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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren, mit dem sich computerunterstützt Maschinenkomponenten bestimmen lassen, die für einen jeweiligen bestimmten Anwendungsfall besonders geeignet sind.
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Als ”Maschinenkomponente” werden nachfolgend einzelne Maschinenelemente oder zu bestimmten Aggregaten zusammengefasste Gruppen von miteinander interagierenden Maschinenelementen verstanden. Bei den betrachteten Maschinenelementen handelt es sich jeweils um eine kleinste technische Funktionseinheit, die geeignet ist, die sich aus der jeweils betrachteten technischen Anwendung ergebenden technisch funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Der Begriff ”Maschinenkomponente” umfasst dementsprechend auch die bei der Herstellung von Maschinenkomponenten oder deren Maschinenelementen verwendeten Bauteile, Ausgangsmaterialien oder angewendeten Verfahrensparameter, da die Eigenschaften und Funktionen der hier betrachteten Komponenten und Elemente stets durch die Art und Weise ihrer Herstellung und der dabei eingesetzten Materialien und Verfahren geprägt werden.
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Derzeit werden Maschinenkomponenten in der Regel bezogen auf die jeweilige Anwendung nach standardisierten Verfahren ausgelegt. Diese Vorgehensweise ist einfach, bewährt und sicher, weil sie individuelle Unterschiede in den Anwendungen über pauschalisierte „Sicherheitsfaktoren” absichert.
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Diese Auswahl- und Auslegungssystematik wird beispielsweise in „Maschinenelemente 2, Prof. Schlecht", Addison-Wesley Verlag; Auflage: 2. (1. November 2009), ISBN-13: 978-3827371461, oder „Maschinenelemente, Roloff/Matek" Springer Vieweg; Auflage: 21., vollst. überarb. Aufl. 2013 (9. August 2013), ISBN-13: 978-3658023263, näher erläutert.
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Ein typisches Beispiel für Maschinenkomponenten, die in der hier betrachteten und neu vorgestellten Art und Weise ausgewählt werden können, sind Riemen für Riemenantriebe. Die Auswahl solcher Riemen erfolgt üblicherweise nach Maßgabe der
VDI-Richtlinie 2758 "Riemengetriebe" aus Juni 1993.
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Das konventionelle Vorgehen bei der anwendungsbezogenen Auswahl derartiger Maschinenelemente aus katalogmäßig bereitgestellten, insbesondere nach einer bestimmten Herstellerspezifikation hergestellten Maschinenelementen kann wie folgt zusammengefasst werden (s. auch beigefügte 2):
- (a) Die durch die vorgesehene Anwendung gesetzten und bei der Auswahl des Maschinenelements zu berücksichtigenden Bedingungen werden ermittelt. Zu diesen Bedingungen gehören beispielsweise die statischen und dynamischen Belastungen, denen das Maschinenelement im Betrieb ausgesetzt sein wird, sowie äußere Bedingungen, wie Umgebungsatmosphäre, Temperaturen, Reibpaarungen, Maschinenkonzept etc., unter denen das Maschinenelement eingesetzt werden soll.
- (b) Der Konstrukteur legt sich unter Berücksichtigung des Maschinenkonzepts auf einen bestimmten Typ von Maschinenelement fest.
- (c) c.1 Für den unter (b) festgelegten Maschinenelemente-Typ werden basierend auf den zu berücksichtigenden Bedingungen (a) die von diesem Maschinenelemente-Typ zu erbringenden Leistungswerte berechnet.
- c.2 Die berechneten Leistungswerte werden mit Sicherheitszuschlägen belegt, um Ungenauigkeiten der Leistungswert-Berechnung (b) oder im praktischen Einsatz auftretende, nicht vorhersehbare Unwägbarkeiten abzusichern.
- (d) Anhand der mit Sicherheitszuschlägen belegten Leistungswerte wird aus den katalogmäßig bereitgestellten Maschinenelementen das zur vorgesehenen Verwendung passende Maschinenelement ausgewählt.
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Die Arbeitsschritte (c) und (d) werden üblicherweise durch Tabellen oder Schaubilder, alternativ auch durch eine geeignete Software abgebildet, anhand derer ausgehend von den zu berücksichtigenden Bedingungen (a) und nach Maßgabe der im Arbeitsschritt (b) getroffenen Entscheidung die vom betreffenden Maschinenelement jeweils zu erbringenden Leistungswerte bestimmt werden können.
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Diese für die Praxis zwar zweckmäßige, aber auf vergleichbar groben Abschätzungen beruhende Auslegungsmethodik hat folgende Einschränkungen und Nachteile:
- – Es erfolgt eine Vorabfestlegung auf einen bestimmten Maschinenelemente-Typ.
Der Blick bei der weiteren Auslegung und Auswahl des geeigneten Maschinenelements ist dementsprechend eingeschränkt auf diesen einen Maschinenelemente-Typ. Alternative Maschinenelemente, die möglicherweise die jeweilige Antriebsaufgabe im Rahmen des vorgegebenen Maschinenkonzepts besser lösen würden, werden in Folge der Vorabfestlegung bei der weiteren Betrachtung nicht mehr berücksichtigt.
- – Die vom jeweiligen Maschinenelement erwartete Lebensdauer kann bei der Auswahl und Auslegung nicht berücksichtigt werden, da die Auswahl durch so hohe Sicherheitsfaktoren abgesichert ist, dass die theoretisch erreichbare Lebensdauer des Maschinenelements weit höher liegt als die in der Praxis benötigte oder gewünschte Lebensdauer.
- – Die nähere Bestimmung und Auslegung des Maschinenelements erfolgt in der Regel in Abhängigkeit weniger Einflussgrößen. Die Berücksichtigung mehrerer unterschiedlicher, sich jedoch gegenseitig bedingender oder beeinflussender Auswahlkriterien ist aufgrund des damit verbundenen Rechenaufwands in der Regel nicht möglich.
- – Die konkrete Auslegung des ausgewählten Maschinenelements erfolgt in der Regel ohne Rücksicht auf die durch die Anwendung bedingten Einflussgrößen. Bestenfalls werden derartige Einflussgrößen grob pauschalisiert einbezogen.
- – Die Auslegung wird stets mit sehr hohen Sicherheiten vorgenommen, um unbekannte bzw. im Einzelnen nicht berücksichtigte Einflussgrößen mit ausreichender Sicherheit abzudecken.
- – Die in Folge der Pauschalisierung und Absicherung durch Sicherheitsaufschläge eintretende Überdimensionierung führt zu einer unnötigen Verteuerung des jeweiligen Maschinenelements.
- – Die Leistungsfähigkeiten der Maschinenelemente werden nicht optimal eingesetzt. Durch die Pauschalisierung und Absicherung durch Sicherheitsaufschläge stellen sich Lösungen, die in der Praxis mit großem Erfolg eingesetzt werden könnten, als nicht realisierbar dar.
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Bezogen auf eine Anwendung, bei der Antriebskräfte auf ein zu bewegendes Bauteil übertragen werden sollen, bedeutet dies, dass der Konstrukteur sich zunächst beispielsweise auf ”Riemen” als Zugmittel seiner Wahl festlegt. In Folge dessen geht er bei seinen weiteren Überlegungen nicht mehr auf alternative Zugmittel oder Antriebe ein, die die Antriebsaufgabe möglicherweise besser lösen würden.
