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Virtueller Prüfstand von SKF: SimPro Quick zur schnellen Bewertung von Wälzlagerungen

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Abb. 1: Mit SKF SimPro Quick lässt sich die Leistung von Lageranordnungen auf Grundlage ihrer jeweiligen Anwendungsanforderungen und Betriebsbedingungen sehr schnell untersuchen.
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Abb. 2: Ein Schraubenkompressor mit Getriebe.
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Abb. 3: Konstruktion einer Welle.
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Abb. 4: Lagerverbindung zu Welle und Gehäuse.
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Abb. 5: Leistungsaufnahme.
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Abb. 6: Auswahl der Schmierung.
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Abb. 7: Lastzyklusanalysetabelle mit verschiedenen Betriebsbedingungen.
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Abb. 8: Tabellen mit Warnhinweisen für Betriebsbedingungen außerhalb der Konstruktionsempfehlungen.

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Abb. 9: Polardiagramm zur Darstellung von Lastkonzentration und -größe.
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Abb. 10: Wellendurchbiegungs-Diagramm.
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Abb. 11: Animierte Ansicht der Spannungen in den Wälzkörpern (vor der Simulation von Durchbiegungen).

2019 Dezember 03, 10:00 CET

Mit SimPro Quick stellt SKF den Konstrukteuren eine intuitiv bedienbare Lager-Analysesoftware mit erweiterten Funktionen zur Verfügung.

Schweinfurt, den 03. Dezember 2019

SKF SimPro Quick (Abb. 1) ist eine Einwellen-Lagersimulationssoftware, mit der sich die Leistung von Lageranordnungen auf Grundlage ihrer jeweiligen Anwendungsanforderungen und Betriebsbedingungen sehr schnell untersuchen lässt. Das Tool zielt darauf ab, mehr SKF Ingenieurswissen leichter verfügbar zu machen, um die Konstrukteure in die Lage zu versetzen, ihre Designprozesse zu beschleunigen und die Lagerauswahl zu optimieren.

Präzise Daten auf benutzerfreundlicher Oberfläche
Zu diesem Zweck stecken in SKF SimPro Quick – neben dem gebündelten Expertenwissen über Wälzlagertechnologie – auch SKFs jahrzehntelange Praxis-Erfahrungen in den verschiedensten Anwendungsbereichen. Alles zusammen hat das Unternehmen nun in eine leistungsstarke Simulationssoftware integriert, die dem Nutzer dank ihrer übersichtlichen und intuitiv zu bedienenden Oberfläche ein optimales Bedienkonzept bietet.

Da die „Quick“-Version auf der gleichen Plattform fußt wie die SKF intern gebräuchliche „High-End“-Variante (SKF SimPro Expert), können sich die Quick-Anwender bei besonders kniffligen Wälzlager-Fragestellungen auch sehr einfach mit den Spezialisten bei SKF austauschen.

Lagerauswahl
Die Software zeichnet sich zudem dadurch aus, dass ihre Anwender auch jederzeit die allerneuesten Lager aus dem jüngsten Wälzlagerkatalog von SKF virtuell testen können. Dabei hat der Nutzer natürlich die Wahl, ob er Lager der SKF Explorer-Leistungsklasse auswählen oder seine Lösung lieber auf Basis von Standard-Lagern entwickeln möchte.

Der Zugriff auf die umfangreiche Lagerdatenbank von SKF bietet dem Kunden zahlreiche Möglichkeiten, eine optimale Wälzlagerung zu konstruieren – von zwei Lagern auf einer Welle bis hin zu beliebig vielen Lagern.

Anwendungsmodellierung und Lagerleistungsanalyse
Es sind nur wenige Schritte erforderlich, um ein komplettes Modell zu erstellen. Als Beispiel dient in diesem Fall eine Vorgelegewelle für einen Schraubenkompressor (Abb. 2). Durch den Betrieb von Schraubenkompressoren mit verschiedenen Leistungsstufen ändert sich die Maschinenleistung. So wirken unterschiedliche Drehzahlen und Drehmomente auf die Kräfte am Zahneingriff ein. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Lagerleistung.

Nachfolgend wird Schritt für Schritt erläutert, wie SKF SimPro Quick die Konstrukteure bei der Optimierung eines Lagerungsentwurfs und bei der Verkürzung der Testzeit unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen unterstützen kann.

