Infobrief Nr. 154 - Nov./Dez. 2015

von Fritz Ruoss

In einem neuen Diagramm werden min- und max- Werte der Legierungselemente als Balkengrafik angezeigt. Der Maßstab für die Legierungsanteile in Prozent ist logarithmisch, so daß auch kleine Zahlenwerte erkennbar sind.

Die Stahlwerkstoffe in der Datenbank wurden überarbeitet, zu fast allen Stählen werden jetzt die Legierungselemente angezeigt.

Die Datenbankdatei mit internationalen Bezeichnungen wurde um die Werkstoffnamen nach chinesischer und indischer Norm sowie nach ISO erweitert.

In der Quick4-Ansicht werden die Werkstoffdaten mit den wichtigsten Diagrammen im DIN A3 Zeichnungsrahmen nach ISO 7200 oder DIN 6771 auf einer Bildschirmseite angezeigt.

Im Eingabefenster zum Wöhler-Diagramm wurden Hilfetexte und ein Hilfebild zur Erläuterung der Eingaben ergänzt. Mit WST1 kann man 6 verschiedene Wöhlerkurven generieren: für Zug/Druck, Biegung und Torsion jeweils für wechselnde Last oder schwellende Last.

In der japanischen Norm JIS B2704-1:2009 gibt es ein Dauerfestigkeitsschaubild, das ähnlich aussieht wie ein Goodman-Diagramm. Die x-Achse bezeichnet die bezogene Unterspannung tau1/Rm und die y-Achse die bezogene Oberspannung tau2/Rm, jeweils als Faktor der Zugfestigkeit. Das Diagramm wird limitiert durch 2/3*Rm, in dem Punkt (x=y=2/3*Rm) münden auch die Lebensdauergeraden für 1E7, 1E6, 1E5 .. Lastspiele.

Mit der zulässigen Hubspannung bei schwellender Last (tau1=0) aus dem Goodman-Diagramm wird das JIS-Dauerfestigkeitsdiagramm konstruiert. Somit gibt es bei den Federprogrammen jetzt 5 verschiedene Dauerfestigkeitsschaubilder zur Auswahl: Goodman, Haigh-Goodman, Smith, SN (Wöhler) und JIS.

Ein Goodman-Diagramm konstruieren ohne Goodman-Diagramme als Vorlage kann man, wenn man das Dauerfestigkeitsschaubild nach JIS als Vorlage nimmt. Benötigt wird nur die Torsions-Schwellfestigkeit des Werkstoffs und die statische Torsions-Festigkeit (zulässige Schubspannung). Im JIS-Beispiel wurde die zulässige Schubspannung mit 0.45 Rm, nicht mit 0.56 Rm eingesetzt. Laut JIS kann die horizontale Begrenzungslinie je nach zulässigem Setzbetrag größer oder kleiner als 0.45 Rm sein. In dem JIS-Diagramm treffen sich alle Dauerfestigkeitslinien bei 2/3*Rm. Das stimmt zwar nicht mit gemessenen Goodman-Diagrammen überein, aber für die Näherungsberechnung ist es praktisch. Außerdem wird angenommen, daß die Drahtdurchmesser-Abhängigkeit der Spannungen im Goodman-Diagramm gleich ist wie bei der Zugfestigkeit.

So kann man ganz einfach ein Goodman-Diagramm konstrieren, nur aus dem Faktor Torsions-Schwellfestigkeit/Zugfestigkeit und zulässige Schubspannung/Zugfestigkeit. Die Torsions-Schwellfestigkeit von Schraubendruckfedern ist einfach die größte zulässige Hubspannung bei F1=0. Für die Berechnung der Datenbankfelder, welche in der FEDWST.DBF Datenbankdatei einzutragen sind, wurde ein neues Hilfebild erstellt:

In die Werkstoffdatenbank wurden die Federstahldrähte SWP-A und SWP-B nach japanischer Norm aufgenommen. SWP-A ist ähnlich wie DM und SWP-B ist vergleichbar mit DH nach EN 10270-1.

Für die Toleranz des Drahtdurchmessers d kann man jetzt auch die japanische JIS G 3522 wählen.