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Die Auslegung von endlosen Zahnriemen erfolgt dann anhand von in Katalogen angegebenen Leistungswerten, welche die Riemenhersteller pauschal, d. h. nicht anwendungsbezogen, veröffentlichen. Die Angaben verschiedener Hersteller zu den von ihnen angebotenen Antriebsriemen sind untereinander nicht vergleichbar, weil nicht ersichtlich ist, auf welcher Basis die Angaben ermittelt wurden. Insbesondere ist nicht bekannt, auf welcher Lebensdauerbasis die Werte festgelegt worden sind. Detaillierte Richtlinien oder Normen dazu, wie miteinander vergleichbare Leistungswerte ermittelt werden können, existieren derzeit nicht. Stattdessen definieren die Hersteller von Antriebsriemen eigene Berechnungs- und Auslegungsmethoden. Infolgedessen sind die von den unterschiedlichen Herstellern angegebenen Eigenschaften und Auswahlkriterien nicht oder allenfalls mit großem Aufwand und erheblicher Unsicherheit miteinander vergleichbar. So erweisen sich Produkte mit scheinbar ähnlichen Eigenschaftsprofilen oft als nicht gegeneinander austauschbar, weil die angegebenen Eigenschaften auf unterschiedlichen Wegen ermittelt worden sind.
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Eine grobe Vorgabe zur Berechnung der Anforderungen, die Antriebsriemen erfüllen müssen, findet sich in der Richtlinie VDI 2758. Dort heißt es im Abschnitt 3: ”Das Riemengetriebe muss einerseits unter den vorgegebenen Anforderungen bzw. Betriebsbedingungen (Drehzahlen, Momente, Raumbedarf, Überlastungen, Wellenverlagerungen, Temperaturen und andere Umwelteinflüsse) über eine angemessene Zeit sicher funktionieren und sollte andererseits die Umgebung so gering wie möglich belasten (Geräusch, Schwingungen usw.).” Wie diese Anforderungen bei optimaler Nutzung der vom jeweiligen Antriebsriemen mitgebrachten Leistungspotenziale erfüllt werden können, bleibt dabei offen.
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Die hier vorgestellte Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren anzugeben, dass die systematische und gezielte Auswahl der für eine bestimmte Anwendung jeweils am besten geeigneten Maschinenkomponente erlaubt, wobei in diese Auswahl Erfahrungswerte einbezogen werden sollen, um so ein sich laufend selbsttätig verbesserndes System zu schaffen.
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Die Erfindung hat diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
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Das durch die Erfindung vorgeschlagene Vorgehen ist in 1 in Form eines Diagramms dargestellt.
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Dementsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur computerunterstützten Auswahl einer für eine bestimmte Verwendung vorgesehenen Maschinenkomponente mindestens folgende Arbeitsschritte:
- a) Es werden Eigenschaften der jeweils betrachteten Maschinenkomponente und diese Eigenschaften bestimmende Einflussgrößen ermittelt.
- b) Für die jeweils betrachtete Maschinenkomponente werden in Frage kommende Verwendungen bestimmt.
- c) Für die jeweils betrachtete Maschinenkomponente werden die bei der verwendungsbezogenen Auswahl und Auslegung der Maschinenkomponente zu betrachtenden Einflussgrößen ermittelt, denen sie bei ihrer jeweiligen Verwendung ausgesetzt ist.
- d) Es werden im praktischen Einsatz oder durch systematische experimentelle Untersuchungen der Maschinenkomponenten Aussagen zu den Einflussgrößen erfasst und aus den erfassten Aussagen Informationen über die Wechselwirkungen der Einflussgrößen ermittelt.
- e) Die im Arbeitsschritt d) zu den Wechselwirkungen ermittelten Informationen werden als maschinenlesbare Daten in eine Datenbank eingespeist.
- f) Für die Auswahl der für die jeweils vorgesehene Verwendung geeigneten Maschinenkomponente werden die sich bei der vorgesehenen Verwendung stellenden Einflussgrößen formuliert.
- g) Die Verwendung und die zugeordneten Einflussgrößen werden als Eingangsgrößen in einen auf einem Computer laufenden Auswahlalgorithmus eingespeist, der unter Berücksichtigung der Eingangsgrößen anhand der in der Datenbank abgelegten Informationen die für die jeweilige Verwendung optimal passende Maschinenkomponente auswählt.
- h) Die im Arbeitsschritt g) ausgewählte Maschinenkomponente wird der vorgesehenen Verwendung zugeführt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden somit im ersten Arbeitsschritt für die jeweils betrachtete Maschinenkomponente Eigenschaften und die diese Eigenschaften bestimmende Einflussgrößen ermittelt.
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Dann werden für die jeweils betrachtete Maschinenkomponente die in Frage kommenden Verwendungen bestimmt und ermittelt, welchen Einflussgrößen die Maschinenkomponente bei der jeweiligen Verwendung ausgesetzt ist und welche Einflussgrößen dementsprechend bei der anwendungsbezogenen Auswahl und Auslegung der Maschinenkomponente zu betrachten sind.
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In einem folgenden Arbeitsschritt werden aus Aussagen, die beim praktischen Einsatz der betrachteten Maschinenkomponente zu den Einflussgrößen gewonnen worden sind, oder aus Aussagen, die auf die Einflussgrößen bezogen sind und durch systematische experimentelle Untersuchungen gewonnen werden, die Wechselwirkungen der Einflussgrößen ermittelt. Stellt sich dabei heraus, dass als solche bisher noch nicht identifizierte Einflussgrößen existieren, so können diese neu erkannten Einflussgrößen zur Gruppe der zu betrachtenden und in Wechselwirkung mit anderen stehenden Einflussgrößen hinzugefügt werden.
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Können die produkt- oder anwendungsspezifischen Wechselwirkungen mit einer Regel formelmäßig beschrieben werden, so wird diese Regel formuliert. Alternativ oder ergänzend können die Wechselwirkungen auch in Form von unscharfen Beschreibungen (”Fuzzy-Logik”, künstliche neuronale Netzwerke, sonstige Methoden der künstlichen Intelligenz) der Zusammenhänge erfasst werden.
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Die in den vorangegangenen Arbeitsschritten zu den Wechselwirkungen ermittelten Informationen (z. B. Einflussgrößen, Regeln, unscharfe Beschreibungen von Wechselwirkungen) werden als maschinenlesbare Daten in eine Datenbank eingespeist. Diese Datenbank kann in an sich bekannter Weise ein, zwei oder mehr Einzeldatenbanken umfassen, die jeweils auf bestimmte Anwendungsfälle bezogene maschinenlesbare Daten enthalten.
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Informationen, die zu sich gegenseitig beeinflussenden Anforderungen und Einflussgrößen ermittelt werden, werden in der Datenbank optional so miteinander verknüpft, dass Änderungen an der einen Information direkte Auswirkungen auf die mit ihr verknüpfte(n) andere(n) Information(en) haben. In der Datenbank wird so ein Geflecht aus miteinander in Beziehung gesetzten und mit bestimmten Maschinenkomponenten verknüpften Informationen erzeugt, die auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen bezogen sind.
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Für die Auswahl der für die jeweilige Anwendung geeigneten Maschinenkomponente werden die sich bei der betreffenden Anwendung stellenden Einflussgrößen formuliert. Die Anwendung und die zugeordneten Einflussgrößen werden als Eingangsgrößen in einen auf einem Computer laufenden Auswahlalgorithmus eingespeist. Der Auswahlalgorithmus wählt anschließend unter Berücksichtigung der Eingangsgrößen anhand der in der Datenbank abgelegten Informationen die für die Verwendung bei der jeweiligen Anwendung optimal passende Maschinenkomponente aus.
