Wer eine Drehverbindung auslegen mรถchte, benรถtigt mehr als die Angabe โDie Konstruktion wiegt vier Tonnenโ. Entscheidend ist auch, wo die Last angreift, wie die Drehachse liegt und welche Belastungen gleichzeitig auftreten. Derselbe Drehkranz kann bei mittiger Belastung anders beansprucht werden als bei einer deutlich kleineren, weit auskragenden Last.
Dieser Beitrag zeigt anhand einer vereinfachten Wendehaspel, wie sich Axiallast und Kippmoment bestimmen lassen. Sie erfahren auรerdem, welche Angaben fรผr die anschlieรende Lagerauswahl wichtig sind und weshalb das Kippmoment nicht mit dem benรถtigten Antriebsmoment gleichgesetzt werden darf.
Welche Belastungen wirken auf eine Drehverbindung?
Fรผr die erste Betrachtung werden die Krรคfte auf die Drehachse und die Lagermitte bezogen:
| Grรถรe | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| Axialkraft Fโ | Kraft parallel zur Drehachse | N oder kN |
| Radialkraft Fแตฃ | Kraft senkrecht zur Drehachse | N oder kN |
| Kippmoment Mโ | Moment um eine Achse quer zur Drehachse | Nm oder kNm |
| Antriebsmoment Mโ | Moment um die Drehachse, das die Drehbewegung erzeugt | Nm oder kNm |
Bei einer waagerecht eingebauten Drehverbindung mit vertikaler Drehachse erzeugt eine ruhende Gewichtskraft eine Axiallast. Liegt ihr Angriffspunkt seitlich neben der Drehachse, entsteht zusรคtzlich ein Kippmoment. Eine horizontale Kraft kann Radiallast erzeugen und bei entsprechendem Hรถhenabstand zur Lagermitte ebenfalls ein Kippmoment verursachen.
Bei horizontaler Drehachse mรผssen die Krรคfte neu zugeordnet werden. Eine Skizze mit Drehachse, Lagerposition, Schwerpunkt und Kraftrichtungen verhindert Missverstรคndnisse schon bei der Anfrage.
Axiallast aus dem Gewicht berechnen
Fรผr die Gewichtskraft gilt:
F = m ร g
Dabei ist m die Masse in Kilogramm und g die Erdbeschleunigung mit nรคherungsweise 9,81 m/sยฒ. Bei vertikaler Drehachse und ausschlieรlich vertikalen Gewichtskrรคften ergibt sich die Axiallast aus der Summe der getragenen Massen:
Fโ = m_gesamt ร 9,81 m/sยฒ
Eine Gesamtmasse von 4.000 kg erzeugt somit eine Axiallast von 39.240 N beziehungsweise 39,24 kN. Zu berรผcksichtigen sind alle รผber das Lager abgestรผtzten Massen, also beispielsweise Werkstรผck, Spannmittel und drehender Aufbau.
Zusรคtzliche Prozesskrรคfte sowie Belastungen beim Beschleunigen, Bremsen oder Aufsetzen einer Last werden gesondert betrachtet.
Kippmoment einer auรermittigen Last berechnen
Fรผr eine einzelne vertikale Gewichtskraft neben einer vertikalen Drehachse gilt:
Mโ = F ร e = m ร g ร e
Der Abstand e ist hier der horizontale Abstand zwischen der Wirkungslinie der Gewichtskraft und der Drehachse. Bei einer Masse von 2.000 kg und einem Abstand von 1,0 m ergibt sich:
Mโ = 2.000 ร 9,81 ร 1,0 = 19.620 Nm = 19,62 kNm
Verdoppelt sich der Abstand bei gleicher Masse, verdoppelt sich auch dieses Kippmoment. Deshalb kann eine konstruktive Verlagerung des Schwerpunkts nรคher zur Drehachse die Lagerbelastung erheblich reduzieren.
Bei mehreren Krรคften werden die Momente unter Berรผcksichtigung ihrer Richtungen addiert. Entgegengesetzt wirkende Momente kรถnnen sich teilweise aufheben. Fรผr rรคumliche Lastfรคlle erfolgt die Ermittlung รผber die Momentenvektoren; die einfache Formel oben beschreibt den dargestellten Sonderfall.
