Infobrief Nr. 150 - März/April 2015

von Fritz Ruoss

Infobrief Nr. 150 bei 6 Infobriefen pro Jahr macht 25 Jahre HEXAGON Infobrief – vor genau 25 Jahren, im April 1990, wurde die HEXAGON Industriesoftware GmbH gegründet. Seitdem werden Kunden regelmäßig alle zwei Monate wurde über Neuheiten und Änderungen informiert, heute zum einhundertundfünfzigsten Mal.

Das erste Programm, TOL1 zur Toleranzrechnung, entstand schon 1987, damals noch unter der Firmierung Ingenieurbüro Ruoss. Es gab noch kein Windows und kein Internet. Die Programme liefen unter MS-DOS, Systemvoraussetzung war ein IBM-kompatibler PC mit 256 kB RAM, Speichermedium waren 5,25" Disketten zu 360 kB.

1987, beim Start in die Selbständigkeit, waren die ersten Kunden meine früheren Arbeitgeber, FESTO Pneumatik und FESTOOL Elektrowerkzeuge. 28 Jahre später vertrauen mehr als 2500 Kunden mit mehr als 10 000 Lizenzen auf Berechnungen mit HEXAGON Software. Die HEXAGON Industriesoftware GmbH habe ich im April 1990 zusammen mit 6 Gesellschaftern gegründet. Und auch die zukünftige Führung des Familienunternehmens scheint gesichert: meine Söhne (6 und 4 Jahre) und Töchter (3 und 1 J.) spielen schon mit Begeisterung am PC.

Zum Jubiläum gibt es gleich zwei neue Berechnungsprogramme: FED14 für Schraubenwellfedern und FED15 für einfache Blattfedern.

Schraubenwellfedern sind offene Wellfedern mit mehreren gewellten Windungen und mit oder ohne ungewellten Endwindungen. Dabei müssen die Wellenbuckel immer aufeinandertreffen, deshalb muß die Anzahl der Wellen immer x,5 sein. Idealerweise müssten die aufeinanderliegenden Wellenbuckel verbunden werden, um zu verhindern, daß sich die Wellen unter Last verschieben und die Wellenberge in die Wellentäler der folgenden Windung rutschen. Deshalb muss der Abstand zwischen den Wellen möglichst groß sein, so werden Schraubenwellfedern in der Praxis mit 2.5, 3.5 oder maximal 4.5 Wellen hergestellt. Durch Reibung und den erwähnten Effekt gibt es eine toleranzabhängige, kaum berechenbare Hysterese. Die Federkraft wird berechnet aus der Biegung der Wellen. Die Federkraft aus der Torsion des Federbandes ist dagegen vernachlässigbar klein. Vorteil von Schraubenwellfedern ist eine hohe Kraft auf kleinem Raum. Aber als Präzisionsfedern sind sie eher nicht geeignet.

Für die Berechnung von Wellfedern gibt es keine Norm, für Schraubenwellfedern schon gar nicht. Man kann die Schraubenwellfeder abwickeln und wie eine z-fach gelagerte Blattfeder berechnen.

s = F * L³ / (16 * E * b * t³ *N^4)

Mit L = pi * D * n

N = n * z

n = Windungszahl, z = Anzahl Wellen/Windung, t = Banddicke, b = Bandbreite, E = E-Modul

Man kann einen Abschnitt der Feder auch mit der FED10-Software für Blattfedern berechnen, hier eine Windung mit 3,5 Wellen. Das Federband ist gelagert auf einem Festlager und 3 Loslagern. Die Einzelkräfte sind die Auflagerkräfte der nächsten Windung. Die Kräfte sind so zu verteilen, daß die Durchbiegung gleich ist. Links ist das Federende, und auf das Lager rechts wirkt ein Biegemoment von der ersten Welle der nächsten Windung.

Aus den Biegemomentverlauf wird der Spannungsverlauf berechnet, mit Spannungsspitzen in den Wellenbergen und Wellentälern.

In der Vorauslegung muß man nur 2 Federkräfte und einen Hub, oder eine Federkraft und einen Federweg eingeben, und FED14 berechnet die Abmessungen. Hierbei kann man die Parameter Wellenzahl, Wickelverhältnis, Sicherheit Sigmaz/Sigma2 (Spannung) und sc/s2 (Blockfederweg) nach Bedarf verändern.

Ein Berechnungsprogramm für Blattfedern gibt es zwar schon. Mit FED10 kann man Durchbiegung und Spannung an jeder Stelle der Blattfeder berechnen, und die Feder mit mehreren Radial- und Axialkräften, Biegemomenten und Streckenlasten beaufschlagen.

