Passfederberechnung

KISSsoft 03/2016 – Tutorial 3
Passfeder
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Inhaltsverzeichnis
1 Starten von KISSsoft ................................................................................................................................ 3 1.1 Auswahl der Berechnung ............................................................................................................... 3 2 Berechnung einer Passfeder ................................................................................................................... 4 2.1 Aufgabenstellung ............................................................................................................................ 4 2.2 Eingabe der Daten .......................................................................................................................... 6 2.3 Ausführen der Berechnung und Protokoll....................................................................................... 8 2.4 Auslegen des maximal übertragbaren Drehmomentes .................................................................. 9 2.5 Bemerkungen zum Protokoll ........................................................................................................ 10 3 Wellenberechnung ................................................................................................................................. 11 3.1 Allgemeines .................................................................................................................................. 11 3.2 Kerbfaktoren für Wellenberechnung ............................................................................................. 11 05.02.2016
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1 Starten von KISSsoft
Nach Installation und Freischaltung kann KISSsoft aufgerufen werden. Der Programmstart erfolgt
üblicherweise mittels "StartProgrammeKISSsoft 03-2016KISSsoft 03-2016". Es erscheint die
folgende KISSsoft Benutzeroberfläche:
Abbildung 1.
Starten von KISSsoft, Startfenster
1.1 Auswahl der Berechnung
Über das Modulbaumfenster im Tab „Module“ wird die Berechnung für Passfedern aufgerufen:
Abbildung 2.
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Auswahl Berechnungsmodul “Passfeder“ unter Welle-Nabe-Verbindungen
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2 Berechnung einer Passfeder
2.1 Aufgabenstellung
Es soll eine Passfeder (nach DIN 6892, Methode B) für die folgenden Geometrie- und Belastungsdaten
ausgelegt und nachgerechnet werden:
Wellendurchmesser
120mm
Nenndrehmoment
Aussendurchmesser Nabe D1
200mm*
Maximaldrehmoment
15’000Nm
Aussendurchmesser Nabe D2
270mm
Anwendungsfaktor
1.50
Breite zu Aussendurchmesser D2
4’000Nm
Häufigkeit der Lastspitze
10’000
innerhalb der tragenden Länge c
17mm
Häufigkeit Lastwechsel
250’000
Abstand a0
96mm
Mit Wechselmoment
15'000 Nm
Passfeder nach DIN 6885.1 A32x18x125
Material Nabe
GG25
Anzahl Passfedern
1
Material Passfeder
C45
Kantenbruch Welle
Keiner
Material Welle
C60
Kantenbruch Nabe
0.8mm
Tragende Länge ltr
125-32=93mm
*Da im Teil 1 10 Bohrungen (64 mm Durchmesser) für die elastischen Elemente der Kupplung eingebracht
sind, ist die Nabe weniger verdrehsteif. Zur Berechnung des Ersatzzylinders wird nicht der Aussen-,
sondern der Lochkreisdurchmesser der Nabe verwendet.
In KISSsoft stehen zurzeit zwei verschieden Rechengänge für den Nachweis der Festigkeit einer Passfeder
zur
Verfügung.
Diese
können
unter
den
modulspezifischen
Einstellungen
über
„Berechnung“„Einstellungen“, oder direkt über den Knopf in der Befehlsliste ausgewählt werden.
Die Methode C der DIN ist eine vereinfachte Methode und wird hier nicht weiter berücksichtigt. Als
Standard ist die Rechenmethode nach DIN 6892, Methode B eingestellt, kann also bei diesem Beispiel
beibehalten werden (vgl. Abbildung 3).
Abbildung 3.
Auswahl der Rechenmethode, DIN 6892, Methode B
Hierbei sind folgende Materialkennwerte vorgegeben:
Fliessgrenze Re [MPa]
Bruchfestigkeit Rm [MPa]
EN-GJL-250 (GG 25) (spröde)
130
200
C45 K (kaltgezogen)
430
680
1C60 N (normalisiert)
310
600
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Abbildung 4.
Aufbau der gesamten Verbindung, nachzuweisen ist Teil 1
Abbildung 5.
Zur Definition von D2, D1, a0 und c
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2.2 Eingabe der Daten
Diese Daten werden wie folgt eingegeben:
Die Auswahl der
Rechenmethode ist
entscheidend.
Abbildung 6.
Weiter ist die Passfederform zu wählen, wobei die
Details zur Geometrie automatisch über den
Wellendurchmesser bestimmt werden (siehe
Abbildung 7).
Für die Werkstoffe ist „Eigene
