Infobrief Nr. 148 - Nov./Dez. 2014

von Fritz Ruoss

Von der VDI2230 gibt es eine neue Ausgabe. Traditionell muß diese zuerst auf Fehler überprüft werden, bevor Änderungen in SR1 übernommen werden. Das war schon in der mißglückten Ausgabe 2001 und der darauffolgenden korrigierten Ausgabe 2003 so. In SR1+ wurden bislang die geänderten Werkstofftabellen in die Datenbanken übernommen, und die Berechnungsbeispiele aus der neuen VDI mit SR1+ verifiziert. Die Berechnungsbeispiele aus der neuen VDI 2230 werden ab sofort in SR1+ mitgeliefert (1_2014.SR1 bis 5_2014.SR1). Die anderen Änderungen aus der neuen VDI 2230 wurden noch nicht validiert und implementiert. Mehr dazu im nächsten Infobrief.

Bei der Mindesteinschraubtiefe gab es längst fällige Verbesserungen: Daß ein Zuschlag von 0.8 P unzureichend ist für die Berücksichtigung von Fasen des Innengewindes und Kuppe des Außengewindes, ist in SR1 schon längst durch Definition der tragenden Gewindelänge mtr und Eingabe der Länge von Fase (Muttergewinde) und Kuppe (im Schraubengewinde) realisiert. In VDI2230:2014 wird meff jetzt ohne den Zuschlag von 0.8P berechnet, und ein neues mges = meff + mzu definiert:

mgesmin = meffmin + mzu (mit mzu = 2P, Index min = mit Gewindetoleranzen)

In der alten VDI 2230 von 2003 wurde immer davon ausgegangen, daß nur das Muttergewinde abstreifen kann. In der neuen VDI 2230 darf nun auch das Schraubengewinde abstreifen.

Dies alles wurde von Herrn Dose schon vor mehr als 12 Jahren erkannt und kritisiert, vom VDI-Ausschuß wurden seine Verbesserungsvorschläge jedoch komplett ignoriert. Schade, daß er nicht mehr lebt. (www.hexagon.de/dose/)

In SR1 wurde die modifizierte Formel für meff übernommen ohne 0.8*P. In der VDI 2230 ist "mzu = 2P". In SR1 kann man "mzu" eingeben, mit dem Vorschlag-Button wird mzu = 2P gesetzt bei DSV mit Mutter, und mzu = 3P bei ESV mit Sackloch, weil die meisten Schraubennormen an der Kuppe ein unvollständiges, nichttragendes Gewinde auf einer Länge von 2P zulassen.

Eigentlich sollten die neuen Formeln in Abschnitt 5.5.5.2 "Bolzengewinde kritisch" auch gleich übernommen werden. Aber das scheiterte an einem undefinierten Faktor "R_S3" in Formel (211).

Und wieso bei kritischem Bolzengewinde der Zuschlag mzu = 1,2 P sein soll (213), bei kritischem Muttergewinde aber 2 P (209), ist auch nirgends erläutert.

Nachfolgend eine Liste der weiteren Fehler in den bisher begutachteten Seiten der VDI2230-1:2014:

1. Grenzflächenpressung von 42CrMo4: 300 N/mm², soll wahrscheinlich 1300 heißen.

2. Zum Vergleich: Grenzflächenpressung von 16MnCr5 ist jetzt 1300 N/mm², vermutlich in einsatzgehärtetem Zustand (steht fälschlicherweise unter Vergütungsstählen)

3. GJL-250 hat Wst-Nr. 0.6025, und zu Wst.Nr. 0.6020 gehört GJL-200.

1. B1.2: R2: Erforderliche Mindestklemmkraft ist nicht 103 N, sondern 1000 N (oder 1E3)

2. B2.2: R0: Vorauslegung d: Spalte 3 von Tabelle A7 bei 100 000 N ist nicht Schraubengröße M16 sofern man die Festigkeitsklasse 10.9 wählt, sondern M18.

