Realitätsnahe Abbildung des Steifigkeitsverhaltens von Wälzlagern

Qualität? Haben wir auf Lager!

Der Maschinenbauer KAPP NILES aus Coburg spielt als Systemlieferant für die Bearbeitung von Zahnrädern, Getriebewellen und Schraubenrotoren weltweit eine führende Rolle. Zur Absicherung seiner Qualitätsansprüche wurde eine eigene Software zur Berechnung von Wälzlagern entwickelt, damit das dynamische Verhalten von Spindeln und Achsen analysiert und optimiert werden kann. Nun wurde die von CADFEM entwickelte Ansys Extension „Rolling Bearing inside Ansys“ eingeführt, die erhebliche Vorteile bringt.

Herausragende Fertigungspräzision

Die Schleifmaschinen des Familienunternehmens KAPP NILES sind in vielen Branchen zu finden. Dazu gehören Unternehmen der Fahrzeugtechnik genauso wie Firmen aus den Bereichen Energie und Windkraft sowie Antriebstechnik und Robotik, die von der herausragenden Fertigungspräzision der Maschinen und Werkzeuge überzeugt sind. Und die zu bearbeitenden Werkstücke sind genauso vielfältig wie die KAPP NILES-Kunden, egal ob der Durchmesser acht Meter oder nur wenige Millimeter umfasst: die Schleifmaschinen garantieren höchste Genauigkeiten – bis zu einem tausendstel Millimeter.

Jede Systemlösung wird individuell den Kundenanforderungen entsprechend optimiert und über den gesamten Lebenszyklus hinweg betreut. Dabei wird das umfassende Produktportfolio zur Sicherung der geforderten Qualität durch hochgenaue Messtechnik ergänzt. Außerdem unterstützt KAPP NILES die effizienten und stabilen Produktionsabläufe mit innovativen Dienstleistungen und digitalen Lösungen.

Software für Wälzlager selbst entwickelt

Für die Auslegung der hochwertigen KAPP NILES-Maschinen reicht eine einfache Abbildung der Lager über Gelenke (Joints) mit Definition der Lagersteifigkeiten nicht aus. Denn damit lässt sich das Steifigkeitsverhalten einer Baugruppe für verschiedene Betriebspunkte und Einbaubedingungen nicht genau genug abbilden. Folglich wurde eine eigene Software zur Berechnung von Wälzlagern entwickelt, um insbesondere eine realitätsnahe Abbildung des dynamischen Verhaltens von Spindeln und Achsen durch eine genaue Modellierung der Lager zu gewährleisten.

Mit KAPP-NILES-Maschinen gefertigte Werkstücke — Auswahl von Werkstücken, die mit KAPP-NILES-Maschinen gefertigt wurden

Die für die Berechnung notwendigen Arbeitsschritte wurden von Andreas Wellein im Jahr 2012 in seiner Diplomarbeit dargelegt, was den Umfang des Aufwands und der notwendigen Maßnahmen erahnen lässt. Dazu gehörten das Ermitteln der Lagergeometrie, die Modellaufbereitung, Vernetzungsregeln, die Implementierung der Hertzschen Theorie in Federelementen sowie die Linearisierung für Modalanalysen.

Um die Programmierung der Software realisieren zu können, waren zwar vertiefte Kenntnisse in APDL (Ansys Parametric Design Language) notwendig, aber der Aufwand lohnte sich: Automatisierte Abläufe zur Abbildung der realen Lagerkinematik in vereinfachten Rechenmodellen führten zu den erwarteten Vorteilen. „So erzielten wir deutliche Ersparnisse in Bezug auf Rechenzeit und Modellaufbau“, betont Andreas Wellein.

Aufwendige Pflege und Weiterentwicklung

Gleichzeitig waren in den letzten Jahren aber auch vielfältige Aspekte bei der Anwendung, Pflege und Weiterentwicklung der Software zu berücksichtigen, was zu einem permanenten, nicht zu unterschätzenden Arbeitsaufwand führte. Dazu gehörten:

die Anpassungen auf andere Lagertypen,
die Beschaffung von Lagerdaten (wie Kugelanzahl, Kugeldurchmesser, Schmiegung),
die Anpassung des Makros beim Versionswechsel der Ansys-Software und
die Abdeckung des gesamten Größenbereichs von sehr kleinen bis zu sehr großen Lagern.

Ebenso war der Wunsch, die Abläufe weiter zu automatisieren, mit hohem Aufwand verbunden.

Ansys Extention von CADFEM überzeugt

Da für die selbsterstellte Software-Anwendung keine eigene Benutzeroberfläche gestaltet wurde, ist für deren Handhabung eine gute Kenntnis über den Ablauf und die programmtechnische Umsetzung des Makros zwingend notwendig. Das schränkte den Nutzerkreis stark ein. Diese Gesamtheit der Aspekte, die bei der Nutzung und Pflege der Software zu berücksichtigen sind, führte dazu, dass sich die Berechnungsspezialisten von KAPP NILES die von CADFEM im Jahr 2020 vorgestellte Ansys Extension „Rolling Bearing inside Ansys“ näher anschauten. Bis zu dem Zeitpunkt war keine vergleichbare Softwarelösung am Markt verfügbar.