Schritt 1: Komponenten 

- Welle 

- Lagerauswahl 

- Zahnräder 

- Federn 

- Zwischenringe 

Der erste Schritt (Abb. 3) besteht darin, ein Berechnungsmodell mit den gängigsten Komponenten zu erstellen – wie Lager, Zahnräder, Federn und Zwischenringe. Sobald die Welle festgelegt ist, können all diese Komponenten einfach per Drag-and-Drop-Funktion zur Welle hinzugefügt werden. In einem sogenannten „Walkthrough“-Verfahren können die Lager anhand des Wellendurchmessers am Lagersitz, des Lagertyps (Rillenkugellager, Schrägkugellager, Zylinderrollenlager, usw.) oder einer eventuell nur teilweise bekannten Lagerbezeichnung ausgewählt werden. Im nächsten Schritt des Walkthroughs wird festgelegt, wie das Lager auf der Welle und im Gehäuse montiert ist (Abb. 4).

Ähnlich gestaltet sich die Vorgehensweise, wenn ein Zahnrad auf die Welle gezogen wird: Hier ist zunächst dessen Bauart festzulegen (Kegelrad, Schrägzylinderrad, Kegelschraubrad, Geradzylinderrad oder Schneckenrad); danach folgt die Zahnradgeometrie. Abschließend gibt der Benutzer die Leistung für das Zahnrad ein: Dies ist ein Faktor, der zusammen mit der Geometrie verwendet wird, um verschiedene Getriebekräfte automatisch abzugleichen. Die Schritte beim Hinzufügen eines Zahnrads sind sehr hilfreich bei der Konstruktion und Analyse von Getriebewellenanwendungen.

Federn bieten die Möglichkeit, Lager gegen einen Untergrund (z. B. das Gehäuse) oder gegen ein anderes Lager vorzuspannen. Diese Funktion ist also nützlich für Anwendungen, bei denen Federn für angestellte Lagerungen verwendet werden, oder um Minimallastanforderungen in Anwendungen wie Pumpen, Kompressoren und Elektromotoren zu erfüllen.

Zwischenringe ermöglichen die Einstellung bestimmter Lagerluftwerte, was für Lageranwendungen in O- oder X-Anordnung nützlich ist.

Schritt 2: Grenzen 

- Drehzahl 

- externe Kräfte (Lasten) 

- Leistung (Getriebe) 

- Momente 

- Schwerkraft 

Im zweiten Schritt werden die anwendbaren Grenzbedingungen festgelegt. Es können dem Modell Wellendrehzahl, Radial- und Axialkräfte, Leistungsaufnahme (Getriebe) (Abb. 5), Momentenbelastungen und Massenkräfte hinzugefügt werden. Ähnlich wie bei den Komponenten werden Kraft, Leistungsaufnahme und Moment per Drag & Drop aufgebracht; die anderen Grenzen werden einfach durch einen Klick auf ein Symbol festgelegt. Alle anwendbaren Grenzen – mit Ausnahme der Massenkräfte – können im Programmteil „Analysis variations“ verändert werden.

Das Verfahren zur Aufbringung der Massenkräfte ermöglicht es dem Benutzer, Anwendungen nicht nur in horizontaler, sondern auch in vertikaler Richtung zu untersuchen.

Schritt 3: Schmierung und Lagerluft 

- Schmierung 

- Passungen und Lagerluft

Im dritten Schritt werden die Schmier- und Einbaubedingungen vorgegeben. SKF SimPro Quick bietet die Möglichkeit, das Schmierverfahren (Fett-, Ölbad- oder Ölpunktschmierung), die Ölviskosität und die Verunreinigungsgrade zu bestimmen (Abb. 6). All diese Schmiereigenschaften beeinflussen die Berechnungsergebnisse, die von der Nachschmierfrist bis hin zur Lagerreibung reichen.

Lagerpassungen, die einen zentralen Teil des Entwurfsprozesses darstellen, sind das letzte auswählbare Kriterium. Die richtige Auswahl der Passungen ist von entscheidender Bedeutung für gute Betriebsbedingungen. Ein Klick auf das entsprechende Symbol öffnet ein Unterfenster, in dem der Benutzer Wellen- und Gehäusepassungen, die anfängliche Lagerluft sowie die Innen- und Außenringtemperaturwerte ändern kann – also Einstellungen, die sich allesamt auf die Betriebslagerluft auswirken.

