Représentation réaliste du comportement de la rigidité des roulements

La qualité ? Nous avons ça en stock !

Le constructeur de machines KAPP NILES de Cobourg est leader mondial de la fourniture de systèmes pour l'usinage de roues dentées, d'arbres de transmission et de rotors à vis. Pour atteindre ses exigences de qualité, la société a développé son propre logiciel de calcul des roulements afin d'analyser et d'optimiser le comportement dynamique des broches et des axes. Depuis, l'extension Ansys "Rolling Bearing inside Ansys", développée par CADFEM, a été introduite apportant des avantages considérables.

Une précision de fabrication exceptionnelle

Les rectifieuses de l'entreprise familiale KAPP NILES sont utilisées dans de nombreuses industries. Il s'agit notamment d'entreprises de construction automobile, mais aussi d'entreprises des secteurs de l'énergie, comme l'énergie éolienne, ainsi que de la technique d'entraînement et de la robotique. Ces entreprises sont convaincues du niveau exceptionnel de fabrication des machines et des outils. Les pièces à usiner sont tout aussi diverses que les clients de KAPP NILES. Que le diamètre soit de huit mètres ou de quelques millimètres, ces rectifieuses garantissent une précision maximale - au millième de millimètre près.

Chaque solution système est optimisée individuellement en fonction des besoins du client et est soutenue tout au long de son cycle de vie. Dans ce processus, la gamme complète de produits est complétée par une technologie de mesure de haute précision pour garantir la qualité requise. En outre, KAPP NILES soutient des processus de production efficaces et stables avec des services innovants et des solutions numériques.

Logiciel développé en interne, pour les roulements

Pour la conception des machines KAPP NILES de haute qualité, une simple cartographie des roulements via les joints avec définition des raideurs des roulements n'est pas suffisante. En effet, elle ne permet pas une représentation suffisamment précise du comportement de rigidité d'un ensemble pour différents points de fonctionnement et conditions d'installation. Par conséquent, l'entreprise a développé son propre logiciel pour le calcul des roulements, pour notamment assurer une représentation réaliste du comportement dynamique des broches et des axes en modélisant précisément les roulements.

Pièces fabriquées avec des machines KAPP-NILES — Sélection de pièces fabriquées avec des machines KAPP-NILES

Les étapes requises pour le calcul ont été décrites par Andreas Wellein dans son travail de diplôme de 2012, ce qui donne une idée de l'ampleur des efforts et des mesures nécessaires. Elles comprenaient la détermination de la géométrie du roulement, la préparation du modèle, les règles de maillage, l'implémentation de la théorie hertzienne dans les éléments de ressort et la linéarisation pour les analyses modales.

Bien qu'une connaissance approfondie d'APDL (Ansys Parametric Design Language) ait été nécessaire pour mettre en œuvre la programmation du logiciel, l'effort en valait la peine. Les processus automatisés de transposition de la cinématique réelle du roulement en modèles de calcul simplifiés ont permis d'obtenir les avantages escomptés. "De cette manière, nous avons réalisé des économies importantes en termes de temps de calcul et de configuration du modèle", souligne Andreas Wellein.

Entretien approfondi et développement ultérieur

Dans le même temps, il a fallu tenir compte d'une grande variété d'aspects dans l'application, la maintenance et le développement du logiciel au cours des dernières années, ce qui a entraîné une charge de travail permanente qu'il ne faut pas sous-estimer. Il s'agissait notamment de :

les adaptations à d'autres types de roulements,
l'acquisition des données du roulement (telles que le nombre de billes, le diamètre des billes, l'oscillation),
l'adaptation de la macro lors d'un changement de version du logiciel Ansys, et
la couverture de toute la gamme de tailles, des très petits aux très grands roulements.

De même, le désir d'automatiser davantage les processus a demandé beaucoup d'efforts.

L'extension Ansys de CADFEM convainc

Étant donné qu'aucune interface utilisateur distincte n'a été conçue pour l'application logicielle développée en interne, une bonne connaissance pratique du processus et de la mise en œuvre de la programmation de la macro est absolument nécessaire pour son utilisation. Cela a fortement limité l'éventail des utilisateurs. Cet ensemble d'aspects, qui doivent être pris en compte dans l'utilisation et la maintenance du logiciel, a conduit les spécialistes du calcul de KAPP NILES à s'intéresser de plus près à l'extension Ansys "Rolling Bearing inside Ansys", introduite par CADFEM en 2020. Jusque-là, aucune solution logicielle comparable n'était disponible sur le marché.

Fonctionnement et structure des roulements — Fonctionnement et structure du logiciel "Rolling Bearing inside Ansys" de CADFEM

Logiciel avec des fonctions complètes

"Les critères décisifs en faveur de la solution de CADFEM étaient, entre autres, le degré plus élevé de représentation tout en réduisant volume de préparation du modèle et en bénéficiant des gains de temps associés", rapporte Andreas Wellein. "Nous avons également été convaincus par les fonctions plus complètes d'évaluation et de contrôle de plausibilité. Et, bien sûr, le fait que nous n'ayons plus à nous soucier d'un développement constant, puisque celui-ci est pris en charge par CADFEM et Meshparts GmbH."

