Handbuch der Getriebemotoren [1. Aufl.] 978-3-540-60977-3;978-3-642-60398-3

Table of contents :
Front Matter ....Pages I-XXVII
Front Matter ....Pages 1-1
Einleitung (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 3-17
Front Matter ....Pages 19-19
Dynamik fester Körper (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 21-47
Festigkeit von Werkstoffen (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 48-57
Front Matter ....Pages 59-59
Spannungen, Belastungen und Werkstoffe (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 61-74
Geometrie der Zahnräder (Bofiglioli Riduttori)....Pages 75-91
Mechanische Zahnräder (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 92-144
Abmessung der Zahnräder (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 145-166
Berechnung der Zahnräder (Bofiglioli Riduttori)....Pages 167-206
Wellen (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 207-233
Verbindungen Welle-Nabe und Nabe-Welle (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 234-253
Lager (Bofigloili Riduttori)....Pages 254-273
Schmierstoffe und Schmierung (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 274-285
Gehäuse (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 286-297
Standardzahnradgetriebe (Bofigliole Riduttori)....Pages 298-304
Vibrationen und Geräusche (Bofigliole Riduttori)....Pages 305-316
Thermische Leistung der Zahnräder (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 317-329
Die Herstellung von Untersetzungsgetrieben (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 330-351
Anwendungen (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 352-364
Front Matter ....Pages 375-375
Elektrische Maschinen — Vorschriften und Begriffe (Bofiglioli Riduttori)....Pages 377-401
Elektrische Motoren (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 402-412
Gleichstrommaschine (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 413-431
Stellglieder und Regelung für die Gleichstrommaschine (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 432-470
Drehfeldmaschinen — Signalflußpläne (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 471-497
Synchronmaschine (Bofiglioli Riduttori)....Pages 498-510
Umrichterantriebe (Bofiglioli Riduttori)....Pages 511-535
Grundsätzliche Überlegungen zur Regelung von Drehfeldmaschinen (Bofiglioli Riduttori)....Pages 536-545
PM-Drehfeldmaschinen-Antriebe (Bofiglioli Riduttori)....Pages 546-550
Front Matter ....Pages 551-551
Überblick über Total Quality Management (Bofigliole Riduttori)....Pages 553-567
Der QC-Gesichtspunkt (Bofiglioli Riduttori)....Pages 568-578
Qualitätssicherung (Bonfiglioli Riduttori)....Pages 579-586
Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle (Bofiglioli Riduttori)....Pages 587-606
Back Matter ....Pages 607-611

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Bonfiglioli Riduttori S.p.A. (Hrsg.)

Gruppo Bonfiglioli

Springer- Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Paris Santa Clara Singapur Tokio

Bonfiglioli Riduttori S.p.A. (Hrsg.)

Handbuch der Getriebemotoren Mit Beiträgen von D. W. Dudley, J. Sprengers, D. Schröder, H. Yamashina

Mit 325 Abbildungen

Springer

Bofiglioli Riduttori S.p.A. (Hrsg.) Via Giovanni XXIII, 7/A Lippo di Calderara di Reno, Bologna / Italien

Darle W. Dudley

Prof Hon.-Eng. Jaques Sprengers

17777 Camino Murrillo, San Diego, CA 92128, USA

Rue E. Mahaim 98, B - 4100 Seraing, Belgien

Prof Dierk Schröder

Prof Hajime Yamashina

Technische Universität München, Lehrstuhl f. Elektrische Antriebstechnik Arcisstraße 21 D - 80333 München, FRG

Uji-Shi, Nanryo-Cho, 5 Chome 7 Kyoto, Japan

ISBN 978-3-642-64389-7

DOI 10.1007/978-3-642-60398-3

ISBN 978-3-642-60398-3 (eBook)

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Handbuch der Getriebemotoren 1 Bonfiglioli Riduttori S.p.A. (Hrsg.) Mit Beitr. von D. W. Dudley ... - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London; Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer, 1997

NE: Dudley, Darle W.; Bonfiglioli Riduttori SpA (Bologna) Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997 Softcover reprint of the hardcover Ist edition 1997 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Reproduktionsfertige Vorlagen vom Autor SPIN: 10495671 62/3020 - 543210 - Gedruckt auf säurefreiem Papier

Darle W. Dudley, Leiter der Getriebetechnologie Entwicklung bei der Dudley Technical Group, lnc.; Ehrenmitglied der AGMA

Jacques Sprengers, Präsident des ISOffC60; Chevalier de I'Ordre de Leopold II, lnsigne d'argent de Laureat du Travail

Prof. Dr.-lng. Dr-Ing. h.c. Dierk Schröder, Lehrstuhl für Energietechnik und Elektrische Antriebstechnik, Technische Universität München

Prof. Hajime Yamashina, Lehrstuhl für Produktionstechnik am Institut für Prazisionstechnik, Universität Kyoto, und Honorarprofessor an der London Business School

Vorwort

In den letzten Jahren hat unser Unternehmen eine Phase konstanten Wachstums und stetiger Weiterentwicklung durchlebt, und Forschung und Entwicklung haben immer größere Bedeutung gewonnen. Dadurch ist es uns gelungen, einen Spitzenplatz in einem Wirtschaftszweig einzunehmen, in dem Innovation ein wesentlicher Faktor ist. Die Entscheidung, dieses Buch herauszugeben, steht daher im Einklang mit unserer Unternehmensphilosophie und ist als Anerkennung gedacht fiir das Können und das Engagement aller Mitarbeiter in der Bonfiglioli-Gruppe für den gemeinsamen Erfolg. Mit diesem Buch möchte die Bonfiglioli Riduttori S.p.A. einen sichtbaren Beitrag zur Forschung und Entwicklung in der Antriebstechnik leisten. Das Buch wendet sich an alle, die sich mit den technischen Aspekten elektrischer Antriebe beschäftigen, sei es im Studium oder als Ingenieur in der Praxis. Es war klar, daß ein solches Projekt nur mit der Unterstützung anerkannter Fachleute gelingen konnte, und so waren wir froh, daß wir in den Professoren Darle W. Dudley, Jaques Sprengers, Dierk Sehröder und Hajime Yamashina anerkannte Spezialisten auf ihren Gebieten zur Mitarbeit gewinnen konnten. Es war ein hartes Stück Arbeit, aber wir sind davon überzeugt, daß die Anerkennung unserer Leser uns für die Mühe entschädigt. Clementino Bonfiglioli

Inhaltsverzeichnis

Teil I Darle W. Dudley

1 Einleitung ... ........ .. .. .. .. .. .. .. .. ....... .. .. ... .. ..... .. ..... .. .. ... .. .. .. .. .. .. ......... .. ... .. .... .. .. .

3

1.1 Geschichte der Verzahnungen............................................................... 1.2 Entwicklung von Verzahnungen ... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. ........ .... .. .. .. .. . 1.3 Entwicklung von Organisationen für die Zahnradherstellung ............... 1.4 Entwicklungen bei Bonfiglioli Riduttori. .. ... .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. 1.5 Aufbau dieses Handbuchs ..... .. .. ..... .. ... .. ... .. .. ..... .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. ..

3 7 7 8 11

Teil II Jacques Sprengers 1

Dynamik fester Körper ... ..... .. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... .. .. .. .. . ...... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .......

21

1.1 Einleitung.............................................................................................. 1.2 Schwerpunkt fester Körper.................................................................... 1.3 Bewegungen von Festkörpern............................................................... 1.4 Geradlinige fortschreitende Bewegung .... .. .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .... .... .. .. .. .. .. .. .. 1.5 Kreisbewegung...................................................................................... 1.6 Mechanische Energie, Arbeit und Leistung .. ..... .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .... . 1.6.1 Einleitung ... .. .. .. .. .. .. ..... .. .. ... .. ..... .. ..... .. ..... .. .. .. .. .. .... .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. . 1.6.2 Die potentielle Energie ................................................................ 1.6.3 Kinematische Energie................................................................... 1.6.4 Arbeit bei der gleichförmigen geradlinigen Bewegung ... ...... .. .. .. . 1.6.5 Arbeit bei der gleichförmigen Kreisbewegung............................. 1.6.6 Leistung bei einer gleichförmigen geradlinigen Bewegung.......... 1.6.7 Leistung der Kreisbewegung........................................................ 1.7 Trägheit.................................................................................................

21 21 23 23 23 23 23 24 24 26 26 26 27 28

X

Inhaltsverzeichnis 1.7.1 Einleitung..................................................................................... 1.7 .2 Trägheit von Festkörpern während einer Schubbewegung ........... 1.7.3 Das Läufergleichgewicht Umwuchten bei einem rotierenden Körper.......................................................................................... 1.7.4 Trägheit in der Beschleunigten Kreisbewegung. Massenträgheitsmomente....................................................................................... 1.8 Gleitreibung.......................................................................................... 1.8.1 Grundgleichung ............................................................................ 1.8.2 Winkelwert der Reibungszahl....................................................... 1.8.3 Die Keilwirkung ........................................................................... 1.8.4 Reibung einer Rolle auf ihren Achsen.......................................... 1.8.5 Reibung zwischen einem Riemen und seiner Scheibe.................. 1.8.6 Haftreibungskraft ............................ ;............................................. 1.8.7 Reibung auf Scheiben................................................................... 1.8.8 Einige Gleitwerte.......................................................................... 1.9 Rollwiderstand oder Wälzreibung......................................................... 1.10 Notwendiges Drehmoment für eine Translationsrolle......................... 1.11 Das Anlaufdrehmoment ......................................................... ............. 1.12 Kinematische Kette............................................................................. 1.12.1 Definition................................................................................... 1.12.2 Drehmomente............................................................................. 1.12.3 Trägheitsmomente...................................................................... 1.12.4 Elastische Konstanten der Achsen.............................................. 1.12.5 Anbringen eines Laufkrans an einer Hebewinde........................

28 28 30 31 34 34 34 35 37 38 40 41 42 43 44 44 45 45 45 46 46 47

2 Festigkeit von Werkstoffen........................................................................

48

2.1 Zug-Einfacher Druck............................................................................. 2.2 Scherung ........................................................... .................................... 2.3 Reine Biegung....................................................................................... 2.3.1 Flachbiegung ................................................................................ 2.3.2 Abgelenkte Biegung..................................................................... 2.4 Torsion.................................................................................................. 2.5 Durchbiegung bei Spitzenlast................................................................ 2.6 Zusammensetzung einfacher Beanspruchungen....................................

48 49 50 50 52 53 54 56

Teil 111 Jacques Sprengers 1 Spannungen, Belastungen und Werkstoffe................................................

61

1.1 Einleitung.............................................................................................. 1.2 Spannungen...........................................................................................

61 61

Inhaltsverzeichnis

XI

1.3 Eigenschaften der Werkstoffe .... .. .... ............. ......... ...... ......................... 1.3.1 Zulässige statische Spannung ....................................................... 1.3.2 Ermüdungsgrenze-Widerstandsgrenze ......................................... 1.4 Werkstoffe............................................................................................. 1.4.1 Allgemeines.................................................................................. 1.4.2 Eisenhaltige Materialien............................................................... 1.4.3 Bronzen........................................................................................

62 62 63 69 69 70 74

2 Geometrie der Zahnräder...........................................................................

75

2.1 Allgemeines.......................................................................................... 2.2 Die Evolvente........................................................................................ 2.3 Elementarer geometrischer Kreis - Theorie des Eingriffs ..................... 2.4 Das BezugsprofiL........ ..... .. ... .. .. ..... ..... .. ... .. .. .. ................................. ... .. . 2.5 Geometrisches Rad - Profilverschiebungsfaktor ................................... 2.6 Zahndicke.............................................................................................. 2.7 Einfluß des Profilverschiebungsfaktors. Eingriffsstörungen ................. 2.8 Bezugsachsabstand - Modifizierter Achsabstand.................................. 2.9 Berührungsverhältnis ............................................................................ 2.10 Berechnung eines Winkels beginnend an seiner Evolventen..............

