antriebstechnik 8/2015

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN
Elemente Simulation bestimmt. Bild 01
zeigt exemplarisch das Modell eines Planetenträgers,
wo sich unter Einwirkung
eines Torsionsmoments der Übergang von
Schaft zu Käfig (siehe Vergrößerung) als
kritischste Bauteilstelle erweist. Im Hinblick
auf einen statischen Nachweis wird
für diesen Hotspot der Verlauf der ersten
Hauptnormalspannung über der Wandstärke
unter Einwirkung von Extremlasten
bestimmt, während beim zyklischen Nachweis
dieser analog unter Einwirkung eines
Lastkollektivs ermittelt wird.
Der Beanspruchung widersetzt sich die
dritte wichtige Eingangsgröße, die Beanspruchbarkeit
des Werkstoffs. Der Planetenträger
wird regulär im Sandgussverfahren
aus EN-GJS-700-2 gefertigt. Diese
graue Gusseisengüte mit Kugelgraphit
zeichnet sich durch eine Zugfestigkeit von
etwa 700 MPa und einer Bruchdehnung
von rund 2 % aus. Der hohen Festigkeit
steht eine extrem niedrige Zähigkeit gegenüber,
wie es Bild 03 mit dem Verlauf
der Kerbschlagarbeit über der Temperatur
verdeutlicht. Für einen Kaltwetterstandort
sind die Komponenten einer Windenergieanlage
für -40 °C auszulegen. Hier befindet
sich EN-GJS-700-2 bereits in der Tieflage,
was die werkstofftypische niedrige Zähigkeit
nochmals verschärft.
Die Linear Elastische Bruchmechanik,
welche unterstellt, dass plastische Bereiche
von vernachlässigbarem Ausmaß sind,
ist geeignet das Werkstoffverhalten von
EN-GJS-700-2 zu beschreiben. Im Rahmen
eines statischen Nachweises ist für spröde
Werkstoffe die Bruchzähigkeit der kritische
Grenzwert. Wird diese von der Beanspruchung
überschritten, setzt Rissinitiierung
ein, unmittelbar gefolgt von Rissinstabilität.
Im Rahmen eines zyklischen Nachweises
sind der Schwellwert für Rissausbreitung
sowie die Parameter eines Rissfortschrittsgesetztes
zu bestimmen. Somit kann beurteilt
werden, ab welcher Beanspruchung
ein Riss wächst und wie schnell dies erfolgt.
Welche Strukturmodelle bieten sich an?
Das Strukturmodell soll sowohl die Bauteilgeometrie
als auch den darin enthaltenen
Riss und die auf ihn wirkende Beanspruchung
wiedergeben. Es existieren
zahlreiche Modelle, die eine Substitution
der komplexen Bauteilstruktur erlauben
und für die eine analytische Lösung des
Spannungsintensitätsfaktors, der die Verhältnisse
an der Rissspitze beschreibt,
vorliegt. Auf Grund der äußeren Gestalt
des Planetenträgers bieten sich das Modell
einer Platte oder insbesondere das eines
Hohlzylinders an. Letzteres zeigt Bild 04
schematisch mit azimutal orientiertem
Oberflächenriss (rot hervorgehoben).
Wie wird der Nachweis erbracht?
Zunächst wird im Rahmen eines statischen
Nachweises die kritische Risslänge bestimmt.
Hierzu wird die durch äußere
Beanspruchung hervorgerufene Spannungsintensität
der Bruchzähigkeit gleichgesetzt.
Unter Berücksichtigung von
Sicherheitsfaktoren gilt der Nachweis als
erbracht, wenn die berechnete, kritische
Risslänge größer als die im Fehlermodell
spezifizierte Ausgangsrisslänge ist.
Im Rahmen des zyklischen Nachweises
wird ausgehend von der Ausgangsrisslänge
der Risszuwachs unter Einwirkung eines
Lastkollektivs berechnet. Wenn die sich
ergebende Endrisslänge kleiner als die
kritische Risslänge des statischen Nachweises
ist, gilt das Bauteil als sicher.
Derzeit erfolgt die Überführung des
Einheitsblattes 23902 in eine englischsprachige
Ausgabe. Abhängig von den Standortbedingungen
könnte ein bruchmechanischer
Nachweis auch für zähere Gusseisengüten
notwendig werden. Die Ausarbeitung einer
entsprechenden Richtlinie unter Berücksichtigung
der Elastisch Plastischen Bruchmechanik
ist derzeit in Planung.
www.iwm.rwth-aachen.de
Literaturhinweise: [1] VDMA 23902 − Leitlinie für
den bruchmechanischen Nachweis von Planetenträgern
aus EN-GJS-700-2 für Getriebe von Windenergieanlagen,
Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2014.
[2] IEC 61400-1 Wind turbines − Part 1: Design
requirements, Genf, 2005.
[3] IEC 61400-4 Wind turbines − Part 4: Design
requirements for wind turbine gearboxes, Genf, 2012.
[4] DIN EN 12680-3 Gießereiwesen − Ultraschallprüfung
− Teil 3: Gussstücke aus Gusseisen mit
Kugelgraphit, Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2012.
[5] DIN EN 1369 Gießereiwesen − Magnetpulverprüfung,
Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2013.
[6] DIN EN 1371-1 Gießereiwesen − Eindringprüfung
− Teil 1: Sand-, Schwerkraftkokillenund
Niederdruckkokillengussstücke, Berlin: Beuth
Verlag GmbH, 2012.
[7] DIN EN ISO 148-1 Metallische Werkstoffe
− Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy − Teil 1:
Prüfverfahren, Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2011.
[8] C. Berger, Bruchmechanischer Festig -
keits nachweis für Maschinenbauteile,
Frankfurt, M: VDMA-Verlag, 2009.
03 Kerbschlag arbeit über Temperatur bestimmt an Probe mit V-Kerbe nach
DIN EN ISO 148-1 [7] und Gefügeaufnahme für EN-GJS-700-2
04 Strukturmodell eines Hohlzylinders mit
Oberflächenriss (rot hervorgehoben) [8]