Die Überprüfung der Lagerluftverminderung ist wichtig bei Anwendungen mit sehr engen Passungen oder bei Anwendungen, bei denen die Innenringtemperaturen deutlich höher sind als die Außenringtemperaturen: Dies sind typische Anwendungsbedingungen, bei denen die anfängliche Lagerluft möglicherweise nicht ausreicht, um die Lagerluftverminderung im Betrieb zu kompensieren (was zu einer Vorspannung führen könnte). Also kann der Benutzer eine andere Lagerluftklasse auswählen, um eine geeignete (Betriebs-)Lagerluft zu erreichen.

Analyse
Nachdem die ersten Schritte durchgeführt sind und das Modell abgeschlossen ist, besteht die Möglichkeit, basierend auf den festgelegten Betriebsgrenzen eine einzelne Datensatzanalyse (Einzelanalyse) oder eine mehrere Bedingungen umfassende Analyse (Lastzyklusanalyse) durchzuführen (Abb. 7). Dabei werden über eine Tabellenschnittstelle mehrere Bedingungen vorgegeben. Hinzu kommt die Option, für jede Variante einen Zeitgewichtsanteil vorzusehen, was bei der Bestimmung der Lagerlebensdauer unter mehreren verschiedenen Betriebsbedingungen nützlich ist.

Ergebnisse und Ausgabeparameter
Die Analysedaten umfassen mehrere Datentabellen und grafische Darstellungen, die es dem Benutzer ermöglichen, eine bevorzugte Berichtsvorlage zu erstellen. Typische Tabellen zeigen beispielsweise Lagerlasten, Betriebslagerluft, Reibung, Schiefstellung, Durchbiegung und die erweiterte SKF Lebensdauer sowie eine modifizierte Lebensdauer nach ISO/TS 16281:2008.

Die nominelle Lebensdauer (L10), die modifizierte nominelle Referenz-Lebensdauer (L10mr) nach ISO/TS 16281:2008 und die erweiterte SKF Lebensdauer sind die bei der Überprüfung der Anwendungen und der Lagerauswahl am häufigsten verwendeten Tabellen. Dies liegt zum Teil daran, dass sich die Industrie nach wie vor hauptsächlich an der nominellen Lebensdauer L10 orientiert, um abzuschätzen, wie lange Lager betrieben werden können.

In der Regel liefern die erweiterten SKF Lebensdauerberechnungen aber deutlich praxisnähere Ergebnisse. Deshalb gehen die Fähigkeiten von SKF SimPro Quick noch einen Schritt weiter: Sie berücksichtigen auch Bedingungen, unter denen Lager womöglich eine geringere Lebensdauer erzielen, als es die berechnete nominelle Lebensdauer L10 andeutet. Eine übermäßige Schiefstellung, unzureichende Belastung, Überlastung oder eine zu hohe Laufgeschwindigkeit sind Warnhinweise, die angezeigt werden, wenn die Betriebsbedingungen gegen eine der empfohlenen Vorgaben verstoßen (Abb. 8). Dadurch wird das Bewusstsein der Benutzer für Bedingungen geschärft, die die Lagergebrauchsdauer dermaßen beeinträchtigen, dass das Lager die nach der klassischen Methode berechnete Lebensdauer L10 gar nicht erreicht.

Weitere Tabellen liefern wichtige Informationen über Nachschmierfristen, Betriebslagerluft, Lagerschadfrequenzen und Getriebekräfte. Visuelle Darstellungen und Animationen ergänzen die Analysedaten: Es gibt Polardiagramme für Berührungswinkel, Kontaktverformungen und -belastungen zur Darstellung der Bedingungen für jeden Wälzkörper des Lagers (Abb. 9). Durch den Vergleich von Polardiagrammen mit Mehrfachdaten untereinander lässt sich beispielsweise ein unzureichender Betriebszustand (wie eine hohe Lastkonzentration oder ein großer Berührungswinkel) feststellen.

Ein Wellendurchbiegungs-Diagramm zeigt die Durchbiegung entlang der Welle unter vorgegebenen Betriebsbedingungen. Von der Durchbiegungskurve können das mögliche Dichtungskontaktspiel, die Wellenbewegung relativ zu den anderen Komponenten (Beispiel: Laufradanordnung zum Gehäuse) und die Biegebeanspruchung der Welle abgeleitet werden (Abb. 10).