75 76 78 80 81 82 84 86 88 91

3 Mechanische Zahnräder .. .. .. .. ... ... .. .. ... .. ..... ..... .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ... ... .. .. .. .. ...

92

3.1 Allgemeines .......................................................................................... 3.2 Geradstirnräder ..................................................................................... 3.2.1 Bestimmung.................................................................................. 3.2.2 Geometrie..................................................................................... 3.2.3 Standardisierte Basisprofile und Module...................................... 3.2.4 Breite des Zahns........................................................................... 3.2.5 Unterschneidung........................................................................... 3.2.6 Zahndicke ..................................................................................... 3.2.7 Innenverzahnung .......................................................................... 3.3 Radpaare mit parallelen Achsen und mit Geradzähnen ........................ 3.4 Schrägstirnräder. Evolventenschraubenfläche....................................... 3.4 .1 Schrägstirnräder............................................................................ 3.4.2 Stirnradpaare mit Schrägzähnen ................................................... 3.4.3 Gleiten.......................................................................................... 3.4.4 Kräfte............................................................................................ 3.4.5 Eingriffverhältnis - Geschwindigkeitsverhältnis ........................... 3.4.6 Berührungsdruck .......................................................................... 3.4.7 Profilverschiebungsfaktor............................................................. 3.4.8 Radpaare mit Übersetzung ins Langsame- Radpaare mit Übersetzung ins Schnelle.............................................................. 3.4.9 Modifikationen für die Verzahnung............................................. 3.4.10 Mechanische Verluste in den Zahnrädern...................................

92 92 92 92 93 94 94 94 95 96 97 100 105 109 114 117 117 119 119 120 123

XII

Inhaltsverzeichnis 3.5 Kegelradpaare ....................................................................................... 3.5.1 Definition ..................................................................................... 3.5.2 Äquivalente Räder. Trestgold Hypothese..................................... 3.5.3 Konstante Zahnhöhe beim Kegelrad............................................. 3.5.4 Zahnräder mit konstanter Zahnhöhe ............................................. 3.5.5 Kräfte, die auf die Kegelverzahnungen wirken............................. 3.5.6 Abmessungen der Radkörper........................................................ 3.6 Zylinderschneckenrad und Schnecke .................................................... 3.6.1 Definition..................................................................................... 3.6.2 Hauptabmessungen....................................................................... 3.6.3 Leistungsvermögen der Schneckenräder und der Schnecken. Irreversibilität ............................................................................... 3.6.4 Zahnprofile ................................................................................... 3.6.5 Kräfte................................................................................................. 3.7 Einfacher Planeten-Getriebezug............................................................ 3.7.1 Beschreibung................................................................................ 3.7.2 Kinematische Relation.................................................................. 3.7.3 Kräfte............................................................................................ 3.7.4 Vorteile der Planeten-Getriebezüge..............................................

123 123 126 128 129 130 131 134 134 134 137 138 139 141 141 142 143 144

4 Abmessung der Zahnräder .. .. ....... .. .. ..... .. .. .. ..... .. .. .. .. .. .. .. ............ .... .. ..... .. .. . 145

4.1 Abmessung der Zahndicke. .. .. .. ....... .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..... .... ... ... ..... .. .. ... .. 4.1.1 Tangenteam Grundkreis .............................................................. 4.1.2 Messung der Zahndickensehne..................................................... 4.1.3 Messung durch Kugeln und Dome............................................... 4.2 Teilungsabmaß ...................................................................................... 4.3 Profilkontrolle ....................................................................................... 4.4 Neigungskontrolle................................................................................. 4.5 Zusarnrnengesetzte tangentiale Abweichung......................................... 4.6 Zusarnrnengesetzter Radialfehler (Messung auf den zwei Flanken)..... 4.7 Rundlaufabweichung............................................................................. 4.8 Präzision des Zahnradkörpers ............................................................... 4.9 Achsabstandsfehler und Parallelität der Achsen................................... 4.10 Informationen über die Normen.......................................................... 4.11 Verdrehflankenspiel............................................................................ 4.12 Berührungsprüfung .............................................................................

145 145 147 149 150 153 156 157 158 159 159 161 162 163 166

5 Berechnung der Zahnräder ........ .. .. .. ....... ...... .. .. ...... .. .. .... .. .... ......... .. .......... 167

5.1 Betrachtung des Aussehens der Verzahnung nach dem Betrieb............ 5.2 Belastungsvermögen von Zahnrädern mit parallelen Achsen und von Kegelradpaaren ..... ......... .... .. ...... ..... .. .. .. .. .. ............ .... .. .. .. .. .. .. ..... .. ....... .. 5.2.1 Vorbeugung des Pittings (Berührungsdruck)................................ 5.2.2 Wirkende Kraft auf den Zahnkopf................................................

167 168 168 169

Inhaltsverzeichnis 5.3 Standard ISO Norm 6336 (oder DIN 3990)......................................... 5.3.1 Einleitung..................................................................................... 5.3.2 Einflußfaktoren ........................................................................... 5.3.3 Berechnung des Berührungsdrucks .............................................. 5.3.4 Berechnung der Biegung des Zahnfußes ...................................... 5.3.5 Zulässiger Spannungsfaktor.......................................................... 5.4 Norm ISO 10300 (Kegelradpaare)........................................................ 5.4.1 Einleitung..................................................................................... 5.4.2 Einflußfaktoren............................................................................. 5.4.3 Berührungsgebiet.......................................................................... 5.4.4 Berechnung des Berührungsdrucks .............................................. 5.4.5 Berechnung der Biegung auf dem Zahnfuß .................................. 5.4.6 Werkstoffe.................................................................................... 5.5 Berechnung mit einem Belastungsspektrum.......................................... 5.5.1 Vollständige Berechnung............................................................. 5.5.2 Nährungsberechnung .................................................................... 5.6 Berechnung von Schneckenrad und Schnecke..................................... 5.6.1 Allgemeines.................................................................................. 5.6.2 Belastungsvermögen bei Berührungsdruck .................................. 5.6.3 Abnutzungsvermeidung ................................................................ 5.6.4 Zahnbiegung ................................................................................. 5.6.5 Normative Bemerkungen.............................................................. 5.6.6 Reversibilität und Wirkungsgrad..................................................

XIII 172 172 173 180 185 190 191 191 191 193 195 197 199 199 199 200 200 200 201 202 204 204 204

6 Wellen.......................................................................................................... 207

6.1 Bestimmungen und Funktionen............................................................. 6.2 Weilen und Kräfte in den Verzahnungen ... .. .. ... .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 6.3 Untersuchung der theoretischen Spannung ........................................... 6.3.1 Biegung ........................................................................................ 6.3.2 Drehung........................................................................................ 6.3.3 Normale Kraft. .......,...................................................................... 6.3.4 Äußere Druckspannung ................................................................ 6.4 Reale Kräfte (Spannungskonzentrationsfaktor-Formfaktor) ................. 6.5 Zulässige statische Kraft....................................................................... 6.5.1 Statische Bruchkraft während des Zugs ........................................ 6.5.2 Elastische Grenze (Faktor YE) ...................................................... 6.5.3 Zugelassene statische Kraft.......................................................... 6.6 Zulässige Kraft für eine unbegrenzte Dauer.......................................... 6.6.1 Widerstand (Widerstandsfaktor fc).............................................. 6.6.2 Widerstandsverändernde Faktoren............................................... 6.6.3 Zulässige Kraft für eine unendliche Dauer................................... 6.7 Zulässige Kraft (ap)............................................................................... 6.8 Spannungskonzentrationsfaktor (f~, Ya) ...............................................

207 207 208 208 213 213 213 213 214 214 215 215 215 215 216 218 218 219

XIV

Inhaltsverzeichnis

6.8.1 Definition..................................................................................... 6.8.2 Kerbempfindlichkeit..................................................................... 6.8.3 Kerbgradient................................................................................. 6.8.4 Kerbfaktor .................................................................................... 6.8.5 Wert der zulässigen Grenzspannungskonzentration und des Kerbgef:illes .. ... .. .. .... ... .. ......... .... ..... .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. ................ .. .. .. . 6.8.6 Faktor der statischen Spannungskonzentration............................. 6.9 Formfaktor............................................................................................ 6.10 Reale Spannung................................................................................... 6.11 Sicherheitsfaktoren.............................................................................. 6.11.1 Einfache Spannung..................................................................... 6.11.2 Spannung bis zur Bezugsspannung verkleinert........................... 6.11.3 Zusammensetzung der Spannungen mit gleicher Richtung......... 6.11.4 Spannungen mit irgendeiner Richtung........................................ 6.11.5 Durch ein Belastungsspektrum erzeugte Spannungen .. .. .. ... .. .. .. . 6.12 Wichtigkeit der Spannungskonzentration............................................ 6.13 Design einer Welle.............................................................................. 6.14 Wellenverformungen ...........................................................................

219 219 220 220 220 224 224 225 225 225 226 226 227 228 229 230 231

7 Verbindungen Welle-Nabe und Nabe-Welle............................................. 234 7.1 ISO System der Toteranzen .................................................................. 7.2 Rauheitsmessung .................... .......................... ................................ ..... 7.3 Befestigung mit prismatischer Paßfeder................................................ 7.4 Übermaßmontage .. ......... .... ............. .. .. ....... .. .. .. .. ................. .... .. .. ..... .. ... 7.5 Passungsrost.......................................................................................... 7.6 Keile...................................................................................................... 7.7 Kupplungen-Allgemeines...................................................................... 7.8 Starre Kupplungen................................................................................ 7.9 Elastische Kupplungen.......................................................................... 7.10 Verzahnungskupplungen .................................... .... .. .. .. .... ......... .. ........ 7.11 Reibungskupplungen .............................. .. .......... .. .. .. .. .. .. .... ........... ...... 7.12 Schrumpfscheiben-Hülsenkupplung....................................................

234 23 7 238 241 243 245 248 248 250 251 252 253

8 Lager ............................................................................................................. 254 8.1 Allgemeines .......................................................................................... 8.2 Klassifikation der Lageraufgrund der Gelenke .................................... 8.3 Klassifikation der Lager bezüglich ihrer Positionierung ....................... 8.4 Berechnung von Lagern .... .... .. .. ... .. .. .. .. ... .. .. ..... ..... .. ..... .. .. .. .. .. .. .. ... .. .. ... . 8.5 Variable Belastungen............................................................................ 8.6 Statisches Vermögen............................................................................. 8. 7 Abmessungen der Lager........................................................................ 8.8 Radialkugellager in einer Hohlkehle.....................................................

254 254 254 255 257 257 257 258

Inhaltsverzeichnis

XV

8.9 Zweireihige selbstausrichtende Kugellager........................................... 8.10 Zylinderollenlager ............................................................................... 8.11 Zweireihige selbstausrichtende Radialkugellager .. .. .. ... .. .. .. .. .. ..... .. .. .. . 8.12 Schrägkugellager................................................................................. 8.13 Kegelrollenlager .................................................................................. 8.14 Auswahl der Lager.............................................................................. 8.15 Befestigung der Lager......................................................................... 8.16 Demontieren von Lagern..................................................................... 8.17 Grenzgeschwindigkeit und KreislaufzahL. .. .. .. .. ....... .... .. ....... .. .. .. .. .... 8.18 Öldichtungsringe ................................................................................