Eingabe“ zu wählen und oben
genannte Werte sind einzutragen
(siehe Abbildung 8).
Eingabefenster - Eingabe der Leistungsdaten und Hauptabmessungen
Die Geometrie der Nabe, insbesondere für abgesetzte Naben, nach Abbildung 5 kann direkt über die
Oberfläche eingegeben werden.
Der Wert für die Breite des Nabenteilaussendurchmessers mit D2 innerhalb der tragenden Länge c, kann
angegeben werden. Ist eine abgesetzte Nabe vorhanden, kann der Haken in der „Checkbox“ gesetzt
werden, damit die Werte beeinflusst werden können. Ist keine abgesetzte Nabe vorhanden, werden diese
Werte gesetzt.
Angaben zur Geometrie der Passfeder finden sich unter dem „Plus Button“
Abbildung 6.
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, siehe Markierung
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Die detaillierte Geometrie der Passfeder
wird aus dem Wellendurchmesser und
der gewählten Passfedernorm
bestimmt. Es besteht auch die
Möglichkeit, eigene
Passfederdimensionen anzugeben.
Abbildung 7.
Angaben zur ausgewählten Passfeder
Die Materialdaten müssen extra angegeben werden (da so nicht in der Datenbank enthalten), diese
Eingaben erfolgen über den „Plus Button“
Nabe und Passfeder:
rechts neben der Auswahlliste für die Werkstoffe der Welle,
Definition des Materials für die Passfeder.
Es sind hier die Werte für Zugfestigkeit und
Streckgrenze anzugeben.
Bei der Definition des Materials für die
Nabe ist es hier wichtig, den Werkstofftyp
richtig auszuwählen. In diesem Beispiel
wird festgelegt, dass es sich um einen
spröden Werkstoff handelt, was Einfluss
auf den Rechengang hat (z.B. werden
folglich die zulässigen Pressungen aus der
Bruchfestigkeit und nicht aus der
Fliessgrenze hergeleitet).
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Angabe zum Wellenmaterial eingeben.
Abbildung 8.
Angaben zu den Materialien
2.3 Ausführen der Berechnung und Protokoll
Durch Drücken von
in der Symbolleiste oder „F5“ wird die Berechnung ausgeführt und es werden im
unteren Bereich des Hauptfensters einige ausgewählte Resultate (Pressungen an den Bauteilen,
Sicherheiten gegen zulässige Pressung) angezeigt. Zu beachten ist die Anzeige „Konsistent“. Diese zeigt
an, dass die Eingaben und die gezeigten Resultate zusammenpassen (wird z.B. jetzt das Nenndrehmoment
verändert, wechselt die Anzeige auf „Inkonsistent“ bis erneut
oder „F5“ gedrückt wird).
Die Berechnung der Passfeder erfolgt nach DIN 6892. Die Berechnung ist vor allem für statische
Drehmomente geeignet, mit Einschränkungen auch für schwellende oder wechselnde Momente. Meist ist
jedoch die Welle – und nicht die Passfeder – das kritische Bauteil, diese muss in der Wellenberechnung
überprüft werden (siehe auch Kapitel 3).
Bei der Berechnung in KISSsoft wird unabhängig von der Passfederform mit der tragenden Passfederlänge
(hier ltr=93 mm) gearbeitet. Das Reibschlussmoment muss extern berechnet werden (z.B. in der
Berechnung für Presssitz) und muss vorgegeben werden. Ist dieses nicht bekannt, ist der Wert auf null zu
setzen. Ausgegeben wird das Minimum der Sicherheiten aus Nenn- und Maximaldrehmoment (Minimum
aus statischem und ermüdungsbedingtem Nachweis) sowie die Pressung aus dem Nenndrehmoment. Der
Anwendungsfaktor geht dabei nur in das Nennmoment ein.
Über das Symbol „Protokoll erstellen“
(siehe rechts von
) oder „F6“ drücken, wird das
Berechnungsprotokoll geschrieben, in dem sämtliche Berechnungsparameter (siehe auch Kapitel 2.5)
aufgeführt sind. Dieses Protokoll kann nun z.B. in einen Nachweisbericht eingebunden werden.
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2.4 Auslegen des maximal übertragbaren Drehmomentes
Es soll nun in einem zweiten Schritt das Nenndrehmoment bestimmt werden, das gerade noch mit einer
Sicherheit von 1.20 übertragen werden kann. Dazu wird unter „Modulspezifische Einstellungen“ (vgl.
Abbildung 9) die geforderte Sicherheit auf 1.20 gesetzt und danach der „Auslegen Button“
rechts
neben der Eingabe für das Nenndrehmomentes betätigt. Es wird dann das maximal übertragbare
Nenndrehmoment bestimmt, hier 5200 Nm. Wird dann nochmals
gedrückt, so ist die minimale
resultierende Sicherheit gerade gleich der geforderten Sicherheit von 1.20, siehe unterste Markierung in
Abbildung 10.
Abbildung 9.
Modulspezifische Einstellungen
Abbildung 10. Bestimmen des maximal übertragbaren Nenndrehmomentes
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Durch Drücken von
ergibt sich das maximale Nenn-Drehmoment.
Das Ausführen der Nachrechnung
ergibt die geforderte Sicherheit.
2.5 Bemerkungen zum Protokoll
Einige Bemerkungen zu den Zwischenwerten, wie sie im Protokoll aufgeführt sind:




