Bei der Produkt- und Maschinenkonstruktion ist das Konzept des „Sicherheitsfaktors“ von entscheidender Bedeutung, um Beschädigungen oder Ausfälle von Bauteilen zu verhindern. Der Sicherheitsfaktor ist ein Kennwert, der angibt, wie viel Spielraum gegenüber der tatsächlich auf ein Material oder Bauteil einwirkenden Belastung vorgesehen werden muss, und dient als Entscheidungsgrundlage zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit eines Produkts.

Bei der Auswahl eines Motors ist es für die Verlängerung der Produktlebensdauer und die Verringerung des Ausfallrisikos unerlässlich, einen angemessenen Sicherheitsfaktor für die zu erwartende Belastung festzulegen.

In diesem Artikel werden die Grundlagen des Sicherheitsfaktors – von der grundlegenden Definition über die Berechnungsmethode und die Festlegung in der Praxis bis hin zu Richtwerten für die Maschinenkonstruktion – auch für Anfänger leicht verständlich erläutert.

Was ist ein Sicherheitsfaktor?

Der Sicherheitsfaktor ist ein grundlegendes Konzept, das bei der Produktkonstruktion dazu dient, die Sicherheit von Werkstoffen und Bauteilen zu gewährleisten. In der tatsächlichen Einsatzumgebung können Belastungen auftreten, die über die bei der Konstruktion angenommenen Bedingungen hinausgehen, und es bestehen verschiedene Unwägbarkeiten wie Schwankungen der Werkstoffeigenschaften oder altersbedingte Verschleißerscheinungen. Die Aufgabe des Sicherheitsfaktors besteht darin, angemessene Sicherheitsmargen festzulegen, um diesen Risiken vorzubeugen.

Inhalt dieses Abschnitts

• Definition und grundlegende Bedeutung des Sicherheitsfaktors
• Warum bei der Produktkonstruktion Sicherheitsfaktoren erforderlich sind

Ein korrektes Verständnis des Sicherheitsfaktors ermöglicht eine zuverlässige Produktkonstruktion. Im Folgenden werden wir uns die konkrete Definition des Sicherheitsfaktors sowie die Gründe für dessen Notwendigkeit bei der Konstruktion näher ansehen.

Definition und grundlegende Bedeutung des Sicherheitsfaktors

Der Sicherheitsfaktor ist ein dimensionsloser Wert, der sich aus der „Nennfestigkeit des Werkstoffs geteilt durch die tatsächlich auftretende Spannung“ ergibt und die Sicherheitsreserve bei der Konstruktion angibt. Zu den Nennfestigkeiten zählen beispielsweise die Zugfestigkeit und die Streckgrenze; sie dienen als Maß für die maximale Spannung, der ein Werkstoff standhalten kann. Die tatsächlich auftretende Spannung hingegen bezeichnet einen Wert, der sich aus den Belastungen ergibt, denen ein Bauteil im Einsatz ausgesetzt ist.

Beträgt der Sicherheitsfaktor beispielsweise 2,0, bedeutet dies, dass die Nennfestigkeit des Werkstoffs das Doppelte der tatsächlichen Spannung beträgt. Dadurch lässt sich eine Sicherheitsreserve für unerwartete Belastungen oder Veränderungen der Einsatzbedingungen gewährleisten. Je höher der Sicherheitsfaktor ist, desto größer ist die Sicherheitsreserve; da eine zu hohe Einstellung jedoch zu erhöhten Kosten führt, ist ein angemessenes Gleichgewicht erforderlich.

Warum bei der Produktkonstruktion Sicherheitsfaktoren erforderlich sind

In der Praxis kann es vorkommen, dass die Belastung die bei der Konstruktion vorgesehenen Grenzwerte überschreitet. Zudem können bei der Herstellung Abweichungen hinsichtlich der Abmessungen und der Festigkeit der Werkstoffe auftreten, und Veränderungen der Werkstoffeigenschaften aufgrund von Alterung lassen sich nicht vermeiden.

Darüber hinaus gibt es zahlreiche Faktoren, die in der Konstruktionsphase nicht vollständig vorhersehbar sind, wie beispielsweise die unterschiedlichen Bedienungsgewohnheiten der Anwender oder die unterschiedlichen Aufstellungsbedingungen. Um diesen Unwägbarkeiten Rechnung zu tragen und die Sicherheit sowie Zuverlässigkeit des Produkts zu gewährleisten, ist die Festlegung eines Sicherheitsfaktors von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei medizinischen Geräten, bei denen Menschenleben auf dem Spiel stehen, sowie bei Industriegeräten, bei denen Ausfälle erhebliche Verluste nach sich ziehen können, ist es erforderlich, auf der Grundlage verschiedener Normen und Risikobewertungen einen konservativen Sicherheitsfaktor festzulegen.