Rechenbeispiel: Drehverbindung fรผr eine Wendehaspel
Betrachtet wird ein vereinfachtes Berechnungsbeispiel, keine dokumentierte Kundenreferenz. Eine Wendehaspel besitzt eine vertikale Drehachse. Der drehbare Aufbau wiegt 2.000 kg, sein Schwerpunkt liegt auf der Drehachse. Zwei gegenรผberliegende Aufnahmeplรคtze kรถnnen jeweils mit einer Coil von 2.000 kg beladen werden. Die Coil-Schwerpunkte befinden sich jeweils 1,0 m neben der Drehachse.
Fรผr die ruhende Konstruktion ergeben sich folgende Gewichtslastfรคlle:
| Lastfall | Gesamtmasse | Axiallast Fโ | Resultierendes Kippmoment Mโ |
|---|---|---|---|
| Aufbau ohne Coil | 2.000 kg | 19,62 kN | 0 kNm |
| Eine Seite beladen | 4.000 kg | 39,24 kN | 19,62 kNm |
| Beide Seiten gleich beladen | 6.000 kg | 58,86 kN | 0 kNm |
Bei beidseitiger Beladung ist die Axiallast am grรถรten. Bei einseitiger Beladung entsteht dagegen das grรถรte Kippmoment aus den hier betrachteten Gewichtskrรคften.
Die gegenรผberliegenden Coil-Momente heben sich nur bei gleichen Massen und gleichen Hebelarmen vollstรคndig auf. Unterschiedliche Coil-Gewichte oder Schwerpunktpositionen erzeugen auch bei beidseitiger Beladung ein verbleibendes Kippmoment.
Fรผr die Auswahl mรผssen deshalb beide Belastungskombinationen geprรผft werden: 58,86 kN mit 0 kNm sowie 39,24 kN mit 19,62 kNm. Das bloรe Auswรคhlen nach โsechs Tonnen Traglastโ wรผrde den einseitigen Lastfall nicht ausreichend beschreiben.
Die Zahlen enthalten noch keine Stoร-, Prozess- oder zusรคtzlichen dynamischen Belastungen und keine Anwendungsfaktoren. Insbesondere das Aufsetzen der Coils und die Bewegung der Haspel benรถtigen eigene Betrachtungen.
Wie wird die Tragfรคhigkeit im Belastungsdiagramm geprรผft?
Die ermittelten Lastkombinationen bilden den Ausgangspunkt fรผr die Lagerauswahl. Nach Berรผcksichtigung der fรผr Anwendung und Lager geltenden Faktoren werden sie anhand der zugehรถrigen Tragfรคhigkeitsunterlagen beurteilt. Bei Diagrammen fรผr Axialkraft und Kippmoment wird jeder relevante Lastfall als zusammengehรถriger Belastungspunkt betrachtet.
Ein einzelner maximaler Axiallastwert und ein einzelner maximaler Kippmomentwert dรผrfen nicht ohne Weiteres als gleichzeitig zulรคssige Belastung interpretiert werden. Radialkrรคfte kรถnnen zusรคtzliche Berechnungsschritte erfordern. Maรgeblich ist das Verfahren fรผr die betreffende Baureihe; Berechnungsfaktoren anderer Lager sind nicht pauschal รผbertragbar.
Neben der statischen Tragfรคhigkeit sind Betriebsprofil und erforderliche Gebrauchsdauer zu prรผfen. Eine seltene Verstellung und wiederholtes Schwenken im Schichtbetrieb stellen unterschiedliche Anforderungen.
Baureihen und technische Unterlagen finden Sie im ATH-Katalog fรผr Drehverbindungen.
Warum Schrauben und Anschlusskonstruktion dazugehรถren
Die Lasten werden รผber die Lagerringe und deren Befestigung in die Maschine รผbertragen. Zur Auslegung gehรถren daher auch Schraubverbindungen und Anschlussflรคchen. Ein ausreichend tragfรคhiges Lager allein bestรคtigt noch nicht die Tragfรคhigkeit der gesamten Baugruppe.
Fรผr die Bewertung werden unter anderem Lochbilder, Schraubendaten, Auflageflรคchen und die Steifigkeit der angrenzenden Konstruktion benรถtigt. Auch zulรคssiges Spiel und geforderte Genauigkeit sollten frรผh feststehen. Die รbersicht der ATH-Drehverbindungen zeigt die verfรผgbaren Ausfรผhrungen und die wesentlichen Auswahlkriterien.