Influence de la précharge du roulement — Exemple d'influence de la précharge du roulement sur le comportement dynamique

Les ingénieurs de KAPP NILES sont également très satisfaits de la formation et du support de CADFEM. Les explications sur le fonctionnement du logiciel et le comportement attendu des modèles ont été expliquées de manière suffisamment approfondie et très facile à comprendre tout au long du processus. "En raison de nos connaissances antérieures et de notre expérience avec notre propre macro, il nous manquait initialement un peu de compréhension du fonctionnement du logiciel," explique Nico Schilling, également ingénieur informaticien chez KAPP NILES. Mais nous avons constaté que le flux de force et les propriétés de déformation sont représentés très précisément avec "Rolling Bearing inside Ansys". Cela a également été démontré par des mesures comparatives dans nos installations d'essai."

Nico Schilling
Berechnungsingenieur, KAPP NILES GmbH & Co. KG
En utilisant "Rolling Bearing inside Ansys", nous constatons un gain de temps d'environ 50 % par rapport à notre solution de simulation précédente. En outre, les calculs pour plusieurs points de fonctionnement, ainsi que l'exécution d'études de paramètres, sont maintenant effectués avec facilité.

Contrôle de qualité avec les analyses de réponse en fréquence

Chez KAPP NILES, des analyses de la fonction de réponse en fréquence (FRF) sont effectuées sur des assemblages individuels spécifiques à des fins de contrôle de la qualité. L'objectif est de pouvoir fabriquer des assemblages de qualité constante en termes de comportement statique et dynamique. Afin d'assurer un haut niveau de reproductibilité et de variabilité des ensembles fabriqués par KAPP NILES, les influences des tolérances de montage et des forces de précharge des roulements sont examinées au moyen d'une simulation FEM pendant la phase de conception et des spécifications de tolérance étroites correspondantes en sont dérivées.

Afin de valider la nouvelle solution de simulation "Rolling Bearing inside Ansys", des mesures ont été effectuées sur le banc d'essai ainsi que des simulations basées sur une application réelle. Les mesures de FRF et les résultats des analyses harmoniques dans Ansys en utilisant "Rolling Bearing inside Ansys" et l'ancienne "KAPP NILES Macro" ont été utilisés pour la comparaison. Ici, pour simplifier, le recouvrement radial minimal et maximal du roulement entre la bague intérieure/arbre et la bague extérieure/boîtier a été modifié et 20 mesures de FRF ont été comparées. Dans chaque cas, l'excitation et la réponse étaient dans la direction radiale sur le montage de mesure. Les calculs avec "Rolling Bearing inside Ansys" ont fourni une plage de dispersion de la résonance de flexion min/max de 25 Hz et étaient en accord avec les 20 mesures de FRF. De plus, les résultats du nouveau logiciel fourni par CADFEM ont montré un correspondance plus grande, avec les valeurs mesurées lors des essais, que les résultats déjà considérés comme bons, du "KAPP NILES macro" qui est maintenant remplacé. "Rolling Bearing inside Ansys" est donc devenu une partie intégrante de la conception d'assemblages individuels ainsi que de machines complètes chez KAPP NILES.

Comparaison des réponses en fréquence mesurées et simulées

Environ 50 % de gain de temps

Grâce à la détermination exacte du point de fonctionnement dans l'analyse statique, les rigidités correctes du roulement peuvent également être déterminées automatiquement pour la dynamique. La prise en compte des influences de la précharge du roulement et des tolérances d'installation augmente considérablement la précision de la simulation. L'utilisation de Rolling Bearing dans Ansys permet également une analyse détaillée du comportement thermique. "Le comportement du roulement peut maintenant être représenté avec une plus grande précision, et la création de la géométrie et l'introduction des raideurs correctes du roulement ne prennent pas autant de temps", se réjouit Andreas Wellein. "Le gain de temps est d'environ 50 % et le calcul de plusieurs points de fonctionnement, ainsi que la réalisation d'études de paramètres, se font désormais facilement."

Un souhait des ingénieurs de KAPP NILES serait de couvrir les composants communs dans le futur - tels que les vis à billes et les guides linéaires - avec des progiciels comparables. Cela permettrait d'utiliser les modèles développés et testés par Meshparts GmbH pour ces composants dans l'environnement habituel d'Ansys. Une base de données de roulements complète avec les roulements des différents fabricants de roulements figure également sur la liste des souhaits des ingénieurs. Mais dans l'ensemble, ils sont déjà très satisfaits de la solution actuelle. En effet, le temps passé à la maintenance et au développement de leur propre logiciel est disproportionné par rapport au coût du logiciel "Rolling Bearing inside Ansys" proposé par CADFEM.