259 260 261 262 263 265 266 270 270 270

9 Schmierstoffe und Schmierung................................................................... 27 4 9.1 Funktion der Schmierung...................................................................... 9.2 Schmierstoffarten .................................................................................. 9.3 Mineralschmierstoffe ............................................................................ 9.4 Schmierfette.......................................................................................... 9.5 Synthetische Schmierstoffe ................................................................... 9.6 Viskosität.............................................................................................. 9.6.1 Defmition ..................................................................................... 9.6.2 Veränderung der Viskosität in Abhängigkeit von der Temperatur 9.6.3 Änderung der Viskosität mit dem Druck...................................... 9.6.4 Messung der Viskosität................................................................ 9.6.5 Normbestimmungen der Viskosität (ISO)................................... 9.7 Andere Eigenschaften der Schmierstoffe .............................................. 9.8 Verfallsursachen.................................................................................... 9.9 Auswahl des Schmierstoffs ................................................................... 9.10 Betrieb bei niedriger Temperatur ........................................................ 9.11 Betrieb bei hoher Temperatur............................................................. 9.12 Schmierungsanweisungen bei Zahnrädern.......................................... 9.13 Elasto-Hydro-Dynamischer Zustand (EHD) ....................................... 9.14 Thermisches Fressen...........................................................................

27 4 274 275 275 276 276 276 277 278 278 279 279 280 280 282 282 282 283 284

10 Gehäuse...................................................................................................... 286

10.1 Definitionen und Funktionen............................................................... 10.2 Werkstoffe........................................................................................... 10.3 Hauptfunktion: Lagerstütze................................................................. 10.4 Berechnung mit fmiten Elementen...................................................... 10.5 Zweite Funktion: Dichte...................................................................... 10.6 Dritte Funktion: Außenbefestigung..................................................... 10.7 Zubehör ............................................................................................... 10.8 Herstellung und Genauigkeit der Gehäuse.......................................... 10.9 Geschnittene Elemente für Zusammenbau (Bolzen und Nute)............ 10.10 Wirtschaftliche Bedingungen, die die Gehäuseauswahl beeinflussen

286 286 287 287 288 291 291 292 292 297

XVI

Inhaltsverzeichnis

11 Standardzahnradgetriebe ... ... .. .. ... .. ....... .. ..... .. .. .. .. .. .. ..... .. .. .. ... .. .. .. .. ..... .. .. . 298

II.I Definition and Anwendungsgebiete ... . ........ .. ..... .. .... ....... .... .. .. .. ....... .. . Il.2 Konstruktionsgrundlagen .. .... ... .. .. .. ... .. .. ..... .. .. .. .. .. ..... .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. II.3 Zahnradgetriebetyp ............................................................................. I1.4 Auswahl eines Zahnradgetriebes......................................................... 11.5 Betriebsfaktor .. .. ....... .. .. .. ..... .. ..... ..... .. .... .. ....... .. .. .. ....... .. .. .. .. .. .. .. .. .. ...... 11.6 Äquivalente Leistung ... ..... .. .. .. ... .. ... .. .... .. ... .. ...... ... .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. .. 11.7 Berechnungsbeispiel ... .. .. ..... .. .. ..... .. .. .. ... .. ..... .. .. .. .. .. .. .. . .......... .. .. ..... .. .. 11.8 Faktoren, die den Betriebsfaktor beeinflussen .................................... 11.9 Besondere Vorsichtsmaßnahmen .. .. .. .. .. ... .. . ...... .. .. .. .. .. .. .. .. ...... .. .. .. .. .. .. 1I.I 0 Getriebemotoren ..... .. .. ..... .. .. ... .. .. .. ... .... ....... .. .. .. .. .. .... ..... .. .. .... .. .. ... .. ..

298 299 300 30 I 301 302 302 303 303 304

12 Vibrationen und Geräusche...................................................................... 305

I2.I Natürliche Vibration ........................................................................... I2.2 Erzwungene Vibration ........................................................................ I2.3 Vibrationsmodalitäten ......................................................................... I2.4 Biegungsvibration ............................................................................... I2.5 Drehvibrationen .................................................................................. 12.6 Funktion der sinusförmigen Vibration ................................................ 12.7 Funktion einer periodischen Vibration (Fourier)................................ 12.8 Modal-Anlysis..................................................................................... I2.9 Messung der Vibrationen.................................................................... 12.10 Vibrationsursachen in Zahnradgetrieben. Frequenz des Eingriffs..... I2.1I Vibrationseffekte............................................................................... 12.12 Geräusche.......................................................................................... 12.13 Geräuschmessung.............................................................................. I2.I4 Wohlüberlegte Meßskalen (dBA) ...................................................... I2.15 Geräuschmessung bei Zahnradgetrieben...........................................

305 306 307 307 308 309 3IO 310 3II 3I2 313 313 314 315 316

13 Thermische Leistung der Zahnräder ............. .. .... .. .. .. .. .......... .. .. .. .. .. ..... ... 3I7

I3 .I Bestimmung ........................................................................................ 13 .2 Verluste in Zahnradgetrieben ............................................................ .. 13 .3 Verluste während des Eingriffs . .......................................................... 13 .4 Verluste wegen Klappern .................................................................... 13.5 Verluste in den Lagern........................................................................ 13.6 Verluste in Dichtungen........................................................................ 13.7 Gesamtverluste.................................................................................... 13.8 Wänneverlust...................................................................................... 13.9 Wirkungsgrad der Zahnradgetriebe..................................................... 13.10 Messung des Wirkungsgrads bei Zahnradgetrieben ......................... l3.I0.1 Messung bei offenem Stromkreis .............................................

317 3 17 3I8 3 I9 320 323 323 323 325 325 326

Inhaltsverzeichnis

XVII

13.10.2 Messung bei geschlossenem Stromkreis................................... 327 13.11 Vergleich zwischen verschiedenen bestehenden Zahnradgetrieben.. 328 14 Die Herstellung von Untersetzungsgetrieben.......................................... 330 14.1 Einführung.......................................................................................... 14.2 Die Rohteile ........................................................................................ 14.3 Die Bearbeitung des Gehäuses............................................................ 14.4 Die Bearbeitung der Wellen................................................................ 14.5 Die Bearbeitung der Radkörper .......................................................... 14.6 Bearbeitung der Verzahnungen von zylindrischen Rädern mit geraden, schraubenförmigen Zähnen ............................................ 14.6.1 Allgemeines................................................................................ 14.6.2 Bearbeitung durch Formfräsen ................................................... 14.6.3 Bearbeitung durch Wälzvorgang. Prinzip................................... 14.6.4 Bearbeitung durch Werkzeug mit Zahnschiene ......................... 14.6.5 Verzahnung mit Ritzelwerkzeug................................................. 14.6.6 Bearbeitung mit Wälzfräser (Hobbing) ...................................... 14.6.7 Bearbeitung mit Karbid- oder Keramikwerkzeug....................... 14.7 Die Bearbeitung von kegelförmigen Rädern....................................... 14.8 Bearbeitung der Schnecken und der Zahnräder................................... 14.9 Ausarbeitung der zylindrischen Räder................................................ 14.9.1 Das Schleifen.............................................................................. 14.9.2 Das Schaben............................................................................... 14.9.3 Das Honing-Verfahren ............................................................... 14.9.4 Das Schneiden mit Spanentfernung ............................................ 14.10 Fertigbearbeitung der konischen Räder............................................. 14.11 Das Schneckenschleifen.................................................................... 14.12 Die Montage......................................................................................

330 331 332 335 336 337 337 337 338 338 340 341 343 343 344 346 346 348 349 349 350 350 350

15 Anwendungen ............................................................................................ 352 15.1 Anwendungsgebiete der Zahnräder..................................................... 15.2 Hebewerkzeuge................................................................................... 15.2.1 Laufkräne.................................................................................... 15.2.2 Kräne.......................................................................................... 15.3 Förderer............................................................................................... 15.3 .1 Treibriemenf()rderer .. .. ... .... .. ..... .. ..... ...... .. .. .. .. .... .. .. .. ............... ... 15.3.2 Kettenfbrderer ............................................................................ 15.3.3 Rollenfbrderer ............................................................................ 15.3 .4 Schneckenf()rderer mit Bandschnecke............................ .. .. .... .... 15.4 Behandlung von Abfällen und Schmutzwasser................................... 15.4.1 Behandlung von Abfällen........................................................... 15.4.2 Behandlung der Schmutzwasser.................................................

352 353 353 354 355 3 55 356 358 3 58 359 359 360

XVIII

Inhaltsverzeichnis

15.5 Besondere Fahrzeuge oder Landmaschinen........................................ 361 15.6 Apparate für unterschiedliche Belange............................................... 362 15.7 Präzisionspositioniervorrichtungen.. .. .. .. .. .. ....... .. .. .. ..... .. .. .. .. .. .. .... ... .. .. 363 Anhang. Hydromotoren und Regler .. ....... .... ......... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... ......... .. .... 365

A.l Hydromotoren ...................................................................................... A.2 Verstellgetriebe .................................................................................... A.2.1 Riemenverstellgetriebe ................................................................ A.2.2 Planetenverstellgetriebe ...............................................................

365 367 367 368

Die ISO-Normen für Zahnräder (TC 60) .................................................... 370 Bibliographie................................................................................................... 373

Teil IV Dierk Sehröder

1 Elektrische Maschinen- Vorschriften und Begriffe................................. 377

1.1 Einftihrung und Normen........................................................................ 1.2 Betriebsarten und Bemessungsdaten ......... .. ............. ................. .. ..... .. .. . 1.3 Maschinen mit mehreren Bemessungsbetrieben.................................... 1.4 Aufstellungshöhe, Temperatur und Kühlmittel..................................... 1.5 Elektrische Bedingungen....................................................................... 1.6 System: Arbeitsmaschine - Antriebsmaschine....................................... 1.6.1 Stationäres Verhalten der Arbeitsmaschine.................................. 1.6.2 Stationäres Verhalten der Antriebsmaschinen: IM= f(n,cp) ........... 1.6.3 Statische Stabilität im Arbeitspunkt ............................................. 1.6.4 Bemessung der Antriebsanordnung ..............................................

377 379 387 387 389 392 392 395 397 398

2 Elektrische Motoren.................................................................................... 402

2.1 Gleichstrommotoren.............................................................................. 2.2 Drehfeldmaschinen ....... ............... ....... ........... .. .. .. .. .. .. .... .... .. ................. 2.2.1 Prinzipielle Wirkungsweise der Drehfeldmaschinen .................... 2.2.2 Synchronmaschine........................................................................

402 404 407 411

3 Gleichstrommaschine ........ ....... .. ....... .. .. ... .. .. ..... .. .. ... .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .. .. ... .. .. 413

3.1 Signalfluß Gleichstromnebenschlußmaschine (fremderregt), Ankerkreis............................................................................................. 413

Inhaltsverzeichnis

3.1.1 Normierung .................................................................................. 3.1.2 Feldkreis-Erregerkreis ................................................................ 3.2 Übertragungsfunktionen- Übergangsverhalten..................................... 3.2.1 Führungsverhalten und Führungsübertragungsfunktion................ 3.2.2 Lastverhalten und Störübertragungsfunktion................................ 3.2.3 Einfluß von

(1.059)

F" 2

tan

= F2 cos a tan

(1.060)

F12 =

Wenn F1 eine Aktivkraft und F 2 , eine Passivkraft sind, wird die Arbeit der Tangentialkraft Ftl durch die Passivarbeiten der drei anderen Tangentialkräfte ausgeglichen: Ft!X = F12x+ FniX+ Fn2X

(1.061)

Fn = Fr2 + Fn! + Fn2 ·

(1.062)

oder:

Wenn man die Kräfte mit ihren entsprechenden Werte nach den Gleichungen (1.055), (1.056), (1.059) und (1.060) ersetzt, kommt man zum folgenden Resultat: F2 = F1 tan (a + ) •

(1.063)

Wenn F 2 eine Aktivkraft und F 1 eine Passivkraft ist, dann gilt: FI = F2 tan (a - ) •

(1.064)

Wenn wir eine Kraft mit derselben Richtung von F 1 erzeugen wollten, wäre es notwendig, eine unendliche Kraft aufzubringen, falls die Ebene der Öffuung des Reibungswinkels entspräche oder kleiner als sie wäre. Dabei würde es sich um Unumkehrbarkeit handeln, d.h. dieses Verfahren ist unmöglich.