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Wesentlich für die Erfindung ist, dass in einem automatisierten Prozess auf Basis von empirisch ermittelten oder theoretisch formulierten und in einer Datenbank abgelegten Informationen das für die jeweilige Anwendung optimal geeignete Maschinenelement treffsicher ermittelt wird und zwar ausgehend von der jeweils vorgesehenen Anwendung. Die hierzu genutzten, in der Datenbank abgelegten Informationen beschreiben dabei die zwischen der jeweiligen Anwendung, der für sie geltenden Einflussgrößen und deren Wechselwirkungen bestehenden Zusammenhänge und können im Sinne eines selbstlernenden Systems durch wiederholtes Einspeisen neu gewonnener Informationen in ihrer Qualität und Aussagekraft laufend verbessert werden.
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Zur laufenden Verbesserung der durch die Arbeitsschritte a)–f) für den Auswahlschritt (Arbeitsschritt g)) geschaffenen Datenbasis können ergänzend folgende Arbeitsschritte absolviert werden:
- i) Die im Arbeitsschritt g) ausgewählte Maschinenkomponente wird mit einem Identifikationsmittel ausgerüstet, das eine individuelle Überwachung und Erfassung der Maschinenkomponente ermöglicht.
- j) Die ausgewählte Maschinenkomponente wird in ihrem praktischen Einsatz anhand des Identifikationsmittels identifiziert und überwacht, wobei die Überwachung eine Aussage über einen eine der betrachteten Einflussgrößen repräsentierenden Kennwert liefert.
- k) Die im Arbeitsschritt j) erfassten Aussagen werden als Einflussgrößen in den mit Arbeitsschritt c) beginnenden Prozess eingespeist.
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Zur Überwachung und Identifizierung der jeweils ausgewählten Maschinenkomponente kann das Identifikationsmittel nicht nur Informationen tragen, die die jeweilige Maschinenkomponente eindeutig identifiziert, sondern auch Informationen über die Beschaffenheit der Maschinenkomponente enthalten, um so beispielsweise die Zuordnung der durch die Überwachung erhaltenen Messwerte einer bestimmten Eigenschaftskombination der betrachteten Maschinenkomponente einfach zuordnen zu können.
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Die Überwachung liefert im einfachsten Fall eine Aussage über einen einzigen Kennwert, wie beispielsweise über die Zeitdauer, die zwischen dem Beginn der Nutzung und einem durch Verschleiß erforderlich werdenden Auswechseln vergeht. Ergänzend kann die Überwachung jedoch auch Aussagen über eine Menge von zwei oder mehr Kennwerten liefern, wie beispielsweise die äußeren Einflüsse (Temperatur, Atmosphäre), denen die Maschinenkomponente im Einsatz ausgesetzt war. Das Identifikationsmittel kann zudem selber so ausgerüstet sein, dass es Aussagen über den inneren Zustand und die Belastungen des Maschinenelements im Betrieb liefert. Selbstverständlich können ebenso andere an sich bekannte Messmethoden eingesetzt werden, um die bei der Nutzung im Maschinenelement herrschenden Kräfte, seine Längenveränderungen, Temperaturentwicklung und desgleichen zu erfassen (s. hierzu für das Beispiel eines Riementriebs
US 6,264,577 B1 ,
DE 10 2010 002 551 A1 ,
JP 2009-007078 A ,
DE 44 44 263 C1 ,
US 5,843,258 A ,
AU 2009203049 A1 ).
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Mit den optional ergänzend durchgeführten Arbeitsschritten i) bis k) ist ein optimiert selbstlernendes, sich ständig verbesserndes und die praktische Wirklichkeit immer besser abbildendes selbstlernendes Auswahlsystem geschaffen. Dabei muss selbstverständlich nicht jede in erfindungsgemäßer Weise ausgewählte Maschinenkomponente die ergänzenden Arbeitsschritte i) bis k) durchlaufen, sondern es kann ausreichend sein, wenn mindestens eine Maschinenkomponente, optimaler Weise eine repräsentative Anzahl von Maschinenkomponenten in der jeweiligen Anwendung überwacht wird.
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Für die Zuordnung der Einflussgrößen zu bestimmten Verwendungen der Maschinenkomponenten kann ein so genannter ”Anwendungsschlüssel” definiert werden, der in einer standardisierten Form Anwendung und zugeordnete Einflussgrößen miteinander verkoppelt. Durch einen solchen Anwendungsschlüssel kann die maschinelle Abarbeitung des Auswahlprozesses vereinfacht werden.
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Das erfindungsgemäße System kann dabei so ausgelegt sein, dass es bei neuen Anwendungen, zu denen es noch keine direkt zugeordneten Informationen in der Datenbank gibt, beispielsweise anhand der dieser neuen Anwendung zugeordneten Einflussgrößen und der für sie jeweils ermittelten oder formulierten Wechselwirkungen aus den in der Datenbank hinterlegten Informationen die nächstkommende Anwendung ermittelt und auf Grundlage dieser nächstkommenden Anwendung einen Vorschlag für ein zu verwendendes Maschinenelement macht. Auf diese Weise kann in einem iterativen Prozess auch für eine neue Anwendung ein optimal geeignetes Maschinenelement schnell ermittelt werden, ohne dass dazu aufwändige, zeitraubende Versuche durchgeführt werden müssen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorgehensweise bestehen somit in
- – einer detaillierten, anwendungsspezifischen Betrachtung und Dimensionierung der Auslegung nach beliebigen Kriterien,
- – einer optimalen Ausnutzung der Produkt- bzw. Materialeigenschaften auf die Kundenwünsche und optimale Auswahl der Maschinenelemente (z. B. Riemen oder Kette),
- – in der zielgerichteten, auf die jeweilige Anwendung bezogenen Auslegung des Maschinenelements und damit einhergehend in der Vermeidung von Überdimensionierungen,
- – in der damit einhergehenden Optimierung des Wirkungsgrads, der Reduzierung von Verlusten und der daraus resultierenden Schonung knapper Ressourcen,
- – in der Transparenz der Einflussgrößen untereinander,
- – in der Möglichkeit, das jeweilige Maschinenelement nach Maßgabe einer bestimmten Anforderung, beispielsweise an seine Lebensdauer, auszuwählen,
- – in der Vermeidung von unkontrollierten Ausfällen, die im Stand der Technik aufgrund der Auswahl von nach den bisher berücksichtigten Auswahlkriterien zwar zureichenden, in der Praxis aber sich als untauglich erweisenden Maschinenelementen oder aufgrund nicht erkannter Wechselwirkungen von Einflussgrößen verursacht werden können,
- – in der kontinuierlichen Verbesserung der Vorhersagen anwendungsspezifischer Fragestellungen,
und
- – in der gezielten, wirtschaftlichen Produktentwicklung für spezielle Problemstellungen, wobei hier der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Vorgehens darin besteht, dass als Maschinenkomponenten nicht nur einzelne Bauteile oder -gruppen bei der Auswahl berücksichtigt werden können, sondern dass das Ergebnis der erfindungsgemäßen Vorgehensweise bei der Bestimmung der für die jeweilige Anwendung optimierten Komponente auch Vorschläge zur Auswahl bestimmter Bauteile, Materialien oder Verfahrensparameter sein können, mit denen sich ein Maschinenelement oder eine aus mehreren interagierenden Maschinenelementen gebildete Baugruppe (”Aggregat”) herstellen lässt, die jeweils optimal an die Anforderungen angepasst sind, die sich aus der vorgesehenen Verwendung ergeben.