Berechnungsmethode und Ermittlung des Sicherheitsfaktors

Die Berechnung des Sicherheitsfaktors ist ein wichtiger Schritt, der die Grundlage der Konstruktion bildet. Um eine genaue Berechnung durchzuführen, müssen die Nennfestigkeit des Werkstoffs sowie die tatsächlich auftretenden Spannungen oder Belastungen korrekt ermittelt werden. Im Folgenden werden die Berechnungsformel für den Sicherheitsfaktor sowie die konkreten Berechnungsschritte erläutert.

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• Der Zusammenhang zwischen der Berechnungsformel für den Sicherheitsfaktor und der zulässigen Spannung
• Beispiel für die Berechnung des Sicherheitsfaktors

Das Verständnis der Berechnungsformeln ermöglicht es Ihnen, in der Praxis fundierte Konstruktionsentscheidungen zu treffen. Im Folgenden werden die grundlegenden Berechnungsmethoden für den Sicherheitsfaktor bis hin zu konkreten Beispielen Schritt für Schritt erläutert.

Der Zusammenhang zwischen der Berechnungsformel für den Sicherheitsfaktor und der zulässigen Spannung

Der Sicherheitsfaktor (S) wird berechnet als „Nennfestigkeit (σB) ÷ tatsächlich auftretende Spannung (σ)“ oder als „Bruchlast ÷ Betriebslast“. Die zulässige Spannung ergibt sich aus der Nennfestigkeit, geteilt durch den Sicherheitsfaktor, und gibt die Obergrenze der Spannung an, die ein Bauteil bei der Auslegung aufnehmen kann.

Zu den Nennfestigkeiten zählen die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Ermüdungsgrenze; deren Auswahl muss entsprechend den Einsatzbedingungen erfolgen.Bei vorwiegend statischen Belastungen wird in der Regel die Streckgrenze zugrunde gelegt, während bei Bauteilen, die wiederholten Belastungen ausgesetzt sind, die Ermüdungsgrenze als Maßstab dient. Die angemessene Festlegung der zulässigen Spannung trägt dazu bei, den Bereich zu definieren, in dem der Betrieb sicher und ohne Materialversagen erfolgen kann. Das Verständnis dieser Zusammenhänge ist der erste Schritt zu einer zuverlässigen Konstruktion.

Beispiel für die Berechnung des Sicherheitsfaktors

Als konkretes Beispiel berechnen wir den Sicherheitsfaktor für ein Bauteil aus Stahl mit einer Zugfestigkeit von 400 MPa und einer Streckgrenze von 230 MPa, in dem eine Spannung von 100 MPa auftritt. Bezieht man sich auf die Streckgrenze, beträgt der Sicherheitsfaktor 230 ÷ 100 = 2,3.

Dieser Wert zeigt an, dass eine Sicherheitsreserve des 2,3-fachen der tatsächlichen Spannung besteht, und gilt als Richtwert, der in der allgemeinen Maschinenkonstruktion häufig als angemessener Bereich angesehen wird.Wird hingegen die Zugfestigkeit als Maßstab herangezogen, beträgt der Sicherheitsfaktor 400 ÷ 100 = 4,0, wodurch eine noch größere Sicherheitsreserve gewährleistet werden kann. Bei der tatsächlichen Konstruktion ist es erforderlich, den Maßstab entsprechend den Einsatzbedingungen auszuwählen: So wird beispielsweise bei vorwiegend statischen Belastungen die Streckgrenze zugrunde gelegt, während bei spröden Werkstoffen oder in Anwendungen, in denen ein Bruch nicht zulässig ist, die Zugfestigkeit herangezogen wird.

Festlegung des Sicherheitsfaktors und Richtwerte

Bei der Festlegung des Sicherheitsfaktors reicht es nicht aus, diesen lediglich in eine Berechnungsformel einzusetzen; vielmehr ist eine umfassende Beurteilung der Einsatzbedingungen und Produkteigenschaften erforderlich. Durch die Festlegung eines angemessenen Sicherheitsfaktors lässt sich das Verhältnis zwischen Produktzuverlässigkeit und Kosten optimieren.

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• Grundsätze für die Festlegung des Sicherheitsfaktors
• Richtwerte für Sicherheitsfaktoren im Maschinenbau und deren Anwendung bei der Motorauswahl

In der Praxis wird der Sicherheitsfaktor unter Berücksichtigung der individuellen Einsatzbedingungen festgelegt, wobei Branchenstandards und bisherige Erfahrungen als Anhaltspunkte dienen. Im Folgenden werden der konkrete Ansatz zur Festlegung des Sicherheitsfaktors sowie Richtwerte erläutert.