3. B3 Zeichnung: Der kleinste Schraubenquerschnitt wird mit d0 berechnet. Auf der Zeichnung ist der kleinste Schaftdurchmesser der Schraube aber viel kleiner als d0. Die Scheibe hat 4mm Luft.

Vielleicht ist auch nur die Bemaßung falsch, und d0 sollte der kleinste Schaftdurchmesser der Schraube sein. Und der als d0 bemaßte Absatz am Schraubenkopf d = 27mm.

4: B4: Konstruktionsfehler: Die Paßfläche der Schraube trifft nicht die Trennfläche. Entweder muß die Schraube umgekehrt (mit Schraubenkopf pleuelseitig) eingebaut werden, oder die Schraubenabmessungen sind zu ändern.

Außerdem wäre für diese Anwendung ein Feingewinde zu empfehlen.

5. B5 R11: Einschraubtiefe unzureichend: Die verwendete Innensechskantschraube läßt laut EN ISO 4762:2004 an der Kuppe ein unvollständiges Gewinde u <= 2P zu. Zusammen mit 1*P für das Innengewinde ist der Zuschlag zur Einschraubtiefe dann mzu = 3*P. Mit meffvorh = mvorh – 3*P = 17,5mm folgt: meffvorh < meff

Eine detaillierte Berechnung gemäß Abschnitt 5.5.5 ist damit notwendig.

Der berechnete Wert ist mit Nennmaßen für d und D2: meff = 18,2mm. Bei Berücksichtigung der Gewindetoleranzen:

6H/6h: meffmin=18,6 mm

6H/6g: meffmin=18,9 mm

6H/6e: meffmin=19,2 mm

Bei den verwirrend vielen Bezeichnungen für mxxx kamen die Erfinder wohl selber durcheinander: aus meffvorh wurde mvorheff.

Die Tabelle A9 in VDI2230 mit Werkstoffen für verschraubte Bauteile wurde geändert und erweitert. Die Tabelle A9 nach VDI2230:2014 wurde in SR1 in eine neue Datenbankdatei mat_p_2.dbf übernommen. So kann man jetzt bei der Werkstoffauswahl für Klemmstück und Muttergewinde zwischen 3 Tabellen wählen:

MAT_P_2.DBF mit Tabelle A9 aus VDI2230:2014 (40 Werkstoffe)

MAT_P_1.DBF mit Tabelle A9 aus VDI2230:2003 (26 Werkstoffe)

PRESSUNG.DBF mit Tabellen aus VDI2230:1987, VDI2230:2003, VDI2230:2014 und weiteren Werkstoffen aus Literatur und nach Kundenangaben (260 Werkstoffe)

Warum die Datenbankwerte nicht einfach geändert wurden, hat folgenden Grund: Wenn man ein Update von SR1 installiert und alte Berechnungen lädt, wären die Ergebnisse verändert, falls Datenbankwerte aktualisiert wurden. Deshalb gibt es in der pressung.dbf gleiche Werkstoffe mit unterschiedlichen Kennwerten.

Wer die veränderten Werkstoffwerte automatisch in frühere Berechnungen übernehmen will, ohne dafür den Werkstoff nach VDI2230-1:2014 aus MAT_P_2.DBF zu wählen, kann MAT_P_1.DBF mit MAT_P_2.DBF überschreiben.

Die Berechnung der Gewindetoleranzen in SR1 wurde verbessert – sowohl in der Genauigkeit als auch in der Anzeige. Unter "Bearbeiten -> Schraube" und "Bearbeiten -> Mutter" werden die Gewindetoleranzen jetzt direkt angezeigt, sobald man eine Toleranzklasse wählt oder verändert.

Das Außengewinde wurde um die Toleranzfelder 6f und 4f erweitert. Die Grenzabmaße "es" und "EI" sowie die Toleranzen "Td und "TD1" werden jetzt aus Tabellenwerten ermittelt, statt nach den Formeln aus DIN ISO 965 berechnet. Weil die Tabellenwerte nicht genau den Berechnungsformeln aus DIN ISO 965-1 entsprechen, gab es hier kleine Abweichungen. Die Toleranzen aus den Tabellen sind auf "glatte" Zahlen gerundet. Obwohl das in diesem Fall nicht viel Sinn macht, weil dxmin und dxmax sowieso immer "krumme" Zahlen ergeben. Toleranzen für Zollschrauben und Maße abweichend von den Tabellenwerten werden weiterhin berechnet.