Anwendungsbezogene Einflussgrößen können sein
- – mechanische Belastungen (Drehzahl, Drehmoment, Vorspannkräfte, Antriebsgeometrie, Reibpaarung, Lastwechsel, Lastzyklen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Zug- oder Druckspannungen, sonstige dynamische oder statische Belastungen, wobei für das Beispiel ”Riementrieb” insbesondere auch die Übersetzung, die Positioniergenauigkeit, die Wuchtgüte, die Scheibengröße, die Anzahl der Eingriffszähne, die Rückenumlenkung, die Biegewechselfrequenz und der Flankenwechsel wichtig sein können);
- – Umweltbedingungen (Atmosphäre, in der die Anwendung stattfindet, Umgebungsfeuchte und -temperatur, Verschmutzung, Materialpaarung, Druck),
- – Eigenschaften des Materials, aus dem die Maschinenkomponente besteht (Materialverhalten bei Erwärmung, unter Last, unter Lastwechsel, bei Reibung, wobei für das Beispiel ”Riementrieb” insbesondere das Alter des Riemens sowie die Eigenschaften der zur Herstellung verwendeten Materialien, wie Cord, Elastomere (z. B. Gummi/PU etc.), Gewebe, Haftvermittler, und die bei der Herstellung gewählten Herstellbedingungen und -parameter, wie Drücke, Temperatur, Zeit, Berücksichtigung finden können),
- – geometrische Gestalt und Qualität der Maschinenkomponente (dies sind beim Beispiel ”Riementriebs” z. B. Zahnform, Lückenspiel, Form der Scheiben, Beschaffenheit der Oberflächen der Scheiben, der Rundlauf und die Fluchtung der Scheiben, Oberflächenrauhigkeit, Zahnform, Lückenspiel, Wuchtgüte).
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Insbesondere befasst sich die Erfindung mit der anwendungsspezifischen Auswahl und Auslegung von Mitteln zur Übertragung von Bewegungsenergie auf ein zu bewegendes Bauteil, wobei es sich bei diesen Mitteln im Speziellen um Riemen oder Ketten und die mit diesen Antriebsmitteln direkt zusammenwirkenden Bauelementen handelt. Hierzu zählen:
- • Zahnriemen
- • Keilriemen
- • Flachriemen
- • Riemenantriebe allgemein, insbesondere Zahnriemenantriebe
- • Scheiben
- • Vielkeilriemen
- • Scheiben/Scheibenprofile insgesamt
- • Getriebe
- • Motoren
- • Kupplungen allgemein, insbesondere Rutschkupplungen
- • Spannsätze/Wellen-Nahen-Verbindungen
- • Freiläufe
- • Wälzlager
- • Gleitlager
- • Ketten
- • Dichtungen
- • Bremsen
- • Zahnräder
- • Federn
- • Dämpfer
- • Schläuche
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Wird als Maschinenkomponente beispielsweise ein Antriebsaggregat betrachtet, das aus den Elementen
- – ”Antriebsscheibe”, über die eine Antriebskraft eingebracht wird,
- – ”Endlos-Zahnriemen”, über den eine mit ihm verkoppelte Last bewegt wird, und
- – ”Umlenkscheibe”, um die der Zahnriemen umgelenkt wird,
gebildet ist, so ergeben sich beispielsweise folgende Einflussgrößen und Wechselwirkungen: | Element | Einflussgröße/Wechselwirkung |
| Riemen | Materialeigenschaften des Cords |
| Riemen | Materialeigenschaften des den Cord umgebenden Grundmaterials (z. B. Polyurethan/Neopren/Gummi) |
| Riemen | Art der Einlage (Gewebe) |
| Riemen | Materialeigenschaften Haftvermittler |
| Scheiben | Oberflächenbeschaffenheit/Oberflächenbehandlung/Oberflächenbeschichtung (z. B. Brünierung/Material PTFE (Polytetrafluorethylen) |
| Scheiben | Rundlauf |
| Scheiben | Fluchtung Antrieb/Umlenkung |
| Scheiben | Oberflächenrauhigkeit |
| Scheiben | Art und Parameter der – insbesondere spanabhebenden – Bearbeitung, z. B. Fräservorschub |
| Riemen | Alter |
| Riemen | Prozessparameter Riemenherstellung (Druck/Temperatur/Zeit) |
| Riemen/Scheiben | Zahnform |
| Riemen/Scheiben | Lückenspiel |
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Kennwerte für die Belastungen, die bei der erfindungsgemäßen Auswahl eine Rolle spielen können und als solche erfasst und als Information in der Datenbank abgelegt werden, sind beispielsweise
- – Leistung,
- – Drehzahl,
- – Drehmoment,
- – Vorspannkraft,
- – Antriebsgeometrie,
- – Scheibengröße (Antrieb/Umlenkung)
- – Anzahl der Eingriffszähne,
- – Rückenumlenkung,
- – Lastwechsel,
- – Lastzyklen,
- – Biegewechselfrequenz,
- – Flankenwechsel.
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Zu den Umgebungsbedingungen, die als Einflussgrößen bei der erfindungsgemäßen Auswahl berücksichtigt werden können, gehören beispielsweise
- – chemische Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre, wie beispielsweise die Anwesenheit von Ozon in der Umgebungsatmosphäre,
- – Temperatur der Umgebungsatmosphäre,
- – Feuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre,
- – Korrosivität der Umgebungsatmosphäre – insbesondere Salzgehalt –,
- – Partikelbelastung der Umgebungsatmosphäre – insbesondere Verschmutzung in Folge von Metall- oder sonstigem Abrieb –,
- – Druck – insbesondere Vakuum oder hoher Überdruck –,
- – Temperaturschwankungen.
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Mögliche Vorschädigungen oder andere mechanische Unzulänglichkeiten des jeweiligen Maschinenelements, insbesondere des Riemens, können ebenso bei der Auswahl in Betracht gezogen werden.
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Mit der Erfindung ist es möglich, gerade für individuelle industrielle Anwendungen bei kleiner Stückzahl eine kundennahe, einfache Ermittlung des jeweils geeignetsten Maschinenelements durchzuführen.
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Nachfolgend werden zwei für die Erfindung typische Ausführungsbeispiele beschrieben:
Riementriebe werden typischerweise bei Linearachsenantrieben eingesetzt.
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Im einfachsten Fall besteht eine Linearantriebseinheit L1, L2, wie in den 3a, 3b dargestellt, aus einer Antriebsscheibe M, einer Umlenkscheibe U, einem verfahrbaren Schlitten S und dem Riemen R, mit dem der Schlitten S verkoppelt wird. Der Schlitten S wird mittels des Riemens R zwischen seinen beiden Endlagen am Ende der Achse im ständigen Wechsel hin und her bewegt.
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Im Stand der Technik werden als Auswahlkriterium für den Riemen R aus Katalogware üblicherweise die vom Riemen R aufzunehmenden Kräfte herangezogen. Für beide in den 3a, 3b skizzierten Einheiten L1, L2 würden sich damit bei gleicher Schlittenmasse und Schlittenbeschleunigung die gleichen Leistungsanforderungen an den jeweils einzusetzenden Riemen R ergeben. In der Praxis werden also Riemen R bei den Einheiten L1, L2 eingesetzt, die identische Leistungsmerkmale haben. Dennoch weisen sie erheblich unterschiedliche Lebensdauern auf.