Mit FED15 kann man dagegen mit nur wenigen Eingaben sehr schnell einfache Blattfedern berechnen mit konstantem Rechteckquerschnitt und nur einer Federkraft und definierter Federrate. Während in FED10 die Lagerarten "Feste Einspannung" und "Fest/Loslager" mit 2,3, 4 oder 5 Auflagern möglich sind, gibt es in FED15 nur "Feste Einspannung" (z.B. Relaisfeder) oder Fest/Loslager mit 2 Lagerstellen (z.B. Fahrzeug-Blattfeder). Auch die Kraftangriffspunkte sind festgelegt: Bei fester Einspannung am Federende, und bei Fest-/Loslagerung in Federmitte. Dadurch erhält man eine feste Federrate, da nur 1 Federkraft und klar definierte Federwege an der Position des Kraftangriffpunkts. Die Eingabe in FED15 ist ähnlich wie bei den anderen Federprogrammen, mit Federwegen s1, s2 und zugehörigen Federkräften F1 und F2, wogegen die Eingabe der Blattfeder in FED10 vergleichbar ist mit der Wellenberechnung in WL1+ oder der Trägerberechnung TR1.

In FED15 gibt es auch eine Vorauslegung: Aus ein oder zwei Federkräften und einem Federweg bzw. Hub wird eine passende Blattfeder berechnet. Die Abmessungen können über die Parameter Federlänge/Federweg und Sicherheit bei F2 variiert werden.

Wenn die Blattfeder einfach nur ein Stück Federband ist (wie in FED15), gibt es jetzt eine vereinfachte Eingabe für Breite, Dicke und Länge der Wellfeder. Diese kann man unter "Bearbeiten -> Berechnungsmethode" konfigurieren.

Unter "Berechnungsmethode" kann man jetzt konfigurieren, daß statt einer flachen Blattfeder aus Bandstahl eine Biegefeder aus rundem Federdraht berechnet wird. Wenn diese Option gewählt wird, ist unter Bearbeiten->Geometrie nur Drahtdurchmesser und Länge einzugeben, und bei der Werkstoffauswahl erscheint die fedwst.dbf Werkstoffdatenbank mit Federdraht anstelle der fed9wst.dbf mit Bandstahl.

Bei den Federn aus Federbandstahl wird die zulässige Biegespannung mit 0,75 Rm (75% Zugfestigkeit) berechnet. Der Faktor 0,75 ist nicht fix, sondern kann in der Werkstoffdatenbank fed9wst.dbf verändert werden. In FED9 und FED13 (ebenso wie in FED14 und FED15) bewirkt eine Änderung des Biegespannungsfaktors jetzt auch entsprechende Änderungen im Goodman-Diagramm und bei der Lebensdauerberechnung

Bei der Eingabe der Abmessungen gibt es einen neuen "Calc" Button für die Berechnung der Feder und Anzeige der Ergebnisse im Hintergrundfenster.

In TR1 kann man bisher das Trägerprofil von Datenbank wählen oder die Koordinaten eingeben. Als dritte Möglichkeit kann man jetzt auch noch das Profil zeichnen.

Unter CAD->P4C kann man jetzt wie in WN6 das P4C-Profil von Welle und Nabe als DXF- oder IGES-Datei maßstäblich ausgeben und in CAD übernehmen. Das P4C-Profil ist keine durchgehende Zykloidenkurve wie P3G in WN6. Die Zykloide wird durch den Außenkreisdurchmesser d1 bei der Welle und d3 bei der Nabe begrenzt. Das Profil besteht aus 4 Teilen einer Zykloidenkurve und 4 Kreisbogen mit d1/d3. Die Zykloidenkurve ist in DIN 32712 und in den Zeichnungen als Radius r = d2/2 + 16e dargestellt, in der neuen CAD-Profilzeichnung wird die Zykloidenkurve gezeichnet. Das Profil kann als LINE/ARC oder als POLYLINE generiert werden, die Auflösung der Zykolidenkurve ist konfigurierbar. Mit den "<" Buttons für Welle und Nabe wird d1/d3 und d2/d4 in Toleranzmitte berechnet, man kann aber auch andere Werte für Außen- und Innenkreisdurchmesser eingeben.

In die Auswahl der Freimaßtoleranzen wurde DIN 7715 Teil 5 mit Toleranzen für Gummiteile, Platten und Stanzteile aus Elastomeren aufgenommen. Bei der Eingabe des Nennmaßes wird mit "Calculate" die eingestellte Freimaßtoleranz übernommen.

Mit GEO2 wird das Massenträgheitsmoment eines beliebigen Rotationskörpers berechnet, indem man die Rotationsfläche definiert. Für Kugel, Zylinder, Kugel mit Bohrung, Hohlzylinder, Kegel, Kegelstumpf, Kegelstumpf mit Bohrung, Kreisring und Ellipsoid muß man nur noch die Durchmesser und Höhe anstelle der Rotationsfläche eingeben.

Anstelle der Koordinateneingabe kann man die Rotationsfläche jetzt auch zeichnen.

Bisher war der Querschnitt des Rotationskörpers im Halbschnitt dargestellt worden. In der Fertigungszeichnung wurde dies auf Vollschnitt geändert.