In SR1+ kann man die Gewindetoleranzen der Schraube für die Berechnung der Montagevorspannkraft aus dem geringsten Schraubenquerschnitt verwenden (Konfiguration unter Bearbeiten->Berechnungsmethode). In VDI 2230 wird aber mit den Nennmaßen gerechnet.

Außerdem werden die Gewindetoleranzen von Außen- und Innengewinde bei der Berechnung der Mindesteinschraubtiefe meffmin bzw. mgesmin verwendet.

Die Voreinstellung für das Toleranzfeld des Außengewindes bei Neueingabe einer Schraube wurde von "6h" auf "6g" geändert, gemäß Empfehlung in DIN ISO 965-1. Die Voreinstellung für das Innengewinde bleibt "6H". Die Voreinstellung "d2, d3 für die Berechnung von FM, MA" wurde geändert in d2=d2nom und d3=d3nom, daß FM und MA mit der VDI 2230 übereinstimmen. Voreinstellungen kann man ändern, indem man die gewünschten Eingaben in einer Datei mit Dateiname "NULL" speichert. Die NULL-Datei wird dann bei Programmstart automatisch geladen.

Bei der Werkstoffeingabe ist die Brinellhärte einzugeben. Mit dem Button "?" kann man jetzt das aus dem "HAERTE"-Programm bekannte Fenster zur Härteumwertung einblenden, und die Härte alternativ in Vickers, Rockwell oder als Zugfestigkeitswert eingeben.

Nachdem die Härteumrechnung nunmehr in den Zahnradprogrammen abrufbar ist, wird die Software "HAERTE" als eigenständiges Tool nicht mehr angeboten.

Bei unterschiedlichen Zahnbreiten wird die Flankentragfähigkeit für die überlappende Zahnbreite berechnet. Bei voller Überdeckung ist dies die Zahnbreite des schmäleren Rads. Fasen (Stirnkantenbruch) werden abgezogen. Bei Breitenmittenversatz der beiden Zahnräder muß die überlappende Breite ermittelt werden. Für die Zahnfußdauerfestigkeit (Y) wird die volle Zahnbreite verwendet, wenn der Abstand zur überlappenden Zahnbreite nicht mehr als 1*Modul je Seite ist. Andernfalls wird die überlappende Breite + 1*Modul verwendet. In der neuen Version kann man die überlappende Zahnbreite nicht mehr eingeben, die effektiven Zahnbreiten werden berechnet. Dafür kann man in einem neuen Eingabefenster Zahnbreiten, Fasen und Breitenmittenversatz eingeben.

Gleich wie in ZAR1+ öffnet sich auch in ZAR5 mit dem "b eff" Button ein Eingabefenster für Breitenmittenversatz und Stirnkantenbruch. Die effektiven Zahnbreiten für die Berechnung von Pitting (Z) und Zahnfußdauerbruch (Y) werden daraus berechnet.

Wenn man unter Bearbeiten->Festigkeit neben der Nennviskosität auf den .. Button klickt, kann man jetzt in einem Pop-up Fenster zusätzliche Daten zum Schmierstoff eingeben.

Rad 1 und Rad 2 werden im Schnitt dargestellt, berücksichtigt werden auch Fasen (Stirnkantenbruch) und Breitenmittenversatz. Falls ein Innendurchmesser di > 0 eingegeben wurde, wird eine Aussparung mit Rippen eingezeichnet. Die Seitenansicht wurde auch in die Quick4-Ansicht übernommen.

Mit den wichtigsten Formeln für die Festigkeitsberechnung nach der gewählten Methode, und allen K-, Y-, und Z-Faktoren auf einer Bildschirmseite. Das Bild wird nach Eingabe Festigkeit, Antrieb oder Werkstoff angezeigt.