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Eine in der Praxis gebräuchliche Vorgabe für die Lebensdauer eines Riemens ist die so genannte ”Kilometerleistung”, d. h. die Gesamtstrecke, die der Riemen während seiner gesamten Einsatzdauer überstreicht. Dementsprechend ist bei gleicher Lastzyklenzahl die Kilometerleistung bei der ersten Lineareinheit L1 mit ihren enger zusammenstehenden Antriebs- und Umlenkscheiben M, U geringer als bei der Lineareinheit L2, bei der die Antriebs- und Umlenkscheiben M, U weiter entfernt voneinander sind.
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In der Realität wird ein solcher Antrieb in einer der beiden Endlagen durch Verschleiß der Riemenzähne ausfallen. Nur in den Endlagen werden die Riemenzähne durch Beschleunigungs- und Bremskräfte belastet. Die Zähne auf dem Rest des Verfahrwegs sind nahezu unbelastet und werden von der Riemenscheibe überrollt, ohne dass hier eine nennenswerte Kraftübertragung stattfindet. Bei gleicher Belastung ist auch bezogen auf die Anzahl an erreichbaren Lastwechseln die Lebensdauer der Zähne in den Endlagen gleich. Die in 3b dargestellte, sehr viel längere Linearantriebseinheit L2 wird aber bezogen auf den Verfahrweg bei gleicher Lastwechselzahl etwa die doppelte Kilometerleistung erreichen. Sind die Antriebs- und Umlenkscheiben M, U bei der Lineareinheit L2 doppelt so weit beabstandet wie bei der Lineareinheit L1 und ist die Geschwindigkeit, mit der der Schlitten S bewegt wird, sowie die durch die Schlitten S gebildete Last bei beiden Anlagen gleich, so kann davon ausgegangen werden, dass die Lebensdauer des Riemens R der Lineareinheit L2 gemessen in Stunden deutlich größer ist als die Lebensdauer des Riemens R der Lineareinheit L1, weil die Kilometerleistung, die der Riemen R der Lineareinheit L2 zurückgelegt hat, doppelt so groß ist wie die Kilometerleistung des Riemens R der Lineareinheit L1.
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Ein weiteres Beispiel ist ein in 4 dargestellter so genannter ”Omegaantrieb (Ω-Antrieb)” Q.
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Die Antriebsscheibe M des Motors und Umlenkrollen U sind hier an einem verfahrbaren Schlitten S befestigt. Nach derzeitigem Katalogwert ist die Auslegung der benötigten Riemen R bei Vernachlässigung der Reibung identisch, wenn das Produkt aus Masse und Beschleunigung gleich ist (Kraft F = Masse m × Beschleunigung a). Ein sehr schwerer Schlitten S mit geringer Beschleunigung kann damit zur gleichen Kraft im Riemen R führen wie ein sehr leichter Schlitten S, der sehr große Beschleunigungen erfährt. Ein hochdynamischer Antrieb mit hohen Lastwechselzahlen wird in der Praxis aber eher durch Zugträgerermüdung oder Verschleiß ausfallen, während ein langsam bewegter Antrieb, der hohe Massen bewegt, eher durch Zahnabscherung ausfallen wird.
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Hinzu kommen Umgebungseinflüsse. Zahnriemen aus Neopren sind bspw. bis zu 100°C zugelassen. Neopren wird bei steigenden Temperaturen weicher, der Zahn verformt sich unter Last schneller und der Riemen springt leichter über. Der Katalog macht hier keinen Unterschied. Entweder die Sicherheiten sind bei 20°C so groß, dass auch bei Temperaturen von 100°C noch die Werte gemäß Katalog erreicht werden, oder es existiert bei höheren Temperaturen ein Risiko.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, anhand von Messreihen für möglichst viele unterschiedliche Lastfälle die wesentlichen Einflussgrößen zu ermitteln, um so eine exakte, auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene Riemendimensionierung zu ermöglichen. Die erreichbare Laufleistung für Antriebe gemäß 3 wird dann ausgehend von der erreichbaren Anzahl an Lastwechseln über die Riemenlänge in eine Kilometerleistung bestimmt.
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Ein Ω-Antrieb gemäß 4 benötigt keine zusätzliche Sicherheit für den Betrieb bei 100°C, wenn er nur in einer Werkshalle betrieben wird, in der Menschen arbeiten und keine zusätzliche Abwärme entsteht. Unter solchen Bedingungen erreichen die Umgebungstemperaturen höchstens 40°C.
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Bei geschlossenen Zahnriemenantrieben sind die Verhältnisse ähnlich. Ist die Antriebsleistung gleich, dann erfolgt beispielsweise die Berechnung eines Antriebs für einen Ventilator, der dauerhaft in eine Drehrichtung läuft, analog zur derjenigen eines Antriebs für die Vorschubachse einer Werkzeugmaschine, die permanent mit hohen Beschleunigungswerten vom Ruhezustand auf Nenndrehzahl beschleunigt und ständig die Drehrichtung wechselt. Scheibenqualität, Verzahnungsgüte etc. finden in der Berechnung keine bzw. bestenfalls über pauschale Belastungsfaktoren Berücksichtigung. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Gesamtantrieb in die Riemendimensionierung einfließen.
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Beim Beispiel eines Ventilatorantriebs dreht der Ventilator immer nur in eine Richtung. Zur Geräuschreduzierung kann die Scheibenlücke vergrößert werden, was hier keinen Einfluss auf die Lebensdauer der Riemen hat. Der Vorschubantrieb benötigt ein geringes Lückenspiel zwischen Riemen und Scheibe, weil hohe Genauigkeiten der Position gefordert sind. Außerdem ergäbe sich durch die ständigen Richtungswechsel immer ein stoßartiger Flankenwechsel zwischen Riemen- und Scheibenverzahnung. Wenig Lückenspiel ergibt höhere Reibung, die Gefahr von höherem Verschleiß und geringerer Lebensdauer oder im Umkehrschluss ist ein breiterer Riemen erforderlich, um die gewünschte Lebensdauer bis zum nächsten Wartungsintervall zu erzielen. Hier ist also die erreichbare Lebensdauer im Zusammenspiel zwischen Antriebsaufgabe, Zahnriemen und Zahnriemenscheibe, unter Umständen auch noch unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, abhängig. Standardisierte Katalogangaben können hier keine auf den Antriebsfall zugeschnittene Lösung bieten. Da trotz alledem in der Praxis kaum Ausfälle bekannt werden, ist dies ein Beleg dafür, dass die Antriebe in aller Regel viel zu stark dimensioniert sind, um durch die eingebauten Sicherheitsreserven all diese unbekannten Einflussfaktoren abzudecken.
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Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die bekannten Anwendungsfälle, in denen beispielsweise die hier beispielhaft betrachteten Riemen zum Einsatz kommen, erfasst. Dazu werden in einem Anwendungsschlüssel Kundendaten, Einsatzfälle und verwendete Produkte, Produktionsbedingungen, Einsatzbedingungen etc. detailliert erfasst. Auf geeigneten Testständen wird dann das für den jeweiligen Anwendungsfall typische Anwendungsscenario nachgebildet und für diese spezielle Anwendung beispielsweise Lebensdaueruntersuchungen durchgeführt. Die auf diese Weise aus den praktischen Kundenerfahrungen oder anhand der Testergebnisse gewonnenen Erkenntnisse werden Teil des in der Datenbank abgelegten Pools von miteinander verknüpften Informationen. Macht der Kunde die Vorgabe, dass bei seiner Anwendung eine bestimmte Lebensdauer des Riemens gewünscht ist, so wird anhand der hinterlegten Informationen ein Riemen ausgewählt, der unter Berücksichtigung der für die vorgesehene Anwendung geltenden sonstigen Bedingungen exakt so dimensioniert ist, dass er die vorgegebene Lebensdauer sicher erreicht, jedoch nicht darüber hinaus einsetzbar ist. D. h., der Kunde bekommt keinen Antrieb, der seine Motorleistung für unbestimmte Zeit übertragen kann, sondern einen Antrieb, der die Antriebsaufgabe für die vom Kunden z. B. gewünschte Lebensdauer oder aber auch andere vom Kunden gewünschte Kriterien wie z. B. Umwelteinflüsse, Kosten, etc. zuverlässig erfüllt. Ersatzteilbedarfe (und damit das Ersatzteilgeschäft) werden kalkulierbar und können den Wartungs- und Serviceintervallen entsprechend angepasst werden.