1 Dynamik fester Körper

37

Wenn keine Reibung aufträte, wäre das Verhältnis zwischen den beiden Kräften: Ft = F2 tana .

(1.065)

Ist F 1 eine Aktivkraft, dann ist der Wirkungsgrad: tana tan(a +

11 =

)

(1.066)

Andernfalls (F2 = Passivkraft): 11 =

tan(a tana

)

(1.067)

Die Keilwirkung fmdet zahlreiche Anwendungen auf dem Gebiet der Mathematik: Verbund, Schraubenbolzen mit Kopf und Mutter, Schrauben und Schneckenrad, usw.

1.8.4 Reibung einer Rolle auf ihren Achsen Abbildung 1.5 zeigt eine Rolle mit einem Durchmesser D und einer Kraft F. Die Rollenachse hat einen Durchmesser d. Unter der Einwirkung der Kraft F erzeugt die Reibung der Achse auf ihrem Lager eine Reibungskraft tangential der Achse F1 = J.l F. Damit die Rolle sich drehend vorschiebt, ist es notwendig, eine Kraft F 1 auf ihren Mittelpunkt aufzubringen, um ein Drehmoment F 1 D/2 zu erzeugen, das

F

Fr Fr

F,

Abb. 1.5. Rolle

38

Jacques Sprengers, Teil II

dem von der Reibungskraft erzeugten Drehmoment F1 d/2 einen Widerstand entgegensetzen kann. Es gilt daher das Verhältnis:

d Ft = FJl D

(1.068)

1.8.5 Reibung zwischen einem Riemen und seiner Scheibe Abbildung 1.6 zeigt einen Riemen auf einer Scheibe mit einem Durchmesser d. F 1 und F 2 sind die Kräfte der oberen Seite bzw. der unteren Seite. In einem beliebigen Punkt, der mit dem durch den Tangentenpunkt der Kraft F 1 auf der Scheibe gehenden Halbmesser einen Winkel 8 bildet, nehmen wir ein äußerst kleines Element aus der Scheibe.

F;

F;+dF;

Abb. 1.6. Scheibe und Riemen

I Dynamik fester Körper

39

Die zwei Radien, die diesen Teil abgrenzen, bilden einen Winkel da. Die Kraft, die auf einem Ende aufgebracht wird, ist F;; wenn F 2 kleiner ist als F1. entspricht sie der Kraft des anderen Endes F;+dF;. Das Zusammenwirken dieser Kräfte erzeugt eine Kraft dFn, deren Wert ist: (1.069) Diese Kraft erzeugt eine Reibungskraft J..L dFn , die gleich dF; ist. Daraus folgt:

dFj J..L

Fj

da.

(1.070)

und wir berechnen dann auf der gesamten Länge des die Scheibe berührenden Riemens das Integral: 9

Fl

JdFi F2 Fi

=

JJ..L da.

(1.071)

Beim Lösen von Gl. ( 1.071) ergibt sich: (1.072) FI

=

F2

eiL 9

•

(1.073)

Die Kraft, die von dem Riemen auf die Scheibe oder von der Scheibe auf den Riemen übertragen werden kann, ist die Kraft F 1: (1.074) Das übertragbare Drehmoment ist:

T

=

Fj d 2

(1.075)

Die obenerwähnte Theorie gilt filr Flachriemen. Sie könnte sich auch auf Keilriemen beziehen, wenn man die Kräfte berücksichtigt, welche auf die von der Scheibe berührten Flächen einwirken. Es handelt sich hierbei um Flächen, die im Verhältnis zur Fläche der Flachriemen schräg sind. Die zu berücksichtigenden

40

Jacques Sprengers, Teil li

Kräfte wären: F'

=_!'__ sin

ß

(1.076)

Keilriemen können daher im Vergleich zu Flachriemen ein größeres Drehmoment übertragen. 1.8.6 Haftreibungskraft Damit sich eine Rolle auf ihrer Rollschiene bewegt, ist es notwendig, auf sie ein Drehmoment aufzubringen, das die Widerstände neutralisieren kann. Wenn dieses Drehmoment mit T und der Durchmesser der Rolle mit d bezeichnet werden, ist die Schleppkraft Ft : 2T (1.077) Ft = d Sei Fn die Kraft, die die Rolle auf die Rollschiene drückt. Aus dem Kontakt der Rolle mit der Schiene entwickelt sich eine Reibungskraft Jl Fn, die ein Drehmoment Tm erzeugt: d (1.078) Tm = Jl Fn 2 · Wenn das von der Reibung erzeugte Drehmoment kleiner als das der Schleppkraft ist, rutscht die Rolle auf der Rollschiene. Die Kraftübertragung ist nur möglich, wenn gilt (s. Abb. 1.7): (1.079) Fn

Abb. 1.7. Haftreibungskraft

1 Dynamik fester Körper

41

Diese Bedingung gilt fUr alle Fahrzeuge. Sie kann auf den seitlichen Haftwert der Fahrzeuge mit Luftreifen erstreckt werden. Wenn das Widerstandspaar von einer Normallast auf der Rollschiene F erzeugt wird, und wenn die notwendige Schleppkraft K-mal der Last ist, ist die Schleppkraft pro Rolle mit einer n' Anzahl von Treibrollen:

Ft

=

F

K---; n

(1.080)

Wenn n die Anzahl der Treibrollen bezeichnet, ist der Haftwert:

Fa

=

F ll - · n

(1.081)

Da die Haftreibungskraft Fa größer sein muß als die Schleppkraft jeder Treibrolle, muß folgende Bedingung gelten: K n' > - n ll

(1.082)

1.8.7 Reibung auf Scheiben (Abb. 1.8)

F

Abb. 1.8. Reibung auf Scheiben

Zwei Scheiben haben einen Außendurchmesser D und einen Innendurchmesser d Sie liegen aufeinander; es wirkt eine Kraft F, die folgenden Druck p auf die Scheiben erzeugt:

p=

F

s

4F

(1.083)

42

Jacques Sprengers, Teil li

Dieser Druck erzeugt eine Kraft auf einen Rand mit einer Breite dp, der auf einem Radius p aufliegt: dFt

=

2 ll p 1t P

dp

(1.084)

und folglich ein Drehmoment hat: dT = dF, p = 2

1t

ll p p 2 dp

.

(1.085)

Für die gesamte Fläche gilt: D/2

T =

J 2 1t p J.1

p 2 dp

(1.086)

d/2

oder: T =

1t

D3 - d3

p ll _1_2_

(1.087)

Wenn die Scheiben kegelförmig mit einem Eckpunkt y sind, dann ist die betreffende Kraft:

F'=

F

sin 1._ 2

1.8.8 Einige Gleitwerte Stahl auf Stahl Stahl auf Grauguß Stahl auf Gummi Gummi auf Gummi Stahl auf Holz Stahl auf Asbest Stahl auf geschmiertem Stahl

0,2 bis 0,3 0,12 bis 0,2 0,25 bis 0,35 0,35 bis 0,6 0,45 bis 0,6 0,3 bis 0,4 0,06 bis 0,12

(1.088)

1 Dynamik fester Körper

43

1.9 Rollwiderstand oder Wälzreibung (Abb. 1. 9)

Abb. 1.9. Rollwiderstand

Wird eine Rolle auf ihre Gleitbahn mit einer Kraft F gedrückt, fmdet eine Verformung der Rolle und der Bahn statt. Diese Verformung hängt von der Kraft und dem Material ab, und sie ist natürlich bei einem Luftreifen viel größer als bei einem Stahlrad. Diese Verformung beeinflußt die Reaktion der Rolle auf die Bahn in der Bewegungsrichtung ö. Die Kraft Fund seine Wirkung bilden ein Drehm.:>ment, dessen Moment T gegeben ist durch: T

=

Fö

(1.089)

Bei Verschiebung der Rolle, wird eine Schleppkraft F" die einem Tm=F1 d/2 Drehmoment entspricht, benötigt. Dieses Paar muß den Widerstand überwinden, der von der Verformung der Rolle/Gleitbahn erzeugt wird. Deshalb haben wir: F

t

=

8

2F-

d

(1.090)

Wenn der Rollwiderstand mit der dimensionslosen Größe ö0 = 8 /d bezeichnet wird, dann entspricht er dem Gleitwiderstand (Gleitreibung):

Ft =F8o.

(1.091)

Der Wertebereich der Wälzreibung ist äußerst variabel. Für Stahl auf Stahl (Schiene aufSchiene) beträgt der Wert ungefähr 0,01.

44

Jacques Sprengers, Teil II

1.10 Notwendiges Drehmoment für eine Translationsrolle Wir betrachten eine Translationsrolle mit einem Durchmesser D und einer Durchmesserachse d. Auf die Rolle wird eine Last F aufgebracht. Die Schleppkraft, die zu neutralisieren ist, ergibt sich zu:

(1.092) Daraus ergibt sich, daß das Drehmoment, das auf die Rollenachse aufzubringen ist, den Wert hat: T = - 1- F D

2000

(J.l ~ D

+ ()

o) .

(1.093)

n ist die Anzahl der Treibrollen, n' die der Schlepprollen und F die Gesamtbelastung. Das Kräftepaar auf jedem Motor ist: (1.094) oder:

(1.095) Diese Kraft muß schwächer sein als die Haftreibungskraft der Treibrollen. Das Drehmoment ist also:

(1.096)

1.11 Das Anlaufdrehmoment Das Anlaufdrehmoment einer mechanischen Vorrichtung entspricht der Summe aus dem filr das Erzeugen einer Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit notwendigen Drehmoment und dem auf die Trägheitskräfte bezogenen Paar. Bei bestimmten Anwendungen verwendet man Massen, um die nutzbaren Massen sta-

1 Dynamik fester Körper

45

tisch auszugleichen, wie zum Beispiel bei Aufzügen, bei dem ein Gegengewicht die Masse der Kabine ausgleicht oder beim Senkrechtförderer, die aufsteigenden Elemente durch alle absteigenden Elemente ausgeglichen werden, mit Ausnahme der Nutzlast. Diese Massen entwickeln Drehmomente, deren Bewegung eine konstante Geschwindigkeit haben und in der entgegengesetzten Richtung fortschreiten. Sie werden also nicht vom Antriebsmotor angenommen. Trotzdem müssen beim Anlassen alle Massen einer Beschleunigung in der gleichen Richtung ausgesetzt werden. Demzufolge wirken sie auf das Anlaufdrehmoment ein. Die ausgleichenden Massen erhöhen die Trägheit während des Anlassens.

1.12 Kinematische Kette 1.12.1 Definition Eine kinematische Kette ist eine Menge sich drehender Achsen, die sich durch Antriebsorgane gegenseitig betätigen. Die Achsen, aus denen die Kette besteht, haben daher Geschwindigkeiten, die voneinander abhängig sind.

