte formschlüssige und reibschlüssige Verbindung.

Die rein formschlüssigen Verbindungen werden entweder als Verbindung mit Scheibenfeder (siehe Abbildung 11 a), als Verbindung mit Passfeder (siehe Abbildung 11 b), als Keilwellenverbindung (siehe Abbildung 11 c) oder als

2. Bauteile eines Rollenkettentriebes 20

K-Profilverbindung (siehe Abbildung 11 d) ausgeführt. Bevorzugt Verwendung finden diese Verbindungen, wenn eine einfache Lösbarkeit des Kettenrades von der Welle verlangt ist. Wenn jedoch stoßartige Belastungen zu erwarten sind, ist die Verwendung von Pass- oder Scheibenfedern zu vermeiden.

Die vorgespannten formschlüssigen Verbindungen werden entweder als Verbindung mit Rundkeil (siehe Abbildung 12 a), als Verbindung mit Scheibenkeil (siehe Abbildung 12 b), als Verbindung mit Einlegkeil (siehe Abbildung 12 c), als Verbindung mit Nasenkeil (siehe Abbildung 12 d) oder als Verbindung mit Tangententeil (siehe Abbildung 12 e) verwendet. Die vorgespannten formschlüssigen Verbindung eigenen sich besser für den Betrieb mit stoßartiger Belastung als die rein formschlüssigen Verbindungen, da die Lage des Kettenrads zur Welle genau festgelegt ist und daher kein Todgang bei Überholstößen (z.B. Lastwechsel oder Drehrichtungswechsel) vorhanden ist.

Die reibschlüssigen Verbindungen können als Hohlkeilverbindung (siehe Abbildung 13 a) als Pressverbindungen (siehe Abbildung 13 b) und als