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Ein Riemenantrieb und ein Verfahren, die es erlauben, die Belastungen zu bestimmen, denen die wesentlichen Komponenten ”Scheibe” und ”Riemen” in einem Riemenantrieb ausgesetzt sind, sind Gegenstand der
deutschen Patentanmeldung 10 2015 107 177.0 mit dem Titel ”Riemenantrieb und Verfahren zum Überwachen eines solchen Riemenantriebs”, die die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereicht hat und deren Inhalt in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird.
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Der Erfolg der erfindungsgemäßen Auswahl wird anhand des folgenden Beispiels deutlich:
Eine Anwendung, bei der im Durchmesser kleine Antriebs- und Umlenkscheiben mit hoher Drehzahl betrieben werden und bei der ein geringer Achsabstand sowie eine damit einhergehend hohe Biegewechselfrequenz der Zugträger kombiniert sind, führt bei konventioneller Vorgehensweise zu dem Ergebnis, dass sich dieses Anforderungskollektiv mit einem Standardriemen nicht erfüllen lässt.
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Es sollte ein Riemen für eine Anwendung bestimmt werden, bei der sich ein Anforderungskollektiv ergab, für den nach konventioneller Vorgehensweise kein passender, als Katalogware vorkonfektionierter Riemen – keine Sonderanfertigung – bestimmt werden konnte.
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Unter Berücksichtigung der weiteren Einflussgröße ”Erwärmung des Riemens in Folge der Erwärmung, die durch die beim Riemenumlauf erforderliche Walkarbeit entsteht” konnte jedoch auf erfindungsgemäße Weise ein Riemen bestimmt werden, der bei einer reduzierten Rückendicke aus einem dünneren und flexibleren Zugträger sowie einer weicheren Gummimischung besteht. Hierbei spielte bei der erfindungsgemäß vorgenommenen Auswahl auch die Erfahrung eine wesentliche Rolle, dass der dünnere Zugträger die Biegewechsellast besser erträgt und dass die in Folge der weicheren Gummimischung, der geringeren Riemendicke und des flexibleren Zugträgers geringere Walkarbeit zu einer geringeren Erwärmung des Riemens im Einsatz führt.
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Die Auswahl, die auf erfindungsgemäße Weise unter Einbeziehung von neuen Einflussgrößen und aus praktischer Erfahrung bekannt gewordenen sowie gegebenenfalls experimentell bestätigten Wechselwirkungen erfolgt, ergab somit einen Zahnriemen, der die an seine Lebenserwartung gestellten Anforderungen sicher erfüllt, obwohl er bei konventioneller Vorgehensweise nicht gefunden bzw. aufgrund der bei konventioneller Vorgehensweise vorgesehenen Sicherheitsaufschläge aus dem Kreis der in Frage kommenden Riemen aussortiert worden wäre. Erkenntnisse, die beim praktischen Einsatz der entsprechend ausgewählten Riemen gewonnen werden, werden zur Verfeinerung der Auswahlkriterien in die erfindungsgemäß aufgebaute Datenbank aufgenommen, so dass bei der nächsten Suche nach einem Riemen, der für eine gleichen Anforderungen ausgesetzten Anwendung bestimmt ist, ein noch besser passender Zahnriemen zielgerichtet gefunden wird.
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Zur Erfassung seiner Funktion und der Belastung, der der in der voranstehend beschriebenen Weise ausgewählte Zahnriemen im praktischen Einsatz ausgesetzt ist, können einzelne dieser Riemen auf einem Prüfstand, der die in der Realität sich stellenden Anforderungen und Bedingungen abbildet, systematisch überwacht werden. Entsprechendes ließe sich auch mit den Maschinen umsetzen. die mit den erfindungsgemäß ausgewählten Zahnriemen ausgestattet sind.
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Sowohl auf dem Prüfstand als auch bei den betreffenden entsprechend ausgerüsteten Maschinen werden dann Riemen eingesetzt, an denen im Zuge ihrer Herstellung oder Konfektionierung ein Identifikationsmittel befestigt worden ist. Bei diesem Identifikationsmittel kann es sich um einen RFID-Chip handeln, der in das Material des Riemens eingesetzt wird. Der RFID-Chip kann Informationen über den Riemen tragen und so ausgerüstet sein, dass er diese Informationen an einen Sensor überträgt, der an geeigneter Stelle am Prüfstand oder der Maschine angeordnet ist und die jeweilige Information erfasst. Ebenso kann mindestens eine der Scheiben des Antriebs, dem der erfindungsgemäß ausgewählte Riemen zugeordnet ist, mit einem Identifikationsmittel ausgestattet sein. Dessen Information kann ebenfalls durch einen Sensor erfasst werden.
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Die erfassten Informationen werden dann zu einer Auswerteinheit übertragen. Durch Abgleich der vom Riemen und von der Scheibe gelieferten Informationen können neue Informationen über den Synchronlauf, die Einsatzdauer, den Verschleiß, den Rundlauf etc. des Antriebs gewonnen werden, die zur Verbesserung der Aussagekraft der in der erfindungsgemäß aufgebauten Datenbank enthaltenen Informationen genutzt werden.
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Selbstverständlich können auch andere Identifikationsmittel als die hier erwähnten RFID-Chips für die Kennzeichnung des Riemens und der Scheibe verwendet werden. Denkbar wäre es beispielsweise, die Identifikationsmittel so auszubilden, dass sie beispielsweise aktiv die Temperaturentwicklung, Verformung oder dynamischen Kräfte, denen der Riemen im Einsatz ausgesetzt ist, erfassen und an den Sensor liefern. Derart aktiv gewonnene Daten tragen wiederum zur Verbesserung des Ergebnisses einer erfindungsgemäß vorgenommenen Auswahl bei.
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Nachfolgend werden Beispiele vorgestellt, bei denen es in der Praxis mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zielgerichtet gelingt, für den jeweiligen Verwendungszeck optimal geeignete Maschinenkomponenten zu bestimmen.
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Praxisbeispiel 1:
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In Getränkeabfüllanlagen sind zahlreiche rotatorische Antriebe enthalten, die oftmals als Riemenantriebe ausgestaltet sind.
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Im Abfüllbetrieb kommt es immer wieder vor, dass ein abzufüllendes Getränk verschüttet wird und die bewegten Teile der Riemenantriebe mit dem Getränk benetzt werden.
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Gleichzeitig unterliegen Getränkeabfüllanlagen strengen Hygienevorschriften und müssen regelmäßig gereinigt werden. Hierzu werden vergleichbar aggressive Reinigungschemikalien eingesetzt.
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Aufgrund der häufigen Reinigungsprozesse und der Anordnung der Antriebe meist unterhalb der Anlagen sind die Riemenantriebe schwer zugänglich. Dies führt häufig dazu, dass die Reinigungschemikalien an ihnen haften bleiben und eintrocknen.
