CAD-Programm plus integrierte FE-Berechnung bei Stellmuttern

Virtuelle Prototypen

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Seit über vier Jahrzehnten entwickelt und produziert das Esslinger Unternehmen Spieth Maschinenelemente mechanische Bauelemente für den Maschinenbau. Unter anderem werden Stellmuttern hergestellt, die bei höchster Planlauf-genauigkeit und Axialsteifigkeit auch eine hochwertige dynamische Gewindesicherung bieten. Diese unterliegen einer permanenten Weiterentwicklung, damit die steigenden Anforderungen des Maschinenbaus wie höhere Leistungsdichte und Dynamik erfüllt werden können.

Der Autor, Dipl.-Ing. Stephan Knödler, ist Mitarbeiter der Spieth-Maschinenelemente GmbH & Co. KG, Esslingen.

Wahl eines 3D-CAD-Systems
Die Wahl fiel auf Autodesk Mechanical Desktop, das CAD-System mit der größten Verbreitung weltweit. Allein der Einsatz eines neuen, modernen 3D CAD-Systems führt jedoch noch nicht zu einer Reduzierung der Anzahl an Versuchen und der Fertigung von Versuchsprototypen. Die Vorgabe, die Anzahl an Versuchen vor allem in bezug auf eine Aussage über das Festigkeits- und Verformungsverhalten der Bauteile zu reduzieren, führte Spieth schließlich zu dem FE-Berechnungsprojekt De-sign Space (Vertrieb: CAD-FEM) für Autodesk Mechanical Desktop von Ansys Inc., einem der führenden Softwarehersteller im Bereich der Finite-Elemente-Methode (FEM).
DesingSpace wurde gewählt, weil es durch die Integration in Mechanical Desktop einen direkten Zugriff auf die erstellten 3D CAD-Daten ermöglicht und in enger Anlehnung an die Bedienung von Autocad eine intuitive Benutzeroberfläche bietet. Die Entwicklung bei Spieth baut heute zu einem nicht unbeträchtlichen Teil auf „virtuellen Prototypen“ auf, Modellen der zu entwickelnden Bauteile, die statt in aufwendigen Versuchsreihen in rechnerinternen Tests frühzeitig optimiert werden.
Vorgabe: Geometrieoptimierung
DesignSpace wird seit ca. einem Jahr in mehreren aktuellen Entwicklungsprojekten eingesetzt, unter anderem bei der derzeitigen Weiterentwicklung einer Stellmutter zur Aufnahme hoher Axialkräfte. Die Vorgabe bestand darin, deren Handhabung bei der Montage zu verbessern, ohne den für sie ausgezeichneten Sicherungswert negativ zu beeinflussen. Des weiteren sollte eine für die fertigungstechnischen Belange optimierte Geometrie geschaffen werden.
Die Verbindung dieser Forderungen führte dazu, daß am Umfang des zur Gewindesicherung dienenden Teils der rotationssymmetrischen Stellmutter jeweils vier bzw. sechs Flächen angebracht wurden. Zusätzlich zu den Nuten für den Einsatz eines Hakenschlüssel nach DIN 1810 am Umfang des Spannteils der Stellmutter sollen diese Flächen dem Anwender die Möglichkeit geben, die Stellmutter mit einem Gabelschlüssel anzuziehen.
Ermittlung des Dreh-moments
Zunächst wurden die zulässigen Anzugsdrehmomente für diesen Anwendungsfall mit DesignSpace an einem ausgewählten Bauteil aus der Stellmutterbaureihe ermittelt. Dabei wurden nicht nur die wirksamen Drehmomente berücksichtigt, sondern auch eventuell auftretende Schubkräfte, die beispielsweise beim Ansetzen eines Gabelschlüssels auf die Anlageflächen wirken. Die aus dieser zusammengesetzten Beanspruchung resultierenden Vergleichsspannungen nach „Von Mises“ wurden als Kriterium für die Ermittlung der zulässigen Anzugsdrehmomente herangezogen. Um eine plastische Deformation des Bauteils zu vermeiden, durften die laut DesignSpace-Berechnung darin auftretenden Vergleichsspannungen, abgesehen von lokalen Spannungsspitzen, die Streckgrenze des verwendeten Stahlwerkstoffes nicht überschreiten. Die Berechnung mit DesignSpace zeigte dabei, welche Stellen des Bauteils beim Anziehen einer hohen Belastung unterworfen werden. Indem die Geometrie dieser Stellen im Bauteil verändert wurde, konnte das zulässige Anzugsdrehmoment beeinflußt werden.
DesignSpace macht Versuche überflüssig
Um die Güte der Simulation in DesignSpace zu überprüfen, wurden Prototypen des berechneten Bauteils anschließend einem Versuch unterzogen. Dabei wurden die Bauteile unter realen Bedingungen mit Hilfe eines Gabelschlüssels über die neu geschaffenen Flächen am Umfang angezogen und bis in den plastischen Deformationsbereich verformt.
Mit Hilfe eines entsprechend ausgerüsteten Drehmomentprüfstandes im Versuchslabor von Spieth wurde während des Anziehens eine Fließkurve (Drehmoment/Verformung) aufgezeichnet. Mit Hilfe dieser Meßanlage war es möglich, das exakte Drehmoment zu Beginn des plastischen Fließens des Bauteilwerkstoffes zu ermitteln.
Beim Vergleich der ermittelten Versuchsergebnisse mit der in DesignSpace durchgeführten Berechnung wurde eine Abweichung von maximal 5 bis 10% festgestellt. Verglichen mit den Handrechnungen, die seither neben aufwendig ermittelten Versuchsergebnissen als Entscheidungsgrundlage dienten, kann mit DesignSpace neben einer genaueren Aussage auch ein besseres Verständnis über das Bauteilverhalten gewonnen werden.
In diesem Fall der Weiterentwicklung der Stellmutterbaureihe konnte aufgrund der mit DesignSpace ermittelten Werte auf die Durchführung von Versuchen mit allen 20 Abmessungen verzichtet werden. Die zulässigen Anzugsdrehmomente für die restlichen Abmessungen konnten mit Hilfe der rechnerinternen Simulation ermittelt werden. Dadurch war es möglich, in wesentlich kürzerer Zeit wichtige Informationen über die weiterentwickelten Bauteile zu erhalten und, wenn nötig, an den richtigen Stellen eine Optimierung der Bauteile durchzuführen.
Designspace
KEM 714
Stellmuttern
Fa. Spieth
KEM 715
Weiterentwicklung bei Aufwands-minimierung
Mit den herkömmlichen Methoden ist die Weiterentwicklung derartiger Baureihen mit unterschiedlichen Abmessungen nur unter großem Aufwand realisierbar. Die zum Teil komplexen Geometrien der Präzisionsbauteile machen eine analytische Erfassung sogar in vielen Fällen nahezu unmöglich. Vor diesem Hintergrund wurde für die computerunterstützte Entwicklung eine Systemauswahl getroffen auf der Basis von In-tel-/Windows NT-Computern.
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