1.12.2 Drehmomente Seien n~. .... ,nj, .... ,n1, .... ,nn die Drehgeschwindigkeiten der Achsen l, .... ,i,.... J, .... ,n. In der kinematischen Kette ist eine Leistung zu beobachten, die wir für konstant halten können, wenn wir den Wirkungsgrad außer Acht lassen. Wenn P diese Leistung bezeichnet, ist das Drehmoment aufjeder Welle:

p

Ti = 9550n;

(1.097)

Daraus läßt sich schließen, daß das Verhältnis zwischen den Drehmomenten auf zwei verschiedenen Achsen ist: ni ni

(1.098)

Wenn wir hingegen den Wirkungsgrad berücksichtigen, müssen wir auch die Tragwelle und die getragene Welle defmieren. Ist i die Tragwelle undj die getragene Welle, so ergibt sich auf der Welle j ein Drehmoment, das schwächer ist als das bei einem hypothetischen Wirkungsgrad mit Wert 1 berechnete Drehmoment. Daraus folgt: n1

1

ni

11

(1.099)

46

Jacques Sprengers, Teil II

1.12.3 Trägheitsmomente

J.j ist das Trägheitsmoment auf der Achse j. In der kinematischen Kette ist es möglich, auf einer Welle i, ein auf das Anlassen des Systems bezogenes äquivalentes Trägheitsmoment zu berechnen, da alle Achsen miteinander verbunden sind. Die Beschleunigungen der Achsen sind miteinander durch dasselbe Verhältnis verbunden wie das der Geschwindigkeiten. Wenn Bi die Winkelbeschleunigung auf der Achse i bezeichnet und B1 diejenige, die sich auf die Achse j bezieht, können wir behaupten, daß:

Bi

ni

(1.100)

Das Trägheitspaar auf der Achse j ist: (1.101) Wenn J.ji das Trägheitsmoment auf der Welle i ist, das den gleichen Wert wie das Trägheitsmoment J.j auf der Achse j hat, ist das entsprechende Drehmoment auf der Achse i: (1.102)

TJi = JJi Bi .

Aufgrund des Drehmomentengesetz muß das Trägheitsmoment mit dem Drehmoment gleichwertig sein, das sich durch GI. (1.101) ergibt. Man erhält ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrads:

JJi Bi

ni

(1.1 04)

und schließlich: (1.105)

1.12.4 Elastische Konstanten der Achsen Die elastische Konstante entspricht dem Verhältnis zwischen dem aufgebrachten Drehmoment und der Formänderung, die sie verursacht. Diese Konstanten können auch von einer Achse auf die andere verlegt werden, um gleichwertige Konstanten zu erhalten, die bei der Rechnung verwendet werden können. Wir haben also:

Cji

=

Cj (

~

J·

(1.106)

1 Dynamik fester Körper

47

1.12.5 Anbringen eines Laufkrans an einer Hebewinde Der Hub einer Last mit einem Lautkran wird durch die Auftrommelung eines Seiles vorgenommen. Das fiir die Trommel notwendige nutzbare Drehmoment wird mit T1 bezeichnet. Die Drehgeschwindigkeit dieser letzten muß in Beziehung auf einen Motor mit einem Untersetzungsgetriebe erzeugt werden, dessen gesamtes Untersetzungsverhältnis i ist. Das fiir den Motor notwendige Drehmoment mit konstanter Hubgeschwindigkeit 11 ist daher:

Tm =

Tt

1

Tl

(1.107)

wo 11 der Wirkungsgrad des Untersetzungsgetriebes ist. Während des Anlassens kennen wir die Winkelgeschwindigkeit der Trommel, die mit der Beschleunigung der Last gekoppelt ist. Die Winkelbeschleunigung des Motors ist daher i-mal höher. J 1 ist das Trägheitsmoment der Trommel und Je das Trägheitsmoment, das der Last auf die Trommel der Motorwelle entspricht. Das äquivalente Trägheitsmoment ergibt sich zu:

(1.108) Mit Jm wird das Trägheitsmoment auf die Triebwelle bezeichnet und mit Bm die Winkelbeschleunigung der Triebwelle, fiir das Anlassen ist das notwendige Drehmoment: (1.109) Wenn nm die Drehgeschwindigkeit des Motors ist, dann ist seine Nennleistung:

p

~

Tm nm 9550

(1.110)

Man kann somit den Motor auswählen und überprüfen, ob sein Anlaufmoment angemessen ist. Was die Bremse betrifft, ist es in der Absteigphase der Triebwelle notwendig, auf der Trommel das Drehmoment zu neutralisieren, das identisch mit dem T1 in der Anhebphase ist. In diesem Fall wird es aber ein Antriebsdrehmoment, und die Wirkung geht in die entgegegesetzten Richtung. Wir haben deshalb:

(1.111) Es ist also eindeutig, daß das Bremspaar das Produkt aus dem Antriebspaar und dem Quadrat des Wirkungsgrads ist.

2 Festigkeit von Werkstoffen

2.1 Zug - Einfacher Druck Wir haben es mit einer einfachen Verformung zu tun, wenn die Resultante der Außenkräfte auf einer Seite des Schnittes sich auf eine einzige Kraft reduziert, die auf dem Schnitt senkrecht steht und durch seinen Elastizitätspunkt geht. Wenn diese Resultante mit Fn bezeichnet wird, ist das Gleichgewicht der Innenkräfte: C5n =

Fn -
0 gewünscht, so bleibt

4 Stellglieder und Regelung für die Gleichstrommaschine

-

443

... - - : : - : : - - -1

l!"

Abb. 4.13. Schaltung zur Ankerspannungsumkehr

S2 ständig leitend, während S 1 getaktet wird. Es liegt dann motorischer Einquadrantenbetrieb vor (Abschnitt 4.1.1 ). Um einen Stromfluß bei U A < 0 zu erhalten muß S1 ständig gesperrt sein und S2 getaktet werden. Der generatorisehe Einquadrantenbetrieb liegt jetzt im 4. Quadranten. 2. Steuerverfahren: Gleichzeitige Taktung. Beide Schalter erhalten die gleichen Steuerimpulse. Negative Ankerspannung erhält man für 0 _::: a < 0,5, und positive für 0,5 < a _::: I. Vorteil: sehr einfache Ansteuerung. Nachteil: kein Freilauf möglich, d.h. ständiger Wechsel zwischen motorischem und generatorischem Betrieb. 3. Steuerverfahren: Dieses Verfahren ist etwas komplizierter und wird deshalb im Liniendiagramm (Abb. 4.14) verdeutlicht (l bedeutet: Ventil leitet). SJ

s2

0

I.

u

u

~u T

bl t'a

}J

LI

!'e

Abb. 4.14. Liniendiagramm zum 3. Steuerverfahren

a'

.!i. T -

l .

Das dritte Verfahren weist einige Vorteile auf: Die Ventile werden gleichmäßig belastet und die Schaltfrequenz für das einzelne Ventil ist geringer als bei den anderen Steuerverfahren. Anwendung: z.B. Hebezeuge und Winden. Vierquadrantenbetrieb. Durch den Ein~tz von ~ier Dioden und vier abschaltbaren Ventilen sind beide Richtungen von U A und I A möglich (Abb. 4.15).

444

Dierk Schröder, Teil IV

D F.l

D F2

Abb. 4.15. Vierquadrantenstellglied mit abschaltbaren Ventilen

Es gibt zwei Steuerverfahren: 1. Sleuerverfahren: Es sind abwechselnd zwei Schalter geschlossen: Entweder SI und S2 oder S3 und S4 • Das leitende Schalterpaar muß rechtzeitig vor dem Einschalten des anderen abgeschaltet werden, um einen Kurzschluß der Spannungsquelle zu vermeiden. Wird die Einschaltzeit von S~o S2 mit le bezeichnet und deren Ausschaltzeit mit Ia. wobei T = le + Ia und a = le IT, ist, so gilt:

2. Sleuerverfahren: Das diagonale Schalterpaar SI und s2 wird entsprechend dem Zweiquadrantenbetrieb mit Ankerspannungsumkehr getaktet. Die jeweils in Serie liegenden Schalter s3 bzw. s4 werden invers zu SI bzw. s2 angesteuert: Wenn beispielsweise SI bzw. s2 eingeschaltet ist, dann sperrt s3 und umgekehrt. Die Gleichungen fiir Ankerspannung und -strom lauten:

UA =a' UQ mit a' ausKapitel4.1.3

Die Anke~pannung UA ist abwechselnd +UQ und Null fiir U A > 0 und UQ und Null fiir U A < 0 . Vergleich der beiden Sleuerverfahren: Das erste Verfahren ist in der Ansteuerung einfacher und ermöglicht die Messung der Ankerströme ohne Potentialtrennung: Der Ankerstrom fließt immer durch einen der beiden unteren Zweige. Werden die-

4 Stellglieder und Regelung filr die Gleichstrommaschine

445

se Zweige Uber Meßwiderstände mit der negativen Klemme der Spannungsquelle (die auf Nullpotential der Meßelektronik liegen muß) verbunden, so kann der Ankerstrom Uber die Summe der Spannungsabflille ermittelt werden. Das Umschalten von UA zwischen positiver und negativer Quellenspannung ftihrt aber zu erhöhter Stromwelligkeit und damit zu zusätzlichen Ankerverlusten. Schließlich sind mehr Schaltvorgänge als beim zweiten Verfahren erforderlich, wodurch die Schaltverluste größer werden.

4.2 Netzgeführte Stromrichter- Stellglieder Bei netzgeftihrten Stromrichtern erfolgt eine Umwandlung der Energie aus einem Wechsel- oder Drehstromsystem in ein Gleichspannungssystem. Die Gleichspannung besteht somit aus Ausschnitten der Wechselspannung bzw. Spannungen des Drehspannungssystems. Die Stromkurvenform wird wesentlich von der Form des gewählten Spannungsverlaufs und den Lastdaten bestimmt. Die Bezeichnung netzgeführter Stromrichter oder auch Stromrichter mit natürlicher Kommutierung ist durch die Art des Stromwechsels von einem Halbleiter zum anderen Halbleiter Kommutierung genannt- bedingt. Im vorliegenden Fall wird durch das Wechseloder Drehstromsystem die Energie geliefert, um den Wechsel zu ermöglichen. In diesem Kapitel werden anband der aus didaktischen Gründen gewählten Dreiphasen-Mittelpunkt-Schaltung die Grundbegriffe der netzgeftihrten StromrichterStellglieder erläutert. Darauf folgend werden ftir die praktisch ausgeftihrten Schaltungen wie die Einphasen-Schaltung, Einphasen-Mittelpunktschaltung, Dreiphasen-Brückenschaltung das entsprechende Schaltbild und die charakteristischen Daten angegeben. 4.2.1 Dreiphasen-Mittelpunktschaltung Pulszahl p = 3

Anordnung:

MP

I

I IL _ ____ j I

d

(GR)

Abb. 4.16. M3-Schaltung (Prinzip)

Last

446

Dierk Schröder, Teil IV

Achtung: Die Dreiphasen-Mittelpunktschaltung kann "Y" in der obigen Schaltung betrieben werden, da in den Wicklungen des Transformators Gleichkomponenten entstehen, die den Eisenkern sättigen können. Die Darstellung in Abb. 4.16 wurde nur aus didaktischen Gründen gewählt. Bei der praktischen Realisierung mit einem Transformator und einer Dreiphasen-Mittelpunktschaltung müssen Transformatorschaltungen verwendet werden, die Gleichkomponenten in den Trafowicklungen verhindem (z.B. Zick-Zack-Wicklungen).

R-Last ,I

0 1=0"

Spannungsverlauf, Beispiel (a = 60°)

0 ~=0"

R-L-Last

0 ; = 0"

Abb. 4.17. Spannungsverläufe bei a = 60°

Der Gleichspannungsmittelwert Ud ergibt sich aus den schraffierten Spannungstlächen, gemittelt über der Periode 1/pFM. Bei a _:: : 90 ist die Spannung Ud _::: 0; diese Betriebsart wird Gleichrichterbetrieb genannt. Die Kurvenverläufe zeigen, daß bei gleichem Steuerwinkel a die Last einen wesentlichen Einfluß hat. Im Fall (a) (R-Last) können aufgrundder Ventilwirkung keine negativen Spannungen auftreten. Im Fall (b) (R-L-Last) wird aufgrunddes UL = L dildt, die Induktivität eine Spannung erzeugen, die einen positiven Strom aufrecht erhält und damit eine positive Spannung am geschalteten Halbleiter. Damit können auch negative Spannungsverläufe am Ausgang auftreten - solange bis der Fluß in der Induktivität abgebaut ist. (a) ohmsehe Last:

(b) R-L-Last: 1mit T=k»R FNetz ~ gut geglätteter Laststrom nichtlückender Strom

Ud ,/d: Gleicher Kurvenverlauf

lückender Strom Wechsel des Laststromes von nannt.