In der klassischen Betriebsfestigkeitsberechnung wird das Lastkollektiv über die Spannungsamplituden und Summenhäufigkeit der Lastspiele über die gesamte Lebensdauer definiert. Für die Federberechnung ist das unpraktisch, Amplitude wäre die halbe Hubspannung bei veränderlicher Mittelspannung. Auch die Zeitskala über 10 Millionen Lastspiele ist unpraktisch. Deshalb wird ein Beobachtungszeitraum definiert, in dem die Lastspiele gezählt und Federlängen gemessen werden. Die Bezeichnung und Eingabe des Beobachtungszeitraum in Sekunden war etwas unglücklich, deshalb wurde hier nachgebessert. "Periodendauer" wurde umbenannt in "Zeitraum", weil damit nicht die Periode einer Schwingung, sondern der Zeitraum gemeint ist, auf den sich die eingegebenen Lastspiele beziehen. In der englischen Version bleibt "period", das englische Wort für Zeitraum. Und der Beobachtungszeitraum muß jetzt nicht mehr in Sekunden eingegeben werden, sondern kann auf Minuten, Stunden, Tage oder Jahre umgeschaltet werden. Nachfolgend 4 Berechnungsbeispiele mit einfachen Lastkollektiven:

Dies entspricht der Eingabe in FED1+ ohne Lastkollektiv. Die Berechnung ohne und mit Lastkollektiv muß folglich denselben Wert ergeben.

Lastfrequenz sei 2 Hz. Das Lastkollektiv besteht nur aus einem Anteil mit L1, L2, und der Anzahl Lastspiele. Wenn man den Zeitraum 1 Sekunde eingibt, dann sind das 2 Lastspiele bei 2Hz.

Alles gleich wie im vorigen Beispiel, aber die Feder läuft nicht im Dauerbetrieb, sondern die Einschaltdauer beträgt nur 20%. Dafür wird nur die Zeitdauer auf 5 Sekunden geändert. Davon schwingt die Feder 1 s und macht 2 Lastspiele bei 2 Hz. Die berechnete Lebensdauer in Stunden ist nun beim Lastkollektiv 5 mal größer als im Dauerbetrieb.

Die Feder mache in einer Stunde: zuerst 120 Hübe/min (2 Hz) für 6 Minuten, dann 80 Hübe/min (1.33 Hz) für weitere 6 min. Dann 48 Minuten Stillstand. Macht 6*120 = 720 Hübe und weitere 6*80 = 480 Hübe, zusammen 1200 Hübe in einer Stunde. Die berechnete Lebensdauer in Stunden ist im Lastkollektiv 6 mal größer als im Dauerbetrieb mit 2 Hz.

Die Feder schwinge zwischen L1=110mm und L2=70mm für 4 Minuten, dann zwischen L1=110 und L2=60mm für 4 min, dann zwischen L1=100 und L2=60mm für 4 min. Dann 48 min Stillstand. Frequenz 2 Hz, also je 480 Lastspiele

Die berechnete Lebensdauer in Stunden ist im Lastkollektiv 13 mal größer (in Lastspielen 2,5 mal größer) als im Dauerbetrieb mit 2 Hz und 50 mm Hub.

Der Schädigungsanteil bei dem Anteil mit 50 mm Hub beträgt 88,6%, obwohl der Lastwechselanteil nur 33% beträgt. Wenn man die beiden Anteile mit 40 mm Hub vergleicht, ist der Schädigungsanteil bei L1=100mm mehr als doppelt so groß (8%) als bei L1=110 mm (3,4%).

Falls ISO 7200 Zeichnungsrahmen mit 10 mm Rand konfiguriert wurde, werden in der DIN A4 Fertigungszeichnung bei den Federprogrammen die Tabellen jetzt so gestaucht, daß sie nicht mehr in den breiten Rand ragen.

Nachdem man seit kurzem den Dorndurchmesser für die Aufnahme der Feder eingeben kann, ist dies nun auch für den Hülsendurchmesser bei Aufnahme der Feder in einer Bohrung möglich.

Falls "anzeigen F1,F2.." abgewählt wird, also die Anwendungsdaten der Feder nicht angezeigt werden sollen, wird jetzt auch die Lastspielfrequenz nicht mehr angezeigt.

Bei der Animation der Kegelfeder wird jetzt neben die Feder die Federkennlinie gezeichnet.

Selbstdefinierte Werkstoffdaten werden mit abgespeichert. Trotzdem sollten Sie besser den Werkstoff aus der Datenbank wählen, sonst können viele Berechnungen nicht erfolgen:

• Zugfestigkeit und zulässige Schubspannung aus Drahtdurchmesser berechnen (fedwst.dbf)
• Dauerfestigkeit berechnen (Goodman-Diagramm aus fedwst.dbf)
• Relaxation berechnen (aus fedwstr.dbf)

Abgebogene Federenden werden jetzt eingezeichnet, wenn Länge und Abbiegeradius eingegeben wurde.