Darüber hinaus liefert das Programm dreidimensionale Animationen, mit denen die Rollendruckverteilung im Lager und die Auswirkungen der Randbedingungen auf die Wellen- und Lagerbewegung untersucht werden können (Abb. 11). Dieses Werkzeug haben die SKF Ingenieure und Techniker eingeführt, um die Lagerbelastung und die Wellendurchbiegung sowie die Lagerringe und die Wälzkörper im Verhältnis zueinander besser visualisieren zu können.

SKF SimPro Quick im Simulations-Portfolio
SKF SimPro Quick ist eines von vielen Engineering-Tools, die SKF entwickelt hat, um Konstrukteure und Kunden bei der Auswahl einer optimalen Wälzlagerung zu unterstützen. Jedes dieser Tools verfügt über eine Reihe von Funktionalitäten und Merkmalen, die sich nach der erforderlichen Bewertungsgenauigkeit, der Komplexität der jeweiligen Anwendung sowie deren Betriebsbedingungen richten. Für das allgemeine Wälzlagersortiment von SKF stehen folgende Engineering-Tools zur Verfügung, die von einfachen und schnellen bis hin zu sehr anspruchsvollen und umfassenden Software-Lösungen reichen:
- SKF Bearing Calculator: online, leicht zu bedienendes Tool für die Auswahl und Berechnung von Einzellagern - SKF Bearing Select: online, leicht zu bedienendes Tool für die Auswahl und Berechnung von Lagersätzen - SKF SimPro Quick: schnelle und erweiterte Einwellen-Simulationen - SKF SimPro Spindle: schnelle und erweiterte Spindel-Simulationen - SKF SimPro Expert: Erweiterte und umfangreiche Mehrwellen-Simulationen

Zusammenfassung
SKF SimPro Quick ist eine neue Simulationssoftware von SKF, die Konstrukteure bei der Bewertung und Optimierung von Wälzlagerungen unterstützt. Mit ihrer schrittweisen Bedienerführung und ihren vordefinierten Berichtsvorlagen stellt die Software eine Ergänzung zum „High-End“-Simulationsprogramm SKF SimPro Expert dar. Sie liefert weiterführende Berechnungsergebnisse für Einwellen-Wälzlagerungen, wie beispielsweise Lagerlebensdauer (erweiterte SKF Lebensdauer sowie nach ISO/TS 16281:2008), Kontaktspannungen, Reibung, Frequenzen, Durchbiegung, Nachschmierfristen und Fettgebrauchsdauer.

Mit der Software können Entwicklungsabteilungen die geplanten Wälzlagerungen schnell bewerten und optimieren und die Modelle bei Bedarf auch mit SKF zur weiteren Besprechung austauschen.

Nähere Informationen auch unter https://www.skf.com/de/knowledge-centre/engineering-tools/skfsimpro.html.

*Travis Shive ist Analytical Tools Subject Matter Expert bei SKF in Lansdale, Pennsylvania, USA
Hedzer Tillema ist Engineering Tools Technical Leader bei der SKF BV in Houten, Niederlande

Pressekontakt:
Dietmar Seidel, Leiter Technische Fachpresse Deutschland, Tel.: +49 (0)9721 / 56 - 28 43,
E-Mail: dietmar.seidel@skf.com

SKF strebt danach, unangefochtener Marktführer im Wälzlagergeschäft zu sein. Die Unternehmensgruppe bietet Lösungen rund um rotative Systeme – einschließlich Wälzlagern, Dichtungen, Schmiersystemen sowie Zustandsüberwachungs- und Instandhaltungsservices. SKF ist in mehr als 130 Ländern präsent und kooperiert weltweit mit rund 17.000 Vertriebspartnern. Im Jahr 2018 erwirtschaftete die Unternehmensgruppe einen Umsatz in Höhe von ca. 8,1 Mrd. Euro und beschäftigte 44.428 Mitarbeiter. www.skf.com
In Deutschland zählt SKF rund 6.600 Beschäftigte. Davon arbeiten ca. 4.100 in Schweinfurt, Hauptsitz der SKF GmbH und größter Produktionsstandort der Gruppe. www.skf.de
®SKF ist eine eingetragene Marke der SKF Gruppe.
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