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Unter der Annahme, dass das abzufüllende Getränk keinen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer des jeweiligen Antriebsriemen hat, sind beim erfindungsgemäßen Vorgehen zunächst als für die Verwendung einer ”Getränkeabfüllanlage” wesentliche Einflussgrößen die zu übertragenden Kräfte und die chemische Belastung durch die Reinigungschemikalien in Wechselwirkung mit dem als ”Eigenschaft” im Sinne der Erfindung anzusehenden Material berücksichtigt worden, aus dem die Komponenten ”Antriebsriemen” und ”Riemenscheibe” des Riemenantriebs bestehen.
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Im praktischen Einsatz der derart ausgelegten Antriebsriemen ergab sich, dass es bei der Abfüllung bestimmter Getränke trotz der vorauszusetzenden Resistenz gegen die Reinigungschemikalien zu einer massiven frühzeitigen Schädigung der Antriebsriemen kam, wogegen die Riemen beim Abfüllen anderer Getränke problemlos die vorgesehene Lebensdauer erreichten.
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Ein Vergleich der jeweils erfindungsgemäß erfassten Betriebsbedingungen, unter denen die betreffenden Riemen eingesetzt wurden, ergab, dass als weitere Einflussgröße für den Verwendungsfall ”Getränkeabfüllanlage” die Art des abzufüllenden Getränks und seine Wechselwirkung mit der Reinigungschemikalie bzw. dem Material der im Riemenantrieb eingesetzten Maschinenkomponenten ”Antriebsriemen” und ”Riemenscheiben” berücksichtigt werden muss.
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Indem die über diese zusätzliche Wechselwirkung erkannte Information in den erfindungsgemäßen Auswahlprozess einbezogen worden ist, sind als Ergebnis für Abfüllanlagen, bei denen stark zuckerhaltige Getränke abgefüllt werden, Riemen aus einer Materialkombination vorgeschlagen worden, die unempfindlich gegen das sich aus verschütteten zuckerhaltigen Getränkeresten, Wasser und Reinigungschemikalien bildende, bestimmte Riemenmaterialien aggressiv angreifende Flüssigkeitsgemisch sind, wogegen bei Getränkeanlagen, bei denen Getränke mit geringeren Zuckergehalten abgefüllt werden, konventionell ausgelegte Antriebsriemen zum Einsatz kommen können.
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Praxisbeispiel 2:
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Polyurethanzahnriemen (”PU-Riemen”) sind in aller Regel sehr gut beständig gegenüber Wasser und Feuchtigkeit. In trockener Luft sind Temperaturen bis zu +50°C, teilweise auch +80°C für die PU-Riemen kein Problem. Genauso stellt es kein Problem dar, wenn PU-Riemen bei hoher Luftfeuchtigkeit und Raumtemperatur betrieben werden.
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Liegen jedoch eine hohe Luftfeuchtigkeit und eine hohe Temperatur in Kombination vor, so führt dies zur Zerstörung des PU-Materials der Riemen.
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Wesentliche Eigenschaft für den erfindungsgemäßen Prozess der Auswahl eines geeigneten Riemens für die Verwendung ”Antrieb eines Aggregats” ist also auch hier das Basis-Material, aus dem der jeweilige Riemen besteht, sowie als ”Einflussgrößen” die im Einsatz jeweils zu erwartende Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit und als ”Wechselwirkung” die sich in Abhängigkeit vom absoluten Wert der Temperatur und Feuchtigkeit ergebenden Auswirkungen auf das Material des Riemens.
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Praxisbeispiel 3:
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Bei der Verwendung ”Antrieb einer Werkzeugmaschine” werden als ”Eigenschaft” das Material der zur Auswahl stehenden Antriebsriemen und als Einflussgrößen für den Auswahlprozess neben den zu erwartenden mechanischen Belastungen die Temperaturbedingungen und die in der Werkzeugmaschine zum Einsatz kommenden Schmiermittel sowie deren Wechselwirkung mit dem jeweiligen Material berücksichtigt, aus dem die Riemen bestehen.
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Praxisbeispiel 4:
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Zu Reinigungszwecken wird häufig so genanntes vollentsalztes Wasser eingesetzt, dem sämtliche Mineralien entzogen wurde. Sollen Zahnriemen, Dichtungen und andere Maschinenkomponenten in einer entsprechend belasteten Umgebung eingesetzt werden, so werden als ”Eigenschaft” bei der erfindungsgemäßen Auswahl wiederum die Materialien der Maschinenkomponenten und als ”Wechselwirkung” ihre Wechselwirkung mit dem vollentsalzten Wasser berücksichtigt.
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Die hierbei für die erfindungsgemäße Auswahl entscheidende und in die erfindungsgemäß vorgesehene Datenbank als Regel zu den Wechselwirkungen der beteiligten Einflussgrößen aufgenommene Information ist, dass, sofern das Material der Maschinenkomponenten einen Weichmacher enthält, eine hohe Neigung besteht, dass dieser in Folge des osmotischen Gefälles in das Wasser wandert. So neigen beispielsweise Antriebsriemen, deren Basismaterial ein Elastomer ist, zu vorzeitiger Versprödung, wenn sie in einer Umgebung eingesetzt werden, in denen vollentsalztes Wasser eingesetzt wird.
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Praxisbeispiel 5:
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Es ist bekannt, dass Formteile, die aus Polyamid bestehen, unter bestimmten Umgebungsbedingungen zur Aufnahme von Wasser neigen und dass mit der Wasseraufnahme eine Veränderung der Abmessungen des Formteils einhergehen kann.
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Sollen aus Polyamid gefertigte Formteile in Antrieben eingesetzt werden, bei denen enge Passungen der miteinander interagierenden Maschinenelemente gefordert sind, können wechselnde Umgebungsbedingungen folglich zu Problemen führen.
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Diese Information über die ”Wechselwirkung” der ”Eigenschaft” Material = Polyamid mit den ”Einflussgrößen” Temperatur und Umgebungsfeuchte wird in der erfindungsgemäß vorgesehenen Datenbank hinterlegt.
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Ausgehend von der Vorgabe, dass die jeweilige Maschinenkomponente aus Polyamid gefertigt und eine maximale Maßhaltigkeit gewährleistet sein soll, mündet die erfindungsgemäße Auswahl in der Anweisung, das jeweilige Formteil in einer Umgebung mit konstanter Temperatur und Feuchte zu betreiben.
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Praxisbeispiel 6:
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Ein weiteres Beispiel dafür, dass als Einflussgrößen für die Auswahl des jeweiligen Antriebsmittels die Umgebungsbedingungen von entscheidender Bedeutung sein können, sind Theaterleuchten, bei denen zur Fokussierung des Lichtstrahls verstellbare Blenden eingesetzt werden. Die Verstellung erfolgt dabei über Elektromotoren, die mit den Blenden über Zahnriemen verkoppelt sind.
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Indem bei der erfindungsgemäßen Auswahl als eine wesentliche Information die Wechselwirkung zwischen der im Umfeld der Leuchte herrschenden hohen Temperatur-, UV- und Ozonbelastung auf der einen Seite und dem Basismaterial (”Eigenschaft”) der Zahnriemen auf der anderen Seite berücksichtigt wird, ergibt das erfindungsgemäße Verfahren für die Verwendung ”Theaterleuchte” einen Antriebsriemen, der trotz der widrigen Bedingungen nicht zur Versprödung neigt, wie sie unter diesen Bedingungen bei Riemen auftritt, deren Basismaterial ein konventionelles Elastomer ist.