In den Federzeichnungen wird jetzt ein großes Symbol "<" eingezeichnet, falls die Feder knickt. Bei der Animation wird "<" eingezeichnet, sobald der Knickfederweg überschritten wird.

Falls Knickung bei Federweg s2 auftritt, werden im Knickdiagramm Punkte für die Lagerungsbeiwerte nue=0.5, 0.707, 1 und 2 (*L0/D) eingezeichnet. Dadurch kann man erkennen, ob und wie die Lagerung verändert werden kann, daß die Feder nicht mehr knickt.

Soeben erschien eine neue VDI 2230-1:2015, wo die Fehler in der letzten Ausgabe von 2014 verbessert wurden. Wer die fehlerhafte Ausgabe 2014 gekauft hat, erhält die neue Ausgabe diesmal sogar kostenlos.

Was genau geändert wurde ist nicht beschrieben, zumindest habe ich es nicht gefunden. Es steht nur, daß diese Richtlinie die "konsolidierte Fassung" der Ausgabe 2014-12 sei.

So habe ich die neue Ausgabe anhand meiner eigenen Fehlerliste verglichen und folgende Korrekturen festgestellt:

S. 36 (R9): Berechnung von SigmaSab nach Gleichung (188)

S. 102: Gleichung (211): "RS3" geändert in "RS" .

S. 102: Gleichung (213) .. + 1,2 * P für mzu geändert in 2 * P.

S. 122: Tabelle A9: 42CrMo4: pG = 300 N/mm² in 1300 N/mm² geändert.

S. 122: Tabelle A9: GJL-250 Wst-Nr. 0.6020 in 0.6025 geändert.

S. 132: Beispiel B1: R2: Mindestklemmkraft von 103 N in 10³ N geändert.

S. 134: Beispiel B1: R8: FSmax von 64 194 N in 66 194 N geändert.

S. 155: Beispiel 4, R8: .. "nach Gleichung (178)" in .. "nach Gleichung (163)" geändert.

S. 170: Beispiel B5: R11: "mvorheff" in "meffvorh" geändert.

Offensichtlich wurden nur die augenfälligsten Fehler korrigiert. Und auch das nicht konsequent. So wurde z.B. der Zuschlag für Fase und Kuppe bei Berechnung der Mindesteinschraubtiefe nach Gleichung (213) von 1,2 in 2,0 geändert, aber im Berechnungsbeispiel 3 wird weiterhin mit 1,2 P gerechnet.

Für die Anpassung an die neue Ausgabe der VDI 2230 waren nur geringe Änderungen nötig: In der Werkstoffdatenbank "mat_p_2.dbf" und "pressung.dbf" wurde die Werkstoffnummer von GJL-250 von 0.6020 in 0.6025 geändert. Die zulässige Flächenpressung von 42CrMo4 war schon bisher mit pG= 1300 N/mm² gespeichert.

Der geänderte Gewindezuschlag für die Mindesteinschraubtiefe bedingt ebenfalls keine Änderung, weil in SR1 der Zuschlag mzu eingegeben werden kann. Der Vorschlagswert war und bleibt 2*P bei DSV und 3*P bei ESV (weil der nichttragende Gewindeanteil bei der Schraubenkuppe größer ist als bei der Fase des Muttergewindes).

So mussten nur die Normverweise von 2014 in 2015 geändert werden. Außerdem gab es in V 21.0 neue Datenbanktabellen mit min/max-Werten von Reibungsklassen (µG und µK) und Trennflächenreibung µTr. Die Tabellen sind als Eingabehilfe gedacht, die Reibungskoeffizienten des gewählten Datensatzes werden nicht in die Berechnung übernommen.

Die Warnung "mat_bolt.alphaT<>mat_b_at20!" besagt, daß sich der Wärmeausdehungskoeffizient aus der Datenbank mit Basisdaten von dem Wert bei 20°C in der Temperatur-Datenbank Re=f(T) unterscheidet. Dies kann aber auch daran liegen, daß bei den Basisdaten bisweilen nicht der Wert für die Längenänderung bei 20°C angegeben wird, sondern wie im Fall der VDI 2230 der thermische Ausdehnungskoeffizient für eine Erwärmung von 20°C auf 100 °C.

In der Datenbankdatei "mat_b_at.dbf" wurde bei Vergütungsstählen der Wert AT100 für eine Erwärmung von 20°C auf 100°C von 1,11E-5 in 1,15E-5 geändert. Bei 20°C ist der thermische Ausdehnungskoeffizient 1,11E-5.

Die Warnung "mat_bolt.alphaT<>mat_b_at20!" wird nur noch angezeigt, wenn die Abweichung größer als 5% ist.