Arbeitsweise und Aufbau von Rolling Bearing — Arbeitsweise und Aufbau der Software „Rolling Bearing inside Ansys” von CADFEM

Software mit umfassenderen Funktionen

„Ausschlaggebende Kriterien für die Entscheidung zugunsten der Lösung von CADFEM waren unter anderem der höhere Abbildungsgrad bei gleichzeitig geringerem Modellaufbereitungsaufwand und der damit verbundenen Zeitersparnisse“, berichtet Andreas Wellein. „Aber auch die umfassenderen Funktionen zur Auswertung und Plausibilitätsprüfung haben uns überzeugt. Und natürlich, dass wir uns nicht mehr um die ständige Weiterentwicklung kümmern müssen, sondern dass dies von CADFEM und dem Unternehmen Meshparts übernommen wird.“

Exemplarischer Einfluss der Lagervorspannung auf das dynamische Verhalten

Auch mit der Schulung und dem Support von CADFEM sind die KAPP NILES-Ingenieure sehr zufrieden. Die Erläuterungen zur Funktionsweise der Software und dem zu erwartenden Verhalten der Modelle waren durchgängig sehr gut verständlich und wurden auch in ausreichender Tiefe erklärt. „Durch unsere Vorkenntnisse und die Erfahrungen mit unserem eigenen Makro vermissten wir zunächst ein wenig den Einblick in die Funktionsweise der Software“, erklärt Nico Schilling, ebenfalls Berechnungsingenieur bei KAPP NILES. „Aber wir stellten fest, dass der Kraftfluss und das Verformungsverhalten mit ‚Rolling Bearing inside Ansys‘ sehr genau abgebildet wird. Das haben auch vergleichende Messungen in unseren Versuchsaufbauten gezeigt.“

Nico Schilling
Berechnungsingenieur, KAPP NILES GmbH & Co. KG
Durch den Einsatz von "Rolling Bearing inside Ansys" erreichen wir eine Zeitersparnis von etwa 50 Prozent gegenüber unserer bisherigen Simulationslösung. Auch die Berechnungen für mehrere Betriebspunkte sowie die Durchführung von Parameterstudien sind jetzt einfach möglich.

Qualitätsprüfung mit Frequenzgang-Analysen

Zur Qualitätsprüfung werden bei KAPP NILES Frequenzgang-Analysen (Frequency Response Function – FRF) an bestimmten Einzelbaugruppen durchgeführt. Ziel ist es, Baugruppen in gleichbleibender Güte in Bezug sowohl auf das statische als auch das dynamische Verhalten fertigen zu können. Um den hohen Anspruch an Reproduzierbarkeit und Streuung, der von KAPP NILES gefertigten Baugruppen zu gewährleisten, werden bereits während der Auslegung die Einflüsse von Einbautoleranzen beziehungsweise Vorspannkräften der Lager mittels FEM-Simulation untersucht und entsprechend enge Toleranzvorgaben abgeleitet.

Zur Validierung der neu eingeführten Simulationslösung „Rolling Bearing inside Ansys“ wurden, basierend auf einer realen Anwendung, Messungen am Prüfstand sowie Simulationen durchgeführt. Zum Vergleich dienen die FRF-Messungen sowie jeweils die Ergebnisse von harmonischen Analysen in Ansys unter Anwendung von „Rolling Bearing inside Ansys“ und dem bisherigen „KAPP NILES Makro“. Hierbei wurde zur Vereinfachung die minimale und maximale radiale Lagerüberdeckung zwischen Innenring/Welle und Außenring/Gehäuse variiert und 20 FRF-Messungen gegenübergestellt. Die Anregung und Antwort lag jeweils in Radialrichtung am Messaufbau. Die Berechnungen mit „Rolling Bearing inside Ansys“ lieferten einen Streubereich der min/max-Biegeresonanz von 25 Hz und stimmen mit den 20 FRF-Messungen sehr gut überein. Zudem zeigten die Ergebnisse der neuen Software von CADFEM eine noch bessere Übereinstimmung mit den Messwerten der Versuche als die ohnehin schon guten Ergebnisse des nun abgelösten „KAPP NILES Makros“. Somit wurde „Rolling Bearing inside Ansys“ ein fester Bestandteil bei der Auslegung von Einzelbaugruppen und Gesamtmaschinen bei KAPP NILES.

Gegenüberstellung der Frequenzgänge — Gegenüberstellung der gemessenen und simulierten Frequenzgänge

Etwa 50 Prozent Zeitersparnis

Durch die genaue Ermittlung des Betriebspunktes in der statischen Analyse können auch für die Dynamik die korrekten Lagersteifigkeiten automatisiert ermittelt werden. Die Berücksichtigung der Einflüsse von Lagervorspannung und Einbautoleranzen steigern die Genauigkeit der Simulation deutlich. Die Verwendung von Rolling Bearing inside Ansys lässt nun auch eine detailliertere Analyse des Temperaturverhaltens zu. „Auf jeden Fall lässt sich das Lagerverhalten jetzt besser abbilden und wir haben bei der Geometrieerstellung und Einbringung der korrekten Lagersteifigkeiten wesentlich weniger Aufwand“, freut sich Andreas Wellein. „Die Zeitersparnis liegt bei etwa 50 Prozent und auch die Berechnungen für mehrere Betriebspunkte sowie die Durchführung von Parameterstudien sind jetzt einfach möglich.“

Ein Zukunftswunsch der KAPP NILES-Ingenieure wäre eine Abdeckung der gängigen Bauelemente – wie Kugelgewindetriebe und Linearführungen – mit vergleichbaren Softwarepaketen. Dies würde die Nutzung der von Meshparts entwickelten und erprobten Modelle für diese Bauelemente in der gewohnten Ansys-Umgebung ermöglichen. Auch eine umfangreiche Lager-Datenbank mit den Wälzlagern der verschiedenen Lagerhersteller steht auf der Wunschliste der Ingenieure. Aber insgesamt sind sie mit der heutigen Lösung schon sehr zufrieden. Denn der früher erforderliche zeitliche Aufwand für die Wartung und Weiterentwicklung der eigenen Software steht in keinem Verhältnis zu den Kosten für die von CADFEM angebotene Software „Rolling Bearing inside Ansys“.