Kippmoment und Antriebsmoment unterscheiden
Im einseitigen Haspelbeispiel betrรคgt das Kippmoment 19,62 kNm. Daraus folgt nicht, dass der Motor zum Drehen ebenfalls 19,62 kNm aufbringen muss. Bei der angenommenen vertikalen Drehachse erzeugt die vertikale Gewichtskraft kein Moment um diese Drehachse.
Fรผr das Antriebsmoment sind unter anderem Reibung, รคuรere Widerstรคnde und die gewรผnschte Winkelbeschleunigung entscheidend. Der reine Beschleunigungsanteil betrรคgt:
M_Beschleunigung = J ร ฮฑ
Hierbei bezeichnet J das Massentrรคgheitsmoment um die Drehachse und ฮฑ die Winkelbeschleunigung in rad/sยฒ. Fรผr die Motorauswahl kommen auรerdem รbersetzung und Wirkungsgrad hinzu.
Bei einer horizontalen Drehachse kann die Gewichtskraft hingegen ein winkelabhรคngiges Moment um die Drehachse erzeugen. Lagerung und Motorisierung werden deshalb gemeinsam betrachtet, aber mit unterschiedlichen Belastungsgrรถรen berechnet. Hinweise zum Gesamtsystem finden Sie im Beitrag Schwenkantrieb richtig auslegen.
Welche Daten benรถtigt ATH Technik fรผr eine Anfrage?
Eine aussagekrรคftige Anfrage enthรคlt mรถglichst folgende Informationen:
- Skizze oder Zeichnung mit Einbaulage, Lagerposition und Drehachse.
- Massen, Schwerpunktabstรคnde und zusรคtzliche Krรคfte fรผr jeden relevanten Lastfall.
- Bereits bekannte Axialkrรคfte, Radialkrรคfte und Kippmomente samt Berechnungsannahmen.
- Drehzahl, Schwenkwinkel, Bewegungen pro Stunde und tรคgliche Betriebsdauer.
- Verfรผgbaren Bauraum, Anschlussmaรe und gewรผnschte Verzahnung.
- Umgebungsbedingungen sowie Anforderungen an Spiel und Genauigkeit.
- Stรผckzahl und gewรผnschte Lieferzeit.
ATH Technik unterstรผtzt Sie bei der Auswahl einer passenden Drehverbindung. Je nach Einbausituation kommen Standardausfรผhrungen oder eine Sonderlรถsung infrage. Wird zusรคtzlich eine motorisierte Drehbewegung benรถtigt, lassen sich auch Schwenkantrieb-Systeme mit Motor und Steuerung in die Konzeptauswahl einbeziehen.
Sie mรถchten eine Drehverbindung auslegen lassen?
Senden Sie uns Ihre Zeichnung oder eine Skizze mit Lasten und Schwerpunktabstรคnden.
Hรคufige Fragen zur Auslegung von Drehverbindungen
Reicht das Gewicht zur Auswahl eines Drehkranzes?
Nein. Zusรคtzlich mรผssen insbesondere Lastangriffspunkte, Einbaulage und Betriebsbedingungen bekannt sein. Eine auรermittige Last erzeugt ein Kippmoment, das durch eine reine Gewichtsangabe nicht beschrieben wird.
Entsteht bei symmetrischer Beladung kein Kippmoment?
Bei ideal gleich schweren, gegenรผberliegenden Lasten mit gleichen Hebelarmen heben sich die betrachteten Gewichtsmomente auf. Andere Krรคfte sowie ungleiche Beladungszustรคnde mรผssen dennoch berรผcksichtigt werden.
Ist eine Drehverbindung mit hรถherem Kippmoment automatisch die bessere Wahl?
Entscheidend ist, dass sie sรคmtliche Anforderungen der Anwendung erfรผllt. Dazu gehรถren kombinierte Belastungen, Betriebsprofil, Anschlussgeometrie und Genauigkeit. Ein einzelner hรถherer Katalogwert reicht fรผr diese Bewertung nicht aus.
Kann aus dem Kippmoment direkt die Motorleistung berechnet werden?
Nein. Die Motorleistung hรคngt vom benรถtigten Antriebsmoment und der Drehzahl ab. Das Kippmoment beschreibt eine andere Momentenkomponente und dient der Bewertung der Lagerbelastung.
