Dynamische Bewegungen leichter begreifen

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EMAG Leipzig Maschinenbau GmbH

Erfahrung und Verständnis für das gesamte System

Mit Hilfe der Systemsimulationssoftware Simulation X wird die Getriebestruktur simuliert und die für die Getriebedimensionierung wesentlichen Parameter wie Drehmomente, Drehzahlen, Verzahnungskräfte und Wirkungsgrade ermittelt. Dabei bleibt das dynamische Systemverhalten stets im Blick. Mit der Software erhält der Konstrukteur zuverlässige Hilfe bei den analytisch anspruchsvollen Berechnungen. Der Aufbau des Berechnungsmodells (Bild 3) berücksichtigt dabei die Besonderheiten der Getriebearchitektur und deren Auswirkungen auf die Verstellgüte der Spannbacken, insbesondere für variierende Spannszenarien.

Unerwünschte Konfigurationen leicht finden

Die Simulation wurde transient durchgeführt. Innerhalb der Simulationszeit durchfahren Haupt- und Nebenantriebsmotor (Verstellung der Spannbacken) die in Bild 4 angegebenen Drehzahlvorgaben. Bild 5 zeigt die sich daraus Bewegungen im Spannfutter. Die Position der Spannbacken verändert sich infolge der auf sie wirkenden, ansteigender Fliehkraft (Hauptspindel läuft hoch) und des im Nebenantriebsstrangs vorhandenen Drehflankenspiels anfänglich leicht, ohne dass eine Verstellbewegung eingeleitet wurde. Setzt die aus der Kennlinie Bild 4 ersichtliche Vorgabe der Spannbackenverstellung ein, folgt dieser die Spannbacke ohne merkliche Schwingungen. Während des Reversierbetriebes der Spannbacken (Veränderung des Spannzentrums) wird das Vorhandensein von Drehflankenspiel am kurzzeitigen Verlust des Zahnkontaktes in Bild 6 deutlich. Diese schwingungsauslösenden Getriebekonfigurationen sind für den Antriebsstrang unerwünscht, da sich die Schwingungen insbesondere bei dünnwandigen Werkstücken im Bearbeitungsergebnis als Wandstärkeschwankungen niederschlagen. Im Rahmen des simulierten virtuellen Prototypen kann dieser Zustand bereits vor der Spannfutterproduktion aufgezeigt und korrigiert werden.

Ein Werkzeug für den gesamten Entwicklungsprozess von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt

Durch die Systemsimulation können die Emag-Ingenieure bereits während der Konstruktionsphase wichtige Erkenntnisse zum dynamischen Verhalten der Antriebsstränge gewinnen und ein Gefühl für die Getriebestruktur entwickeln. Wesentliche Erkenntnisse der durchgeführten Simulationen sind:

• Finden Beschleunigungseinprägungen in das Getriebesystem statt, bedingt die Verkopplung der URG gegenseitige Beeinflussungen. Die Beeinflussung der Drehzahl des Hauptantriebes wird mit zunehmender Anzahl an Nebenantriebsachsen (3- oder 6-Backenfutter) deutlicher und für das gesamtkinematische Systemverhalten nachteiliger. Die Drehzahlreglereinstellungen (P-Verstärkung) des Hauptantriebsstranges können bereits während der Simulationsphase ausgelegt werden.

• Nach Erreichen der Vorspannung im Getriebesystem, wird die Haftreibung in der Gleitführung der Spannbacken überwunden. Der Übergang von Haft- in Gleitreibung zieht ein Stick-Slip-Verhalten nach sich, das seinerseits Ursache von Lageschwingungen der Spannbacken ist.

• Je stärker die Rückwirkungen der auf die Spannbacken wirkenden Lasten auf den Nebenantriebsstrang sind, z.B. durch Bearbeitungs- und Fliehkräfte, umso geringer treten die Wirkungen der Drehflankenspiele in Erscheinung.

Risikomanagement – Konstruktionen bewerten, zielgerichtet dimensionieren, korrekte Funktion absichern

Mit Hilfe von Simulation X ist es den Emag-Ingenieuren möglich, das Getriebesystem elektrisch betätigter Spannfutter erfolgreich zu modellieren und zu simulieren. Da sie die auftretenden Belastungen einzelner Bauteile und Baugruppen kennen, können sie zielgerichteter konstruieren, besser einschätzen, welche Anforderungen einzelne Komponenten erfüllen müssen, konstruktive Alternativen bewerten und genauer dimensionieren. So erhält der Konstrukteur das gewünschte übersichtliche und nachvollziehbare Abbild eines gekoppelten URGs zur Einleitung einer relativen Rotation in ein rotierendes System. Durch Simulation wurden folgende Sachverhalte erfolgreich überprüft:

• Bestätigung der Getriebekinematik (Übertragungsfunktion),

• die Wirkung der Drehflankenspiele im Reversierbetrieb, der Steifigkeiten von Verzahnungen und Wellen,

• die Rückkopplung der auf die Spannbacken wirkenden Kräfte auf Neben- und Hauptantriebsstrang und damit verbundene Drehzahlschwankungen der Hauptspindel

. (mz)

* Dipl.-Ing. (FH) Tino Freigang Leiter Entwicklung, EMAG Leipzig Maschinenfabrik GmbH, Leipzig

* Michael Martin Account Manager Automotive & Industrial Machinery ITI GmbH, Dresden

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