1~3,

3

~

5, 5

~

I. Das ist Kommutierung ge-

4 Stellglieder und Regelung fiir die Gleichstrommaschine

447

Es gilt: Last R-L; RL >> ~, Kommutierungsverluste vernachlässigt. l'Netz

Ideale Gleichspannung:

U diO

= 1,17

U dia

= U diO

U

cos(a)

U: Effektivwert der Strangspannung

Lückender - nichtlückender Betrieb. Wenn in der Last der ohmsehe Anteil dominiert, tritt das sogenannte "Stromlücken" auf. Das heißt, zu dem Zeitpunkt, an dem der Strom zu klein wird, blockiert der Thyristor und der Stromfluß wird unterbrochen bis der nächste Thyristor gezündet wird. Ist dagegen eine größe Induktivität im Lastkreis vorhanden, so endet die Stromleitung eines Thyristors erst dann, wenn der nächste Thyristor gezündet wird. Der Laststrom bleibt dann annähernd konstant (Glättungseffekt der Drossel) und sinkt nicht mehr aufNull ab. Im Lückbetrieb ist bei gleichem Steuerwinkel a, die Gleichspannung Udia größer als im nichtlückenden Betrieb. Außerdem ist im Lückbereich die Verstärkung Md I I!..USt vom Betriebszustand abhängig und im allgemeinen wesentlich kleiner als im nichtlückenden Betrieb. Zusätzlich ist - regelungstechnisch gesehen - die Zeitkonstante TA = L,/RA der Last nicht mehr wirksam. Dies bringt größe Schwierigkeiten mit sich, die durch spezielle Regelungskonzepte (adaptive Regelung) vermieden werden können. Kommutierung - Überlappung. Ein weiterer Effekt tritt bei der Kommutierung zwischen den Ventilen auf. Kommutierung ist der Übergang der Stromführung von einem Ventilzweig zum nachfolgenden. Bedingt durch die begrenzte zulässige Stromsteilheit der Thyristoren beim Einschalten, müssen in den Netzzuleitungen lnduktivitäten vorgesehen sein. Diese Induktivitäten verhindem einen abrupten Wechsel des Stroms Id von dem leitenden Thyristor zum nachfolgend gezündeten Thyristor, kurzzeitig sind daher während dieses Übergangs - Kommutierung genannt - zwei Thyristoren an der Stromführung beteiligt. Während der Kommutierung überlappen sich somit die Stromleitdauem der an der Kommutierung beteiligten Thyristoren. Durch die Überlappungsdauer ü = f (Id,a), verringert sich die Ausgangsspannung Ud als Funktion des Laststroms h Wenn bei der Kommutierung zwei Ventile gleichzeitig leiten, wird das Netz kurzgeschlossen. Die verkettete Spannung fällt dann an den Netzinduktivitäten ab. Sind diese gleich groß, so ergibt sich die resultierende Gleichspannung Ud, während der Überlappungszeit ü als halbe Strangspannung. Gegenüber der idealen Kommutierung ohne Überlappung fehlt eine SpannungsZeit-Fläche (siehe Schraffur). Der Mittelwert der Gleichspannung ist deshalb kleiner als ohne Überlappung. Die Dauer der Überlappungszeit ist abhängig vom Laststrom h vom Steuerwinkel a, von der Größe der Netzinduktivitäten in den

448

Dierk Schröder, Teil IV

R------. s-

- - -----11------i

~ ü

f-- Cberlnppung

Abb. 4.18. Beispiel: Kommutierung von Ventil! nach Ventil3

Ventilzweigen und der Netzspannung. Die Netzinduktivitäten werden durch die relative Kurzschlußspannung uK';. charakterisiert: Uk•'

,.

=XN

SNNetz

3

ij2

100%. Uk%

Uk%

S NNetz

'

=3 U I NNetz

=5 to 10%

= I NNetz X N u

100%

U: Phasenspannung Durch die Überlappungsdauer ü =

f

(Jd, a, uw.J bedingt, gilt nun:

Dx: induktiver Gleichspannungsabfall dx: bezogener Gleichspannungsabfall

h : Mit dem Zusammenhang zwischen dem Nennstrom auf der Netzseite (JM 90°, ergibt sich aus udia = udiO cos (X ein negativer Gleichspannungsmittelwert

Udia< 0: Wechselrichterbetrieb mit 90° < a < 180° (150°) Wechselrichterbetrieb ist nur möglich mit Gegenspannungen im Lastkreis, damit die Spannung an den Thyristoren positiv bleibt.

GR:UTh+iJ.U+E=U-;

U-l Abb. 4.20.

Spannungspolaritäten und Verläufe im Gleichrichter- und Wechselrichterbetrieb

Steuerwinkel mit a > 180° sind nicht mehr zu erreichen, da dann an dem Ventil, das gezündet werden soll, zum Zündzeitpunkt eine negative Spannung anliegt. Die

450

Dierk Schröder, Teil IV

Kommutierung unterbleibt dann, und der bisher stromfiihrende Thyristor verlöscht nicht. Um diesen Effekt, das Wechselrichterkippen zu vermeiden, muß darüber hinaus noch ein Sicherheitsabstand zum Grenzwinkel a = 180° eingehalten werden. Der Grund dafiir ist, daß die Kommutierungszeit (Überlappung ü ) und die Schonzeit ts des verlöschenden Thyristors abgelaufen sein muß, bevor ab a = 180°, die Ventilspannung wieder positiv wird. Wenn die Kommutierung (Überlappungsdauer ü) nicht vor a = 180 beendet ist, dann bleibt der vorher stromfiihrende Thyristor leitend, und der neu gezündete Thyristor wird wieder sperrfiihig. In diesem Betriebszustand werden sich die Lastgegenspannung und die zeitvariante Stromrichterspannung addieren, und es wird sich ein sehr großer Laststrom ausbilden, der im allgemeinen zu Schäden im Stromrichter und/oder in der Last fiihrt. Wenn die Schonzeit tsnicht vor a = 180°, abgeschlossen ist, dann wird der vorher stromfiihrende Thyristor noch nicht sperrflihig sein, d.h. er wird - ohne Zündimpuls und bei positiver Spannung UAK· wieder einschalten. Das Ergebnis ist das gleiche wie im vorher beschriebenen Zustand. Deswegen muß ein Respektabstand Aa = ü + y zu a = 180° eingehalten werden.

In der Praxis wird deshalb ein maximaler Steuerwinkel

..J

iij

r-

c:l


~ :.0:Cp

x

592

Haijme Yamashina, Teil V

Für den Fall, daß x vom Zielwert abweicht, sollte wie folgt den: Cp~c =

Cp~c

verwendet wer-

(1-k) (u1 -11 ) I 60"

wobei k den Abweichungsgrad darstellt -

-

Wenn k > l,dann ist

I2- X (u,-1,)12

( Ut + !, )

Cp~c=O

Tabelle 4.2. stellt das Verfahren dar. Während der Produktionsvorbereitungsphase muß Cp ~ 1.33 erreicht werden. Abbildung 4.2. veranschaulicht die wichtige Tatsache, daß die Produktentwicklung und die Verfahrensentwicklung durch die Prüfung der Verfahrenskapazität

Abteilung Produktionstecbnik Abteilung Anlagenbau Abteilung Qualitätskontrolle Fertigungsabteilung Überprüfung der Verfahrenskapazität - Ursache/Wirkung-Analyse - Verfahrensverbesserung - Standardisierung. Auswertung

Aufrechterhaltung und Verbesserung der \'erfallTenskapazität

Verwendung der Infonnntionen zur Verfnl1renskapazität

Abb. 4.2. Produktentwicklung und Verfahrensentwicklung durch Prüfung der Verfahrenskapazität

4 Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle

593

zusammengehen müssen. Mit anderen Worten, die Qualitätsinformationen, die in den verschiedenen Stadien im Qualitätssicherungssystem zusammengetragen worden sind, sollten an die Produkttechnikabteilung zurückgeleitet werden, um das Produkt zu modifizieren. Diese Informationen müssen ebenso weitergeleitet werden, um das Produktionsverfahren und Qualitätskontrollsystem zuverbessern.

4.2.4 Fool-Proof-System Menschen machen Fehler, auch wenn sie noch so hart darauftrainiert worden sind, keine zu machen. Die folgenden sind die typischen Fehler, die von Arbeitern verursacht wurden: Störungsursachen

Auftretende Störung

1. Spannvorrichtung falsch positioniert

Teil nicht bearbeitet

2. Fehler durch Unaufmerksamkeit bei der Bearbeitung

Teil umgekehrt bearbeitet

3. Großenveränderung während der Bearbeitung

Teil zu stark bearbeitet Falsche Abmessungen Falsche Position

4. Werkzeugverschleiß-bzw. Bruch nicht erkannt

Teil nicht befestigt

5. Fehlerhafter Umgano mit Ausrüstung und 'Maschinen

Teil umgekehrt montiert

6. Taster aus Unaufmerksamkeit nicht betätigt 7. Fehler durch Unaufmerksamkeit bei der Montage 8. Schrauben und Mutter nicht angezogen

Unzureichende Montage Kratzer, Aussehen nicht akzeptabel Ungenügende Befestigung Falsche Teile montiert Maschinenschaden Schrauben und Mutter nicht befestigt Rücksendungen der Ware

9. Teile gemischt 10. Etiketten bei Auslieferung nicht angebracht 11. Versandfehler Abb. 4.3. Ursachen fiir Fehler und Störungen

Erneuter Versand

594

Haijme Yamashina, Teil V

(1) Arbeiter machen Fehler bei der Bearbeitung von Werkstücken- unbearbei-

tete, in umgekehrter Reihenfolge bearbeitete oder überarbeitete Werkstücke. (2) Aufgrund der Unaufmerksamkeit der Arbeiter schwanken Teilgrößen, und es kommt zur Fehlmontage von Teilen. (3) Hervorgerufen durch fehlende Teile oder in umgekehrter Reihenfolge angebrachte Teile verursachen Arbeiter zum Zeitpunkt der Anbringung am Montagegestell und/oder an Maschinen Schrammen, nicht akzeptierbares Aussehen, nicht bearbeitete Stücke oder in umgekehrter Reihenfolge befestigte Teile. (4) Arbeiter vergessen, einige Teile zu befestigen, montieren falsch gewählte Teile, montieren WerkstUcke in umgekehrter Reihenfolge oder montieren Werkstücke zum Zeitpunkt der Montage unvollständig. (5) Arbeiter vergessen, kleine Teile fest-oder lockerzumachen, wie z. B. Schrauben oder Muttern. (6) Aufgrund der Vielzahl verschiedener Teile montieren die Arbeiter sie falsch zusammen und verursachen dadurch Schäden oder Maschinenstops. Das passiert meist mit kleinen Teilen wie z. B. Schrauben. (7) Bei der Auslieferung vergessen die Arbeiter Etiketten, Namensschilder u.ä. anzubringen, oder sie bringen die falschen Etiketten an. Abbildung 4.3 zeigt die verschiedenen Ursachen fiir Fehler und die resultierenden Störungen. Anstatt eine annehmbare Fehlerquote festzulegen und sich daran zu halten, müssen spezielle Punkte wie z. B. fool proof devices entwickelt und dort ins Verfahren eingebaut werden, wo Arbeiter am ehesten dazu neigen, Fehler zu machen. Auch wenn ein Defekt nur selten auftritt, wenn er aus Achtlosigkeit verursacht wird, muß er durch die Anwendung von fool proof devices beseitigt werden. 4.2.5 Qualitätskontrolle gekaufter Ware Abbildung 4.4. zeigt, wie die Einkaufsabteilung im Stadium der Produktionsvorbereitungen miteinbezogen werden kann, um die Qualität gekaufter Ware sicherzustellen. Wie in der Abbildung gezeigt, überprüfen Techniker der Einkaufsabteilung die übermittelten Daten eines Lieferanten, besuchen und erforschen die Verfahrenskapazität seines Produktionsverfahrens, bewerten die Artikel aufgrund verschiedener Maßnahmen und Tests und überprüfen auch das Wartungssystem. Wenn alles in Ordnung ist, kann die Inspektion eingehender Ware von diesem Lieferanten während des folgenden Produktionsstadiums wegfallen.