Die Diagramme bei den Schraubenwerkstoffen wurden noch um ein Diagramm mit dem Längenausdehnungskoeffizient als Funktion der Temperatur ergänzt. Da die Tabellenwerte den Ausdehungskoeffzienten bei Erwärmung von 20°C auf die jeweilige Temperatur entsprechen, werden diese als Rechteck von 20°C bis zur jeweiligen Temperatur angezeigt. Darüber hinaus werden noch die tatsächlichen Ausdehungskoeffizienten bei der jeweiligen Temperatur berechnet.

Die Längenänderung bei Erwärmung von 20°C auf 100°C ist AT100*L*(100°C-20°C) und von 20°C auf 200°C ist AT200*L*(200°C-20°C). Die Längenänderung bei Erwärmung von 100°C auf 200°C ist dann die Differenz dieser beiden Werte. Der mittlere Ausdehungskoeffizient zwischen 100°C und 200°C ist dann:

AlphaT100..200 = AT200*(200-20) – AT100*(100-20) / ((200-20)-(100-20))

Diese Wärmeausdehungskoeffizienten werden berechnet und im Diagramm zwischen den beiden bekannten Temperaturen eingetragen, also im Beispiel bei 150°C.

Wenn man unter "Ansicht -> Werkstoff -> Schraube (mat_bolt)" die Eigenschaften der verschiedenen Schraubenwerkstoffe durchblättert, fällt auf, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient bei 1.4980 erstaunliche Sprünge macht. Und auch bei 2.4952 ist der Ausdehungskoeffizient bei 150°C geringer als bei 20°C. Entweder muß dies eine spezielle Eigenschaft von Chrom-Nickel-Stählen sein, oder die Tabelle A10 in VDI 2230-1:2015 ist hier fehlerhaft.

Für die erweiterte Lebensdauerberechnung nach DIN ISO 281 kann man jetzt auch EP-Zusätze im Schmierstoff für die Berechnung des Faktors a ISO berücksichtigen.

Bei der Wälzlagerberechnung wurde für den Lebensdauerbeiwert a1 die Erlebenswahrscheinlichkeit 99.2%, 99.4%, 99.6%, 99.8%, 99.9%, 99.92%, 99.94% und 99.95% aufgenommen. "Erlebenswahrscheinlichkeit" heißt jetzt "Zuverlässigkeit", und auch die a1-Werte von 90% bis 99% wurden leicht modifiziert.

Beim Verunreinigungsgrad zur Bestimmung des Verunreinigungsbeiwerts eC ändern sich nur die Bezeichnungen: "Extreme Sauberkeit" statt "Größte Sauberkeit" , "Hohe Sauberkeit" statt "Große Sauberkeit", "Mäßige Verunreinigung" statt "Typische Verunreinigung".

Das Eingabefenster für die Lagerung sieht jetzt gleich aus wie im Wellenberechnungsprogramm WL1+. Das erleichtert die Eingabe von mehreren Auflagerpositionen und Auflagersteifigkeiten, wenn auch bei Blattfeder und Träger eine feste Einspannung bei x=0 überwiegen dürfte.

Neben Animation Zahneingriff im Axial- und Radialschnitt gibt es jetzt noch eine Animation der Schnecke mit dem Schneckenrad.

Für eine neue Berechnung kann man mit "Datei->Neu" alle Eingabefenster nacheinander abarbeiten. Wenn man später nochmal alle Eingabefenster nacheinander durchmachen will, gab es diese Option bei einigen Programmen unter "Bearbeiten->Quick". Der Menüpunkt wurde umbenannt in "Bearbeiten->Neu" . Im Unterschied zu "Datei->Neu" werden die Eingabedaten nicht zurückgesetzt bzw. von NULL-Datei überschrieben und Vorgabe für Basisdaten ist nicht "Vorauslegung" sondern "Nachrechnung". In einige Programme (FED1+,FED2+,FED3+,..) wurde der Menüpunkt neu aufgenommen.

Bei den Quick-Ansichten wurden die Shortcuts geändert, so daß man mit der Tastenkombination Alt-A(nsicht) und dann 1,2,3,4 die Quick1,2,3,oder 4-Ansicht anzeigen kann.

Hochschul-Raumlizenzen sind künftig nicht mehr unlimitiert für alle Computer in einem Raum, sondern begrenzt auf gleichzeitige Nutzung an maximal 20 Arbeitsplätzen.

Die Seminartermine für 2016 an der FH Aalen wurden festgelegt. Daneben bietet Herr Prof. Körner auch Inhouse-Seminare an Ihrem Standort an.