Grundsätze für die Festlegung des Sicherheitsfaktors

Bei der Festlegung des Sicherheitsfaktors werden die Eigenschaften der Belastung (statisch, dynamisch, stoßartig), die Zuverlässigkeit und Streuung der Werkstoffe, die Einsatzbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Korrosionsanfälligkeit), die Häufigkeit von Wartungs- und Inspektionsarbeiten sowie die Auswirkungen im Falle eines Ausfalls umfassend bewertet.

Ist die Belastung statisch und vorhersehbar, ist ein niedrigerer Sicherheitsfaktor unbedenklich; bei Stoßbelastungen oder wiederholten Belastungen ist jedoch ein höherer Sicherheitsfaktor erforderlich.Zudem wird der Sicherheitsfaktor höher angesetzt, wenn die Streuung der Materialeigenschaften groß ist oder die Einsatzbedingungen extrem sind. Bei Bauteilen, deren Wartung und Inspektion schwierig ist, sowie bei Anwendungen, bei denen ein Ausfall Menschenleben gefährden könnte, ist eine besonders sorgfältige Beurteilung erforderlich. Da ein übermäßig hoher Sicherheitsfaktor zu einer Gewichtszunahme des Produkts und zu höheren Kosten führt, ist ein angemessenes Gleichgewicht von entscheidender Bedeutung.

Das Konzept des Sicherheitsfaktors im Maschinenbau und die Auswahl von Motoren

Bei der allgemeinen Maschinenkonstruktion müssen die Sicherheitsfaktoren entsprechend den verwendeten Werkstoffen und der Art der Belastung (statisch, dynamisch, Stoßbelastung) angemessen festgelegt werden. Da die konkreten Festlegungen von den Normen und dem Verwendungszweck abhängen, müssen Sie stets Werte festlegen, die den einschlägigen Industrienormen sowie den Einsatzbedingungen der jeweiligen Anlage entsprechen.

Bei der Auswahl eines Motors ist es wichtig, die Stoßbelastung beim Anlaufen sowie das Trägheitsmoment zu berücksichtigen. Insbesondere bei Anwendungen mit häufigen Start-Stopp-Zyklen oder solchen, die eine hochpräzise Positionierung erfordern, haben die Leistungsmerkmale des Motors einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des gesamten Produkts.

Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron erzeugen nahezu kein Rastmoment und zeichnen sich durch eine gleichmäßige Drehcharakteristik aus, wodurch eine hochpräzise Steuerung ermöglicht wird. Dank ihrer vibrationsarmen und langlebigen Konstruktion sind sie eine geeignete Wahl für Anwendungen, bei denen hohe Zuverlässigkeit gefordert ist, wie beispielsweise in medizinischen Geräten und Industrieanlagen.

Zusammenfassung

Der Sicherheitsfaktor ist ein Kennwert zur Gewährleistung der Sicherheit bei der Produktkonstruktion und stellt einen dimensionslosen Wert dar, der sich aus dem Quotienten der Nennfestigkeit des Werkstoffs und der tatsächlich auftretenden Spannung ergibt. In der Praxis wird er unter umfassender Berücksichtigung der Art der Belastung, der Einsatzbedingungen sowie der Auswirkungen im Falle eines Ausfalls festgelegt.

Auch bei der Auswahl eines Motors ist es wichtig, verschiedene Faktoren wie die Belastung beim Anlaufen und das Trägheitsmoment zu berücksichtigen. Die kernlosen Motoren von C.I. Takiron zeichnen sich durch geringe Vibrationen, hohe Präzision und hohe Zuverlässigkeit aus und kommen daher auch in Anwendungen zum Einsatz, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie beispielsweise in medizinischen Geräten und Industrieanlagen.

Produktinformationen und Kontakt

Ausführliche Informationen zu den Mikromotoren von C.I. Takiron finden Sie auf der folgenden Website.

• Produktseite: https://cik-ele.com/
• Kernlose Motoren: https://cik-ele.com/products/list/coreless_motor/
• Bürstenloser Motor: https://cik-ele.com/products/list/brushless_motor/
• Getriebemotoren: https://cik-ele.com/products/list/gearhead/
• Encoder: https://cik-ele.com/products/list/encoder/

Sollten Sie bei der Auswahl kleiner Motoren für Ihre Produktentwicklung auf Schwierigkeiten stoßen, können Sie sich gerne über das Kontaktformular an uns wenden. Unsere technischen Berater werden sich mit Ihnen über den Einsatzzweck und die Anforderungen beraten und Ihnen die optimale Lösung vorschlagen.

• Kontakt: https://cik-ele.com/contact/