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Praxisbeispiel 7:
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In bestimmten Anwendungen ist ein besonders ruhiger, geräuschminimierter Lauf eines jeweiligen Riemenantriebs gewünscht.
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”Geräuschemission” ist somit das Resultat von der Wechselwirkung bestimmter Eigenschaften und Einflussgrößen, die bezogen auf den jeweiligen Anwendungsfall ebenfalls bei der Auswahl der geeigneten Maschinenkomponente zu berücksichtigen sind.
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Durch entsprechende Versuche kann eine Qualifizierung bestimmter Gewebe (”Eigenschaft”) für eine reduzierte Geräuschentwicklung durchgeführt werden, wobei zusätzlich bestimmte Materialpaarungen (”Wechselwirkung von Eigenschaften”), bestimmte Betriebsbedingungen (”Einflussgrößen”) und bestimmte Geometrien (”Eigenschaften”) der zusammenwirkenden Maschinenelemente systematisch untersucht werden, um die Wechselwirkungen zwischen den unterschiedlichen Materialien hinsichtlich der Geräuschentwicklung zu beschreiben. Die durch diese Experimente gewonnenen Informationen werden in der erfindungsgemäß bereitgestellten Datenbank abgelegt und mit den dort bereits vorhandenen Informationen zu dem jeweiligen Verwendungsfall verkoppelt.
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Praxisbeispiel 8:
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Die Wahl der Zugträger (z. B. Aramid, Kohlefaser) kann in bestimmten Verwendungsfällen darüber entscheiden, ob ein Riemen für eine Umlenkung über den Riemenrücken geeignet ist oder nicht, bzw. bis zu welchen Krümmungsradien dies erfolgen kann. Mit zunehmender Einsatzdauer entstehen bei der Umlenkung über den Riemenrücken durch die Wechselbiegung in dem sehr harten Polyurethan kleine Risse, die sich mit steigender Biegewechselzahl vergrößern.
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Aramidzugträger sind sehr empfindlich gegenüber Kerbwirkung. Während dieser Einfluss nun im Aramidzugträger zu Brüchen führt, toleriert der Carbon Zugträger diesen Einfluss, weil die Kerbempfindlichkeit geringer ist.
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Der Effekt ist umso stärker, je kleiner die Biegeradien sind und je höher die Geschwindigkeit ist. Das bedeutet, bei kleiner Drehzahl und entsprechend großer Umlenkung kann auch der Aramidzugträger mit Rückenumlenkung zu ausreichender Standzeit führen. Mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise kann aus diesen Zusammenhängen ein Kennwert bestimmt werden, bis zu dem auch der Aramidzugträger bei Rückenbiegung einsetzbar wäre. Hinzu kommen wiederum Einflüsse auf den Zugträger durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise Feuchtigkeit (Kriechen des Zugträgers bei Feuchtigkeit).
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Ein weiterer Einfluss, der die Auswirkung verstärkt, ist die Besonderheit von Aramid, sich unter Wärmeeinwirkung in Längsrichtung der Fasern zu verkürzen. Wird der Riemen warm, zieht er sich zusammen oder, wenn das Zusammenziehen durch die Riemenscheiben verhindert wird, steigt die Riemenspannung. Auch dies beeinflusst die Auswirkungen der Risse auf die Kerbempfindlichkeit des Zugträgers. Dementsprechend werden auch diese Besonderheiten im erfindungsgemäßen Auswahlsystem als Einflussgrößen (Leistung, Geschwindigkeit oder Drehzahl, Umgebungsfeuchtigkeit, Rückenumlenkung und deren Durchmesser, Temperatur) und Wechselwirkungen berücksichtigt, die das Auslegungskriterium ”Standzeit des Riemens in der speziellen Anwendung” beeinflussen
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Praxisbeispiel 9:
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Bei in Automobil eingesetzten Antriebsriemen beeinflusst die Art der Spulung der Zugträger die Standzeit bei speziellen Anwendungen. Damit hat nicht nur die Auswahl des Zugträgermaterials, sondern bereits der individuelle Aufbau eines einzelnen Zugstrangs Einfluss auf die Lebensdauer der Antriebsriemen.
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So weisen Riemen mit höherer Anzahl von Zugträgersträngen sehr gute dynamische Biegewechseleigenschaften auf, während Riemen mit einer geringeren Anzahl von Zugträgersträngen in einer dynamischen Motoranwendung mit den dort auftretenden Start-Stopp Wechseln, Temperatureinflüssen und zahlreichen Biegewechseln zu vorzeitigen Ausfällen führen. Durch reine statische Zug- oder Dehnungsversuche sind die Unterschiede nicht feststellbar, sondern können nur durch empirische Erfassung von entsprechend in erfindungsgemäßer Weise ausgerüsteten Riemen im Feldversuch systematisch erfasst werden.
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Die Ergebnisse solcher systematischen Versuche werden als Eigenschaften oder Einflussgrößen in das erfindungsgemäß vorgesehene Datenbanksystem eingespeist und bilden mit der ebenfalls in der Datenbank hinterlegten Beschreibung der Wechselwirkungen dieser Eigenschaften und Einflussgrößen die Kriterien für die Auswahl des bezogen auf den Anwendungsfall jeweils geeignetsten Bauelements.
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Praxisbeispiel 10:
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Gemäß den Vorgaben der Hersteller sind bestimmte Zahnriemen für den Einsatz in bestimmten Temperaturbereichen zugelassen. Es bleibt allerdings offen, unter welchen sonstigen Bedingungen die Riemen in diesen Temperaturbereichen eingesetzt werden dürfen.
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Die Praxis zeigt, dass es einen Unterschied macht, ob ein Riemen mit einer Drehzahl von 5000 Umdrehungen pro Minute bei Umgebungstemperaturen von 20°C in gut belüfteter Umgebung betrieben wird oder ob der Riemen einer Umgebungstemperatur von 60°C in einem kleinen geschlossenen Getriebekasten ausgesetzt ist. Der bei der hohen Temperatur in einem engen Raum betriebene Riemen wird auch dann keine zufriedenstellende Lebensdauer erreichen, wenn die Richtvorgaben des Herstellers eingehalten wurden.
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Erst indem in erfindungsgemäßer Weise die Umgebungsbedingungen bei der Auswahl des geeigneten Riemens berücksichtigt werden, lässt sich ein auch bei hohen Temperaturen und engen Raumverhältnissen zuverlässig funktionierender Antriebsriemen bestimmen.
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BEZUGSZEICHEN
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- L1, L2
- Linearantriebseinheiten
- M
- Antriebsscheibe
- R
- Riemen
- S
- Schlitten
- U
- Umlenkscheibe
- Q
- Omega-Antrieb (4)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6264577 B1 [0027]
- DE 102010002551 A1 [0027]
- JP 2009-007078 A [0027]
- DE 4444263 C1 [0027]
- US 5843258 A [0027]
- AU 2009203049 A1 [0027]
- DE 102015107177 [0051]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „Maschinenelemente 2, Prof. Schlecht”, Addison-Wesley Verlag; Auflage: 2. (1. November 2009), ISBN-13: 978-3827371461 [0004]
- „Maschinenelemente, Roloff/Matek” Springer Vieweg; Auflage: 21., vollst. überarb. Aufl. 2013 (9. August 2013), ISBN-13: 978-3658023263 [0004]
- VDI-Richtlinie 2758 ”Riemengetriebe” aus Juni 1993 [0005]
- Richtlinie VDI 2758 [0011]