Es gibt mehr Unterschiede als erwartet, allerdings nur bei speziellen Paarungen:

ZB bei kleiner Zähnezahl und geringer Profilüberdeckung:

ZB nach ISO 6336 ist viel größer als nach DIN 3990. ZB für epsilon alpha<=1 bei epsilon gamma>1 kann nicht berechnet werden. Ebenso nicht berechnet wird ZB bei epsilon alpha<=1.

Bei Innenverzahnung gibt es große Unterschiede bei den Zahnform- und Spannungsfaktoren YF und YS. Während in DIN 3990 Teil 3 steht, daß man für den Fußrundungsradius rhoF als Näherung rhoFP/2 einsetzen soll, weil sich bei Herstellung mit dem Schneidrad unter Umständen eine schärfere Fußausrundung ergäbe, wird nach ISO 6336 ein Fußausrundungsradius rhoF berechnet, der viel größer ist als rhoFP. Dadurch wird der Spannungsfaktor YS nur noch halb so groß wie nach DIN 3990, was die Sicherheit gegen Zahnfußdauerbruch gegenüber DIN 3990 verdoppelt.

Bei Außenverzahnungen sind YF und YS nach DIN 3990 und ISO 6336 dagegen genau gleich.

Die Schmierfilmfaktoren ZL,Zv,ZR waren in früheren Versionen der DIN 3990 noch für Ritzel und Rad getrennt berechnet worden. Jetzt gibt es in ZAR1+ und ZAR5 nur noch einen Faktor pro Zahnradpaar, wobei SigmaHlim des weicheren Rades für die Berechnung verwendet wird.

Ein neues Ausgabefenster enthält alle Abmessungen und Toleranzen (Nennmaß, Größtmaß, Kleinstmaß) auf einer Bildschirmseite.

Unter "Ansicht-Zahn" wird jetzt der Meßkreisdurchmesser eingezeichnet bei der Darstellung der Zahnlücke. Hilfreich ist dies vor allem bei Zahnwellenverbindungen, wo wegen der geringen Zahnhöhe bisweilen Meßrollen mit Abplattung verwendet werden müssen. Bei Schrägverzahnung wird der Meßkreis elliptisch eingezeichnet, weil der Zahn im Stirnschnitt dargestellt wird, die Meßkugeln und Meßrollen aber schräg (im Normalschnitt) liegen.

Neu in den Zahnwellenberechnungsprogrammen ist die aus ZAR1+ und ZAR5 bekannte Ansicht einer Zahnlücke unter Ansicht -> Zahn. Der Meßkreis wird mit eingezeichnet. So kann man beurteilen, ob vorhandene Meßkugeln und Meßrollen verwendbar sind. Oder auch, ob Meßrollen mit Abplattung verwendet werden müssen.

Im ZAR5 Ausdruck wird das Verdrehflankenspiel in mm ausgegeben für Paarung Sonne-Planet und Planet-Hohlrad. Die Angabe für die Paarungen in Winkelgrad entfällt, nur noch das Gesamtspiel zwischen Antriebsglied und Abtriebsglied wird in Winkelgrad ausgegeben. Beispiel: Input: Sonne, Output: Carrier, jt in: 10°, jtout: 1°. Das Spiel an der Antriebswelle ist dann 10° bei festgehaltener Abtriebswelle, und 1° an der Abtriebswelle bei festgehaltener Antriebswelle. Das Spiel an der Antriebswelle ist um das Übersetzungsverhältnis größer als an der Abtriebswelle (bei Übersetzung ins langsame).

jtoutput = jtinput * noutput / ninput

Mit ausgedruckt werden jetzt auch Normalflankenspiel jn und Radialspiel jr (für Paarung S-P und P-H).

Die neue Quick4-Ansicht enthält Tabellen mit Wickeldaten der Windungsabschnitte, Tabellen mit Federkräften, Federlängen und Federwegen, Ergebnistabellen, Federzeichnungen, Federkennlinie, R-s Diagramm und Knickdiagramm in einem A3-Zeichnungsrahmen.