Da sich dadurch auch die Querschnittsfläche verdoppelt, wird jetzt die Rotationsfläche (Arot) und die Querschnittsfläche des Körpers (Axy) in der Tabelle angegeben

Normalerweise ist die höchstbelastete Stelle einer Zugfeder der Übergangsradius von den Windungen in die Öse, wo sowohl Biegung als auch Zug auftritt. Deshalb wird bei dynamisch beanspruchten Federn in der Quick3-Ansicht nicht das Goodman-Diagramm der Windungen mit Schubspannung, sondern das kritischere Goodman-Diagramm mit der Biegespannung im Ösenübergang angezeigt. Es gibt aber eine Ausnahme: Wenn der Federdraht nicht rund oder quadratisch, sondern rechteckig oder elliptisch mit der längeren Seite radial gewunden wird, kann die Beanspruchung in den Windungen höher sein als beim Ösenübergang oder in der Öse. In diesem Fall werden Quick3 und Quick4-Ansicht jetzt mit dem Goodman-Diagramm Schubspannung in den Windungen abgebildet.

Wenn Sie mit einer neuen Version von SR1 frühere Berechnungen öffnen, erhalten Sie mitunter Fehlermeldungen wie "mzu<0.8P" und Warnungen "mzu < 2P" und "SG < 1.2". In der alten VDI 2230 von 2003 war bei der Berechnung der Mindesteinschraubtiefe ein nichttragender Gewindeanteil von 0,8 * Gewindesteigung berücksichtigt, in der neuen Version von 2014 kann die nichttragende Länge mzu selbst definiert werden, wobei 2*Gewindesteigung empfohlen wird. Die Eingabe der nichttragenden Gewindelänge gab es in früheren Versionen auch schon, nur hieß sie da noch nicht "mzu", und Eingabe von 0 blieb ohne Fehlermeldung. Um mit der neuen Version von SR1 nach VDI2230-1:2014 dasselbe Ergebnis für die Mindesteinschraubtiefe nach VDI2230 zu erhalten, müssen Sie unter "Bearbeiten->Last" mzu=0,8*P eingeben. Empfohlen wird aber mindestens 2.0*P. Damit vermindert sich die VDI-Abstreifsicherheit gegenüber der alten Berechnung nach VDI 2230:2003.

Die Warnung "SG < 1.2" ist nur eine Warnung, weil die VDI 2230 eine Mindestsicherheit von 1,2 bei statischer Querkraft und 1,8 bei wechselnder Querkraft FQ empfiehlt.

Für alle Fragen zu Schraubenberechnungen nach VDI 2230 empfehle ich das Seminar von Herrn Prof. Körner an der FH Aalen. Herr Körner hat zu der neuen VDI 2230 ein Excel-Arbeitsblatt erarbeitet, welches viel übersichtlicher und besser ist als die VDI selber.

3D-Zeichnungen werden am Bildschirm in einem konfigurierbaren xyz-Koordinatensystem dargestellt, bei Export als DXF oder IGES-Datei dagegen 3-dimensional mit x.y.z-Koordinaten. Jetzt kann man konfigurieren unter "Datei->Einstellungen->CAD", daß die DXF- oder IGES-Datei 2-dimensional sein soll, genau so wie die Darstellung am Bildschirm. Sinn macht dies vor allem, wenn 3D-Zeichnungen in Fertigungszeichnung oder Quick-Ansichten enthalten ist.

Wenn viele Fehlermeldungen auftreten, konnte es passieren daß die Fehlermeldungen sich überschnitten mit anderen Tabellen, Zeichnungen oder Diagrammen. Jetzt wird bei zu vielen Fehlermeldungen die Texthöhe und Tabellengröße mit den Fehlermeldungen innerhalb festgelegter Grenzen verkleinert, so daß sie nicht mehr in benachbarte Tabellen oder Diagramme schreiben.

Besonders wenig Platz war in der Quick-Ansicht von SR1, wenn dazu noch Flanschdaten und Sicherheiten gegen Scherung und Lochleibung ausgegeben wurde. Dort werden Fehlermeldungen jetzt 2-spaltig gedruckt.

Bei zu vielen Fehlermeldungen kann es nun zwar vorkommen, daß diese ohne Vergrößerung nicht mehr lesbar sind. Aber besser so als vorher.

Wenn nach einem Update für eine Übergangsphase die alte und neue Version parallel verwendet werden soll, kann man z.B. die alte Programmdatei umbenennen von wsr1.exe in wsr1alt.exe.

Alle Programmdateien müssen im selben Ordner stehen, z.B. wsr1.exe mit der neuen Version, wsr1alt.exe mit der alten Version, und wsr1e.exe mit der englischen Version.

Wenn für alte und neue Version verschiedene Datenbanken verwendet werden sollen, definiert man ein anderes Startverzeichnis mit geänderter Konfigurationsdatei wsr1.cfg.

Herr Prof. Körner hält Seminare zu Federberechnungen, Schraubenberechnungen, Stirnradverzahnungen, Wellenberechnungen.

Seminarplan unter www.hexagon.de/services/semi_d.htm