Lastprofil und Lastkollektiv im Vergleich für die Antriebsdimensionierung

Das Wichtigste auf einen Blick

Was ein zeitliches Lastprofil abbildet

Ein Lastprofil ordnet jedem Abschnitt eines Arbeitszyklus ein Drehmoment in Newtonmeter und eine Drehzahl zu. Die Daten stammen aus Messungen, aus der Simulation des Bewegungsablaufs oder aus Vorgaben des Maschinenbauers. Abtastrate und Zykluslänge legen die Datenmenge fest.

Bei einem Takt von 4 Sekunden und einer Abtastrate von 1 Kilohertz entstehen 4000 Wertepaare je Zyklus. Ergebnis sind der Verlauf, die Momentenspitzen, die Dauer jedes Abschnitts in Prozent und die Lastspielzahl je Zyklus. Daraus folgt das äquivalente Drehmoment für die Erwärmung.

Typische Anwendungsfälle sind Servo- und Positionierantriebe, Werkzeugmaschinen und Roboterachsen. Bei den Betriebsarten S3 und S6 trägt der Verlauf die Bemessung, weil Einschaltdauer und Spieldauer den Grenzwert der Erwärmung bestimmen. Die Regeln dazu bündelt der Normenausschuss Maschinenbau (NAM).

Wie das Lastkollektiv Betriebsdaten verdichtet

Das Lastkollektiv fasst lange Betriebszeiträume zu Drehmomentklassen zusammen. Jede Klasse nennt einen Drehmomentbereich, die Anzahl der Lastspiele und den Zeitanteil in Prozent. Gezählt wird über Rainflow-Verfahren, Bereichspaarzählung oder Klassierung.

Der Datenaufwand ist geringer. Vier bis zwölf Messwochen genügen, aufbereitet in einem Klassierprogramm. Ergebnisgrößen sind der Kollektivumfang in Lastspielen, die Kollektivform und das äquivalente Drehmoment.

Eingesetzt wird das Verfahren bei breitem Lastspektrum und langer Laufzeit: Förderbänder, Pumpen, Winden und Kompressoren. Seltene Spitzen verschwinden nicht, sie werden über die Schadensakkumulation nach Palmgren-Miner gewichtet. Einen Überblick über die geltenden DIN-Normen gibt das DIN.

Direkter Vergleich anhand von sechs Kriterien

Beide Verfahren arbeiten mit denselben Messgrößen und lassen sich ineinander überführen. Der Unterschied liegt im Zeitbezug und im Umfang der Daten. Für das äquivalente Drehmoment liefern sie vergleichbare Werte, sofern die Klassierung fein genug ist.

Spitzenmoment, Anfahrstrom und Zwischenkreis folgen nur aus dem Profil. Wälzlagerlebensdauer und Getriebeauslegung rechnen beide Wege über die Lastspielzahl.

Beispielrechnung mit denselben Ausgangsdaten

Ein Zyklus besteht aus drei Abschnitten: 15 Newtonmeter für 10 Prozent der Zeit, 8 Newtonmeter für 30 Prozent und 3 Newtonmeter für 60 Prozent. Das äquivalente Drehmoment folgt aus der dritten Wurzel des gewichteten Mittelwerts der dritten Potenzen.

Als Textformel gilt: M_eq = (0,1 × 15³ + 0,3 × 8³ + 0,6 × 3³)^(1/3) = 507,3^(1/3) = rund 8,0 Newtonmeter. Das Lastkollektiv führt über dieselben drei Klassen zum gleichen Wert, sofern die Klassengrenzen dieselben Bereiche abdecken.

Unterschiedlich bleibt die Spitze. Das Profil weist 15 Newtonmeter über 10 Prozent der Zykluszeit aus, das Kollektiv nur die Häufigkeit dieser Klasse. Für die Umrichterauslegung zählt der Spitzenstrom, für die Erwärmung die 8,0 Newtonmeter. Berechnungsprogramme wie MDESIGN führen diese Schritte für Antriebsstränge zusammen.

Die Lastspielzahl folgt aus der Zyklusdauer. Bei 4 Sekunden je Zyklus, 8 Stunden Betrieb je Tag und 250 Betriebstagen entstehen 1,8 Millionen Lastspiele jährlich. Oberhalb der Ecklastspielzahl gilt Dauerfestigkeit, darunter Zeitfestigkeit.

Entscheidungshilfe: welches Verfahren wann trägt

Die Wahl folgt aus Taktzeit, Lastspektrum und der Größe, die die Auslegung begrenzt.

Annahme für den Kostenvergleich: 95 Euro netto je Ingenieurstunde und 19 Prozent Umsatzsteuer. Ein Kollektiv aus 16 Ingenieurstunden kostet 1.520 Euro netto, brutto 1.808,80 Euro. Ein Profil mit Messkampagne benötigt 40 Stunden, also 3.800 Euro netto und 4.522 Euro brutto. Bei mehreren Anlagen sinkt der Aufwand je Auslegung.

Hersteller wie Lenze veröffentlichen Motorenprogramme mit Kennlinien und Auswahldaten für diese Auslegung.

Häufige Fragen

Reicht ein Lastkollektiv für die Motorgröße?

Für die thermische Auslegung reicht es, sofern Kollektivumfang, Kollektivform und Kühlung bekannt sind. Spitzenmomente und Stromgrenzen sind zusätzlich zu prüfen, weil sie im Kollektiv nur als Häufigkeit erscheinen.

Wann ist ein Lastprofil zwingend?

Zwingend wird es bei Umrichterbetrieb mit hohen Momentenspitzen, bei Taktzeiten unter zehn Sekunden und bei Aussetzbetrieb. Auch Zwischenkreis und Bremswiderstand verlangen den Verlauf statt einer Verteilung.

Welche Norm gilt für welches Verfahren?

IEC 60034-1 regelt Betriebsarten und Grenzübertemperaturen von Drehstrommotoren. DIN 50100 beschreibt Schwingfestigkeitsversuche und die Erzeugung von Kollektiven. Die FKM-Richtlinie liefert den rechnerischen Festigkeitsnachweis für Bauteile.

Wie viele Lastspiele sind für den Nachweis nötig?

Die Zahl folgt aus Werkstoff, Wöhlerlinie und Bauteilgeometrie. Oberhalb der Ecklastspielzahl gilt Dauerfestigkeit, darunter Zeitfestigkeit. Das Kollektiv liefert die Summe, das Profil zusätzlich die Verteilung je Zyklus.