4 Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle

Einkaufsabteilung

Phase

Ij Grundlegende Einkaufspolitik

595

Zulieferer

I

(]

fili1 I ;1.Bestei!Jx>litik Jedes Quartal I I I I I I I I

Produktions•·or- 1 berei tungspinn

l

b

Produkti,·itätsuntcr-

suclmng und erste

Kostenplanung

Trennung ,·on l _I Auswahl der Zuliefcrer innerhalb und I-+-+--;:>!.I (Sitzung für die außerhalb ~ 1 Bestellung neuer teile) angefertigten Teilen I I I

r'

:

tallungsänderungcn

1

f--Dt·l Herstellung J'---tl Prototypen

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Regisuiercn des

..-------t-f rur die produktion-

~

1 ... flanung der Zeichnungsher- 1---+-t-.

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I

s,·orbcnrung zuständigen Personals

!Bestellung zur Produkt•·orbercitung

J

I Anleitung zu. _ . 1----+---i:>l Planuno 1 /, od der \ert'nhrcn '-- ' - ---t>iQuaJitätsspc1.1fJkallonJ /Pr uktgestaltung r--r~::+----ct.::.::==~:_;:..:.:_:.::.::_:::.:_:j

i

I

Erkläruno der crfordcrlfchcn Qualität

IL______-t:>~-~Vorbcreitungsplan

L

I

1--~t---~-' Sitzung zur Di skus ioni.JQ---+-+----\-+-' ~

j

der Qualilii~

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I'----------'I Vorschlag für Massenproduktion

r

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I

l

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(

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Planuno und Spruml'onichtungcn I Durchführung jfc:r---1-- •C>t,.on \ 'crfallrcnund Werkzeuge sanpassungcn

... I Bcsliitigung der 1-+-+----DI.I Zulicfcnmg bei Bcgim1

_]

[

IJQ---+--t~'--IAnlagenplanung

l. I Genelm1iguno für !Hilfe für [J--t-;----Dt-1Fcrtigungsruifagen. IProduktionstechnikcnJ I I I I I I I I I I I I I I I

'-

b

I

Masscnprodukt-b - Jons •·ersuch jB·~ 1

'bcrprüfen der Verfahrenskapazität

~

b

j Beginn der

J

Massenproduktion

L----------~

Abb. 4.4. Einbeziehung der Einkaufsabteilung im Stadium der Produktionsvorbereitungen

596

Haijme Yamashina, Teil V

4.3 Qualitätskontrolle im Stadium täglicher Produktion 4.3.1 Statistische Arbeitsverfahrenskontrolle (SPC) durch Verwendung der Kontrollkarte Die Variationen von Qualitätsmerkmalen in der Produktion sollten innerhalb der gegebenen Toleranzen beibehalten werden, weil sie die Abweichung vom Zielwert der Entwurfsqualität bedeuten. Das Hauptkonzept der Qualitätskontrolle in dieser Phase lautet: "Man schicke niemals Mängel oder Fehler weiter zum nächsten Arbeitsvorgang." Bisweilen wird dieses Motto wie folgt paraphrasiert: "Der nächste Arbeitsvorgang ist euer Kunde." Um dies zu realisieren, muß der Vorgang unter Kontrolle sein, und die Stückinspektion muß auf die eine oder andere Weise durchgefilhrt werden. In der täglichen Produktion muß daher der Prozeß sorgfaltig gesteuert werden, um zu sehen, ob er durch die SQC unter Kontrolle gehalten wird: Beim Ausfüllen der X-R Kontrollkarte und der Histogramme müssen die folgenden drei Punkte Bestätigung fmden: (1) Der zentrale Wert des Histogramms ist der Zielwert der Qualitätseigenschaften. (2) Die Variationen der Qualitätseigenschaften sind in den Toleranzen gegeben. (3) Der Verfahrenskapazitätsindex Cp wird eingehalten.

4.3.2 Jeder einzelne Aspekt der Inspektion Um keine Mängel zu produzieren, muß, um ein wiederhohes Auftreten von Fehlern zu verhindern, eine Inspektion durchgeführt werden. Wie in Abb. 4.5. gezeigt, kann die Inspektion in zwei Arten unterteilt werden, wobei die erstere verwendet werden soll. Mit anderen Worten, die Aufgabe der Inspektion besteht nicht darin, Mängel aufweisende Stücke von den guten Stücken zu trennen, sondern Mängel zu beseitigen. Im Prinzip müssen Mängel sofort nach ihrem Auftreten beseitigt werden. Zu diesem Zweck muß jeder Aspekt der Inspektion theoretisch im Produktionsvorgang durchgeführt werden. Das Problem besteht darin, wie man dies auf wirtschaftlich sinnvolle Art tun kann. Die Hauptpunkte zur Vermeidung von Wiederholungsfehlern sind:

(1) Den Arbeitern muß das Bewußtsein vermittelt werden, daß ein jeder von ihnen ein Prüfer der Qualitätskontrolle ist. (2) Wenn sie ein schadhaftes Stück im Produktionsvorgang ausmachen, sollten sie dazu ermuntert werden, den gesamten Prozeß zu stoppen, um es in Ordnung zu bringen.

4 Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle

597

INSPEKTION ZUR ERFINDUNG VON FEHLERN AUS GliTE PRODUKTE

I

INSPEKTION

I I

'-----

INSPEKTION ZUR VERMEIDUNG VON FEHLERN

Abb. 4.5. Zwei Arten von Inspektion

(3) Sie benennen und kennzeichnen den Defekt, analysieren ihn und verfolgen ihn bis zu seinem Ursprung zurück, verbessern und halten fest, was danach geschehen ist. Für Punkt (3) sollte die sog. 5 Warum-Fragen-Methode angewandt werden. Die Ursache des Defekts muß verfolgt werden, indem man wenigstens fUnfinal fragt, WARUM der Defekt aufgetreten ist, und dann müssen die Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Inspektion kann, wie in Abb. 4.6. gezeigt, je nach der Stelle, an der sie durchgefilhrt wird, in zwei Arten unterteilt werden. Ursprungsinspektion nennt man die Inspektion, die die Ursache eines Fehlers entdeckt, bevor er auftritt, und somit sein Auftreten verhindert. Um die Produktion nicht zu stoppen, müssen so z.B. alle zum System gehörigen Teile richtig sein. Dies bedeutet, daß sie komplett geprüft werden müssen, bevor sie im System eingesetzt werden, um einem Systemstop vorzubeugen. Diese Art von Inspektion gehört zur Ursprungsinspektion. In einigen Fällen ist es jedoch schwierig, eine Ursprungsinspektion durchzutllhren. Dann muß eine Ergebnisinspektion gemacht werden. Das bedeutet, daß die Inspektion nach der Produktion durchgefilhrt wird. Man kann hier also von einer Inspektion zum Auffmden von Defekten sprechen. Die Ergebnisinspektion kann, wie in der Abbildung gezeigt, in vier Arten unterteilt werden. Um einen Defekt aufzuspüren, gilt das Prinzip ,je eher, desto besser", denn so können geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Daher ist es äußerst wichtig, die Inspektion innerhalb des Verfahrens durchzuführen. Es muß strikt vermieden werden, in der Endinspektion alle Punkte zu überprüfen. Prüfer können Qualität nicht einbauen. Der Punkt ist der, daß die Arbeiter die Qualität während ihrer Arbeit miteinbauen. Bei der maschinellen Anfertigung von Bohrern, Reibahlen oder Gewindebohrern ist es der Fall, daß im umgekehrten Verhältnis zur erhöhten Stückzahl von gefertig-

598

Haijme Yamashina, Teil V

VOR DEM HERSTELLU 'GSPROZEß

Q ELLEKO TROLLE

·-- VORHERSEHBARE FEHLER KONTROLLE WÄHRE DU D ACH HERSTELLUNGSPROZEß KO TROLLE ERGEB IS ·- - VORHERSEHBARE FEHLER

~

WÄHREND

DES PROZEBES

WÄHREND DER FOLGENDEN VORGANGES WÄHREND DER INSPEKTIO DES PRODUKTIONSYSTEJ'I!S W.~HREND

DES ENDKONTROLLEPROZEBES

Abb. 4.6. Zwei Arten der Inspektion je nach Ort

ten Teilen der Lochdurchmesser kleiner wird. Wenn man es als Eigenschaft betrachtet, daß sich die Qualität der Stücke mit fortschreitender Zeit ändert, kann eine Musterinspektion der Teile in der Reihenfolge ihrer Fertigung den gleichen Zweck erfilllen wie eine Stück-filr-Stück Inspektion. Das heißt, wenn das 50. Stück bei der Inspektion qualitativ vollwertig ist, kann man davon ausgehen, daß vom I. bis zum 49. Stück alle Produkte gut sind, und wenn das 100. Stück filr gut befunden wird, dann werden die Produkte vom 51. bis zum 99. Produkt als gut angesehen. Selbst wenn das 100. Stück einen Defekt aufweist, kann man die defekten Stükke durch die Prüfung des 51. bis 100. Stückes herausfinden. Bei dem gewöhnlichen Musterinspektionsverfahren werden die Produkte nach dem Zufallsprinzip von einer zu überprüfenden Menge genommen und auf der Grundlage der statistischen Ergebnisse wird eine Qualitätsprüfung durchgefilhrt. Die Anzahl der Werkstücke zwischen zwei Inspektionen wird Qualitätsinspektionsintervall oder Qualitätsinspektionsanzahl genannt. Das Qualitätsinspektionsintervall muß von der Lebensdauer der Werkzeuge her sehr sorgfliltig bestimmt werden. Qualitätskontrolle hat auch sehr viel mit Nachvollziehbarkeit zu tun. Das heißt, wenn der Produktionsprozeß schlecht organisiert ist, kommen die gefertigten Produkte nicht in der Reihenfolge der Bearbeitungsvorgänge heraus, sondern durcheinander. Selbst wenn dann ein mangelhaftes Stück gefunden wird, ist es schwierig

4 Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle

599

zu verstehen, in welchem Arbeitsvorgang der Defekt entstanden ist. In diesem Sinne müssen sowohl in Einzelprozessen als auch in Parallelprozessen die Teile in der Reihenfolge ihrer Bearbeitung geprüft werden. Abbildung 4.7. zeigt ein Beispiel fiir verbesserte Qualitätskontrolle. Das Produktionssystem hat im ersten Arbeitsvorgang zwei Maschinen (Nr. 1und Nr. 2), und alle Werkstücke, die vonjeder Maschine bearbeitet werden, werden durcheinander gemixt und dann in den 2. Arbeitsvorgang überfUhrt. Wenn ein Defekt bei der Überfilhrung in den 2. Arbeitsvorgang entdeckt wird, müssen alle Werkstücke, die auf dem Transportband bereits durcheinander liegen, in gute und fehlerhafte aufgeteilt werden. Das ist eine recht aufwendige Arbeit. Daher ist es besser, nach der Stück-filr-Stück-Inspektion nur gute Stücke zum 2. Arbeitsvorgang weiterzugeben.