Äquivalentes Drehmoment: Teq=KA*Tnenn, KA aus DIN3990
Umfangskraft aus Drehmoment: Feq=Teq/r , Fmax=Tmax/r
Bestimmen der tragenden Länge, ltr und Tiefe ttr



Flächenpressung aus Kraft und Anpressfläche sowie Beiwert Traganteilfaktor Kneq; Knmax:
Abhängig von der Anzahl der Passfedern; es werden maximal 2 Passfedern in der Berechnung
berücksichtigt, der Tragfaktor =0.75 (höher für maximale Flächenpressung (Verformung der
Passfeder), Kv=0.9)
Lastverteilungsfaktor Kl, inhomogene Lastverteilung in der Passfeder Reibschlussfaktor KR:
berücksichtigt, dass ein Teil des Drehmomentes über Reibschluss übertragen wird; wird nur für die
maximale Flächenpressung verwendet
Bei spröden Naben keine Übermasspassung vorsehen
Lastrichtungswechselfaktor der fW: Berücksichtigung der Anzahl Lastwechsel
Lastspitzenhäufigkeitsfaktor der fL: berücksichtigt für den Nachweis gegen das maximale Moment
dessen Häufigkeit; unterschiedlich für duktile und spröde Werkstoffe
Stützfaktor fS: Stützwirkung bei auf Druck beanspruchten Bauteilen; materialabhängig
Härteeinflussfaktor fH: bei gehärteten Oberflächen
Zulässige Flächenpressung aus Re oder Rp02 für duktile und Rm für spröde Werkstoffe und für obige

Faktoren
Gültigkeitsbereich der Berechnung: metallische Werkstoffe für Temperaturen von -40°C bis 150°C




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3 Wellenberechnung
3.1 Allgemeines
Aus den bisherigen Untersuchungen an Passfederverbindungen geht hervor, dass meist die Welle das
kritische Bauteil der Verbindung darstellt. Abscheren der Passfeder ist sehr selten und kommt, wenn
überhaupt, nur bei Überlast vor. Der in zahlreichen Dauerversuchen mit Passfederverbindungen
nachgewiesene Schwingungsverschleiss (infolge Umlaufbiegung und/oder schwingender Torsion) ist meist
der Schädigungsmechanismus, der zum Versagen der Verbindung führt. Der komplette Nachweis der
Verbindung umfasst eigentlich die Prüfung der Flächenpressung an Welle, Passfeder und Nabe, der
Festigkeit der Welle und der Festigkeit der Nabe, wobei letztere in der Regel nicht kritisch ist. In der
Passfederberechnung in KISSsoft werden nur die Flächenpressungen geprüft. Der Nachweis der Welle
kann in der KISSsoft-Wellenberechnung geführt werden.
3.2 Kerbfaktoren für Wellenberechnung
Da die Schädigungsursache (insbesondere für die Welle) eine Kombination aus Spannungsüberhöhung
und tribologischen Einflüssen ist, reicht für die Bestimmung von Kerbfaktoren eine Betrachtung einer
genuteten Welle alleine nicht aus, d.h. es muss für die Bestimmung von Kerbfaktoren die ganze Verbindung
betrachtet (mit hohem Aufwand getestet) werden. Da hierbei eine grosse Menge an Parametern
berücksichtigt werden müsste, sind die Angaben zu Kerbfaktoren für die Wellenberechnung z.T.
unterschiedlich oder unterliegen einer Streuung.
Es bleibt damit dem Berechnungsingenieur überlassen, die verwendeten Kerbfaktoren für die
Wellenberechnung kritisch zu hinterfragen.
Siehe dazu z.B.:




DIN 6892, Passfedern, Berechnung und Gestaltung
U. Oldendorf, Lebensdauer von Passfederverbindungen, VDI Bericht 1790
E. Leidich, Einfluss des Schwingungsverschleisses auf die Tragfähigkeit von Welle-NabeVerbindungen, VDI Bericht 1790
DIN 743, Tragfähigkeit von Wellen
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