Für kaltgeformte Federn berechnet das Programm die Toleranzen nach EN 15800, und für warmgeformte Federn nach DIN 2096. Bei der Berechnung nach EN 15800 war der Faktor kf nicht richtig berechnet worden, das wurde korrigiert.

kf = - (1 / (3*n²) + 8 / (5*n) + 0.803

Beim ersten Term war das Vorzeichen nicht beachtet worden. kf wird verwendet bei der Berechnung der Toleranzen von Kräften und Federlänge:

AL0 = af*kf*Q/R

AF = (af*kf + 1.5*F/100)*Q

Der Fehler ist eher gering, beim Ablesen aus Diagrammen kaum feststellbar: bei Wickelverhältnis 9 ist die größtmögliche Abweichung 0.8%, bei Dm/d > 9 noch geringer. Im ungünstigsten Fall bei Wickelverhältnis 4 ist die Abweichung 3,5%.

Die Warnungen bei Nichteinhaltung der festgelegten Grenzwerte wurden aktualisiert:

Stab- oder Drahtdurchmesser: 0.07 mm <= d <= 16 mm

Windungsdurchmesser: 0.63 mm <= D <= 200 mm

Länge der unbelasteten Feder L0: <= 630 mm

Anzahl der federnden Windungen n: >= 2

Wickelverhältnis: 4 <= w <= 20

Stab- oder Drahtdurchmesser d: 8 bis 60 mm

Äußerer Windungsdurchmesser De: <= 460 mm

Länge der unbelasteten Feder L0: <= 800 mm

Anzahl der wirksamen Windungen n: >= 3

Wickelverhältnis w: 3 bis 12

Falls Grenzbereiche überschritten werden, erscheinen Warnungen. Die Warnungen erscheinen auch, wenn "Warnungen unterdrücken" konfiguriert wurde. Wählen Sie selbstdefinierte Toleranzen statt Gütegrade, dann sind die Warnungen weg.

Alle HEXAGON-Berechnungsprogramme lassen sich im Kommandozeilenmodus ausführen. So kann man in kurzer Zeit viele Berechnungen durchführen, Eingabedaten und Ergebnisse nach/von FEM übernehmen. Verknüpfung ist mit jedem Programm möglich, verwendet wird die Eingabedatei im Textformat wie im Handbuch beschrieben, und als Ausgabe der Ausdruck als Textdatei oder DXF-Datei. Beispiel mit Excel und SR1+:

Das Kommandozeilenprogramm lässt sich mit Excel wie folgt starten:

Sub Berechnung_starten() 'Kommandozeilenprogramm starten

Dim appID As String

appID = Shell("c:\Hexagon\WSR1.EXE DATEISPEICHERORT.sr1 /I") 'hier wird SR1+ gestartet, es wird daraufhin eine TEST.txt - Datei im selben Speicherort wie die Exceldatei abgelegt

End Sub

Haben Sie Ihre HEXAGON-Software auch schon im Kommandozeilenmodus verwendet? Dann schildern Sie doch bitte kurz Ihre Anwendung. mailto:fritz.ruoss@hexagon.de

Wenn Sie hierzu Dienstleistungen anbieten (Berechnungen mit HEXAGON-Software im Batchmodus verknüpft mit FEM oder anderen Programmen) bitte kurze Mitteilung, dann könnte man Ihre Infoseite verlinken in hexagon.de.

WINLIFE ist ein Programm zur Betriebsfestigkeitsberechnung von Bauteilen vom Steinbeis-Transferzentrum Verkehrstechnik unter Leitung von Herrn Prof. Willmerding. Das Modul Zahnräder verwendet ZAR1+ im Kommandozeilenmodus für die Festigkeitsberechnung. Für die Datenübergabe und –übernahme werden die EDI-Dateien von ZAR1+ verwendet.

www.stz-verkehr.de

ZAR1+ kann auch mit der Software für Wellensysteme von MESYS verknüpft werden, hier erfolgt der Datenaustausch über zar-Dateien mit Eingabedaten und txt-Dateien mit dem Textausdruck.

www.mesys.ch