LS

Förderband 2. VORGANG

·u Abb. 4.7. Beispiel zur Verbesserung der Qualitätskontrolle

4.3.3 QA Network In realen Situationen ist die Qualitätskontrolle oder die Überprüfung eines Qualitätskriteriums innerhalb des betroffenen Verfahrens nicht ausreichend, um zu verhindern, daß fehlerhafte Produkte die Fabrik verlassen. Deshalb müssen wichtige Qualitätskriterien innerhalb des Systems auf unterschiedliche Art und Weise zweimal, in bestimmten Fällen sogar dreimal überprüft werden. Abbildung 4.8 zeigt eine Matrix, genannt QA Network, die eine derartige Überprüfung darstellt. Diese Methode ist sehr nützlich, um fehlende oder schlecht eingepaßte Werkstücke oder die Montage falscher Teile, etc. zu vermeiden und die Qualität zu garantieren.

4.3.4 Festlegung der Standardarbeitsgänge Standardarbeitsgänge sind die Grundlage filr jeden Arbeiter beim Bedienen einer Maschine. Es gibt drei Hauptfaktoren filr Standardarbeitsgänge: Zykluszeit, Reihenfolge der Arbeitsgänge, Standardanzahl des in-process Lagerbestands. Unter Zykluszeit versteht man die Standardzeit, die zur Herstellung eines Werkstücks (oder Produkts) notwendig ist. Die Reihenfolge der Arbeitsgänge ist die, die ein

600

Haijme Yamashina, Teil V

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Abb. 4.8. QA-Matrix

Arbeiter befolgt, wenn erz. B. ein Werkstück von einer Maschine entlädt, die Maschine mit einem neuen Teil belädt und das schon bearbeitete Werkstück zur nächsten Maschine weiterfUhrt. Die Standardanzahl der bearbeiteten Werkstücke stellt das minimale work in process dar, um Arbeitsgänge durchzuftlhren. Dies beinhaltet auch das Werkstück, das gerade von der Maschine bearbeitet wird. Abbildung 4.9. zeigt das Beispiel eines Standardarbeitsganges. Der Arbeiter beginnt seine Tätigkeit (I), indem er das notwendige Material zusammenstellt, geht dann von Maschine (2) zu Maschine (12) und legt die fertige Einheit auf der Pallette ab, die mit (13) gekennzeichnet ist. Bei den Maschinen (2), (3), (4), (5), (6), (7), (8), (9) und (10) muß er Sicherheitsfaktoren berücksichtigen. An den Maschinen (2), (5), (10) und (12) muß er die Qualität überprüfen. Die Zahlen 1150 an Maschine (2) bedeuten, daß er jedes filnfzigste Werkstück überprüfen muß. Das System benötigt zwei weitere Lagerstellen zwischen den Maschinen (6) und (7), zusätzlich zu den vorhandenen an Maschine (6) und Maschine (7). Auf diese Art und Weise kann alles problemlos durchgeftlhrt werden. Ist der Standardarbeitsgang richtig festgelegt worden, dann wird dadurch die Fehlerquote Null garantiert. Wenn der Arbeiter diesen Standardarbeitsgang streng befolgt, sollten die geplanten Resultate erreicht werden und weder Unfälle noch Materialschäden auftreten. Sollten dennoch Defekte aufgefunden werden, so bedeutet das entweder (l) der Arbeiter hat die Vorgaben des Standardarbeitsganges nicht richtig befolgt, oder (2) das Material oder die dem System zugeftlhrten Teile waren falsch, oder (3) Maschinen, Ausrüstung, Preßformen oder Werkzeuge funktionieren nicht richtig. Das macht es einfach, die möglichen Ursachen filr Fehler aufzufinden.

4 Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle

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Abb. 4.9. Beispiel eines Standardarbeitsganges

4.3.5 Rolle des Vorarbeiters Die Rolle des Vorarbeiters besteht darin, den Anforderungen des Produktionsvolumens zu entsprechen, die Qualität zu sichern sowie das Herstellungssystem und den Bereich, fiir die er zuständig ist, zu verbessern. Um das zu erreichen, sollte er als erstes das System und den Bereich so anordnen, daß Störungen sofort optisch erfaßt werden können. Dafiir bedient man sich meist der folgenden Methoden: 1. Die Fünf S (Seiri, Organization; Seiton, Ordnung, Seiso, Reinheit, Seiketsu, Sauberkeit und Shitsuke, Disziplin) 2. Breite und gerade Gänge 3. Maschinenhöhe wird wegen Sichtbarkeit begrenzt 4. Festlegung der Standardanzahl der Werkstücke (oder Produkte) und des work in process, die eingehalten werden müssen 5. Standardisierte Lager fiir Material und Teile 6. Anwendung des Fifo - Prinzips (First In First Out) 7. Korrekturmechanismus 8. Stop-Knopf am Förderband ftlr jeden Bediener 9. Schalttafeln I 0. Bestimmter Bereich, in dem fehlerhafte Teile gelagert werden

602

Haijme Yamashina, Teil V

Damit Qualität in das Verfahren eingebaut werden kann, ist es wichtig, daß die Arbeiter für die Herstellung qualitativ hochwertiger Produkte motiviert sind. Aus diesem Grund muß der Vorarbeiter in engem Kontakt zu seinen Arbeitern stehen und eine gute Beziehung zu ihnen haben, so daß diese bereitwillig ihrer Tätigkeit nachgehen. Sollte ein Qualitätsproblem auftauchen, so wird der Vorarbeiter umgehend darüber unterrichtet, und er wird die notwendigen Gegenmaßnahmen einleiten. 4.3.6 Qualitätswartung In den heutigen Fabriken hat sich das Zentrum der Produktion meist von der Arbeit auf die Ausrüstung verlagert, und Qualität wird stark durch die Ausrüstung bedingt. Zwei Aspekte sind entscheidend, um die Qualität der Ausrüstung zu sichern. Sie betreffen den technischen Bereich und den des Managements: 1. Technische Aspekte: Festlegung der Bedingungen für Fehlerquote Null: (1) Sind die Bedingungen klar? (2) Sind sie einfach festzulegen? 2.Aspekte des Managements: kontrollieren, daß die Bedingungen fiir Fehlerquote Null aufrechterhalten werden: (3) Werden sie auch im Lauf der Zeit problemlos aufrechterhalten? (4) Wenn die Bedingungen sich verändern: wird das sofort bemerkt? (5) Wenn die Bedingungen sich verändern: kann der ursprüngliche Zustand wieder problemlos hergestellt werden? Die Ausrüstung muß so gewartet werden, daß die Fehlerquote Null gesichert wird. Das geschieht durch die affermative Beantwortung der oben genannten Fragen. Die PM-Analyse ist ein nützliches Instrument zur Festlegung der Bedingungen für die Fehlerquote Null. Einzelheiten sind bei Shirose3l zu fmden. Diese Art der Wartung wird Qualitätswartung genannt und ist ein sehr wichtiger Aspekt für die Sicherstellung der Fehlerquote Null. 4.3.7 QC Gruppen-Tätigkeiten Um Produkte herzustellen, die den Anforderungen der Kunden entsprechen, ist es wichtig, dies schon bei der Herstellung in der Werkhalle zu berücksichtigen. Das Qualitätsbewußtsein und die Motivation der Arbeiter sind dabei von elementarer Bedeutung. Anders gesagt: auf unserem derart konkurrenzorientierten Markt können schwache Leistungen der Bediener nicht mehr geduldet werden. QC GruppenTätigkeiten bedeuten, daß eine kleine Gruppe in ihrem Bereich freiwillig Tätigkeiten für die Qualitätskontrolle durchfUhrt. Die Basisziele der QC Gruppen-Tätigkeiten können wie folgt zusarnmengefaßt werden:

4 Die wichtigsten Tätigkeiten bei der Qualitätskontrolle

603

1. Die Arbeiter mit einbeziehen und ihnen Qualitätsbewußtsein vermitteln. 2. Den Arbeitern die Möglichkeit geben, sowohl ihr Wissen als auch ihre Fähigkeiten selbst weiterzuentwickeln, so daß sie ihre Aufgaben zur vollsten Zufriedenheit aller durchfUhren können. 3. Diese menschlichen Fähigkeiten voll entfalten und eventuell zahllose andere Möglichkeiten schaffen. 4. Eine gratifizierende Arbeitsumgebung schaffen. 5. Zur Verbesserung und Entwicklung des gesamten Unternehmens beitragen.

4.3.8 Qualitätskontrolle erstandener Waren

Tabelle 4.3. zeigt Möglichkeiten der Qualitätskontrolle zwischen Kunde und Lieferant. Es existieren acht Stufen: Stufe 1. Da weder in der Prüfungsabteilung des Kunden noch in der des Lieferanten Kontrollen durchgeführt werden, muß die Herstellungsabteilung jedes einzelne Stück überprüfen, damit keine fehlerhaften Teile in das Produktionssystem eintreten. Stufe 2. Da es normalerweise zu kostspielig ist, jedes einzelne Stück in der Herstellungsabteilung zu überprüfen, übernimmt die Prüfungsabteilung diese Aufgabe. Der Nachteil dieser Kontrollstufe liegt darin, daß der Lieferant nicht versucht, seine Qualität zu steigern. Stufe 3. Im Prinzip sollte der Lieferant jedes Stück fUr den Kunden überprüfen. Selbst wenn der Lieferant das tut, kann der Kunde eventuell gezwungen sein, nochmals jedes Stück zu kontrollieren, wenn die Kontrollmethode des Lieferanten nicht korrekt ist, oder wenn der Kunde sich nicht auf die Kontrolle des Lieferanten verlassen kann. Stufe/ 4. Wenn der Kunde auf einer Stufe angelangt ist, auf der er dem Lieferanten vertrauen kann, dann muß er in seiner Prüfungsabteilung nur noch Stichproben durchfUhren. Stufe 5. Die Verantwortung fUr die Qualitätssicherung liegt natürlich beim Hersteller. Wenn dieses Prinzip also auf den Lieferanten angewandt wird, muß die Herstellungsabteilung selbst jedes einzelne Teil überprüfen. So müssen die Prüfungsabteilungen des Lieferanten und des Kunden lediglich Stichproben durchfUhren. Stufe 6. Wenn die Herstellungsabteilung des Lieferanten einfach nur jedes Teil überprüft, dann führt das nicht zu einer Verminderung der Defekte. Diese Abteilung muß also richtige Verfahrenskontrollen durchfiihren, um Fehler zu beseitigen. Sollte die Verfahrenskapazität jedoch nicht ausreichen und weiterhin Fehler auftreten, so muß wieder jedes einzelne Stück überprüft werden. Wenn die Herstellungsabteilung in der Lage ist, die Verfahrenskontrolle korrekt durchzufUhren und- falls nötig- jedes einzelne Teil zu überprüfen, dann muß die Prüfungsabteilung des Lieferanten nur noch Stichproben durchfUhren. Die Prü-

Stichprobentest oder Kontrolltest Kontrolltest oder keine Kontrolltest Kontrolltest oder keine Kontrolltest Keine Kontrolle

Verfahrenskontrolle Stichprobentest Verfahrenskontrolle Kontrolltest Verfahrenskontrolle Keine Kontrolle

6

7 8

1OO%ige Kontrolle Stichprobentest oder Kontrolltest

-

4

I OO%ige Kontrolle Stichprobentest

100%igc Kontrolle

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3

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Produktionsabteilung Prüfabteilung

Kunde

1

Niveau

Zulieferer

Tabelle 4.3 Möglichkeiten der Qualitätskontrolle zwischen Kunde und Lieferant

I00%ige Kontrolle

Produktionsabtei !ung