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Aktoren zur Aktuierung linearer Tragwerkselemente
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Burghardt, Timon; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Ein Ansatz zur Verringerung des Material- und Energieverbrauchs über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes stellen adaptive Strukturen dar. Mittels Sensoren, Aktoren und einer Regelungseinheit sind diese Tragwerke in der Lage, aktiv auf äußere Belastungen zu reagieren. Durch das Aufbringen von Kräften oder Verschiebungen kann der Spannungszustand in der Struktur oder in einzelnen Bauteilen verändert werden. So können dynamische Lasten gedämpft und (quasi-)statische Lasten umverteilt werden. Bisherige Studien zu adaptiven Strukturen fokussieren das Tragverhalten aufgrund der Aktuierung. Die dazu erforderlichen Aktoren sind dabei von untergeordneter Bedeutung. Für eine effektive Aktuierung müssen das Strukturelement und der Aktor gemeinsam betrachtet werden. Dies erfordert eine ganzheitliche Entwicklung. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit ist es, diese Entwicklung aus Sicht der Aktorik zu unterstützen. Dabei wird das Thema auf die Aktuierung von linearen Strukturelementen beschränkt. Konkret wird die Frage beantwortet, wie durch die Variation bereits bestehender Lösungen für Teile des Gesamtsystems aktuierbare Strukturelemente entwickelt werden können. Hierzu werden zunächst die benötigten Teilfunktionen ermittelt und in Funktionsstrukturen zusammengefasst. Daraus lassen sich Aktuierungskonzepte ableiten, aus denen die Anforderungen an die Aktorik hervorgeht. Die Konkretisierung der ermittelten Teilfunktionen führt zu einer Sammlung von Lösungsprinzipien. Anhand von vier Beispielen wird gezeigt, wie durch Variation der Lösungsprinzipien Aktoren zur Aktuierung linearer Strukturelemente entwickelt werden können. Alle Beispiele wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1244 (SFB 1244) untersucht. Zunächst werden die Anforderungen ermittelt. Die Konzeption erfolgt auf Basis der Lösungsprinzipsammlungen. Die Möglichkeit, durch Variation der Lösungsprinzipien ganzheitliche Konzepte zu erstellen, wird bestätigt. Die Funktion der adaptiven Strukturelemente wird an Prototypen experimentell validiert. Im ersten und zweiten Beispiel sind Aussteifungen und Stützen des Demonstrationshochhauses des SFB 1244 zu aktuieren. Dazu werden hydraulische Aktoren verwendet. Im Falle der Aussteifungen werden die Aktoren direkt in die lastabtragende Struktur eingebaut. Die Stützen bestehen aus Hohlprofilen, in deren Inneren sich die Aktoren befinden. Hier erfolgt die Aktuierung parallel zur äußeren Struktur. Die Funktion der beiden aktuierbaren Elemente wird an einer maßstabsgetreuen Prototypstruktur erfolgreich nachgewiesen. Im dritten Beispiel ist ein biegebeanspruchter Stahlbetonbalken zu aktuieren. Dazu werden in den Balken Druckkammern integriert, die sich aufgrund eines hydraulischen Innendrucks ausdehnen. Das dadurch entstehende Biegemoment wirkt der durch äußere Lasten verursachten Durchbiegung entgegen. Die Funktion wird an ca. 1,2 m langen Prototypen nachgewiesen. Die experimentelle Validierung erfolgt an einem ca. 4,4 m langen Balken. In einem vierten Beispiel ist ein weiterer Balken aus Stahlbeton zu aktuieren. Hierfür wird ein thermomechanischer Aktor entwickelt. Im Gegensatz zum vorigen Beispiel ist kein externes System zur Erzeugung und Leitung hydraulischer Drücke erforderlich. Der Funktionsnachweis erfolgt anhand eines ca. 1,2 m langen Balkens in einem Vier-Punkt-Biegeversuch.
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Analyse der Belastung und Beanspruchung von konischen Stirnrädern in kreuzender Achslage
(2015) Beck, Matthias; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wurden neue numerische und analytische Methoden für die Ermittlung der Lastverteilung und Beanspruchung von Beveloidrädern in kreuzender Achslage entwickelt und vorgestellt. Beveloidräder gehören, ebenso wie die bekannten Stirnräder, zur Gruppe evolventischer Zahnräder, da sie mit den gleichen zahnstangenartigen Werkzeugen gefertigt werden können. Die Zahnform ist aufgrund der über der Breite veränderlichen Profilverschiebung variabel. Im Gegensatz zu Stirnrädern ermöglichen Beveloidräder eine kreuzende Achsanordnung. Abhängig von der gewählten Zahnbreite und den Profilverschiebungswinkeln kann ein Achswinkel von bis zu 20° realisiert werden. Die kämmenden Zahnflanken berühren sich in der Regel punktförmig, woraus eine Konzentration der Belastung und Beanspruchung resultiert. Aus diesen Gründen sind Auslegungsmethoden und Simulationsprogramme anderer Zahnradformen nicht ohne Weiteres auf Beveloidräder anwendbar. Nicht zuletzt deshalb ist der Einsatz von Beveloidrädern im Maschinenbau deutlich weniger verbreitet als der von Stirn- oder Kegelrädern. Abwandlungen von Auslegungsprogrammen anderer Zahnformen, welche die geometrischen Besonderheiten von Beveloidrädern berücksichtigen sollen, befinden sich in der Entwicklung. Die darin enthaltenen Berechnungsmodelle, wie beispielsweise die FEM, erfordern für ihre Anwendung verschiedene Formen von Aufwand, etwa Rechenzeitbedarf, Kosten für die Lizenz der Software und Nutzerkenntnisse. Für eine breite Anwendung von Beveloidverzahnungen in unterschiedlichsten Einsatzbereichen ist daher eine analytische Methode besonders vorteilhaft, mit der die Beanspruchung einer Verzahnung ohne Computersimulationen bestimmt werden kann. Zur detaillierten strukturmechanischen Analyse der Beanspruchungen von Beveloidverzahnungen und zur Überprüfung eines analytischen Ansatzes wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Simulation mithilfe der Finiten-Elemente-Methode entwickelt. Dazu wurde das „Simulationsprogramm für Konische Stirnräder SimKoS“ des Instituts für Konstruktionstechnik und Technisches Design der Universität Stuttgart um eine Daten- und Steuerungsschnittstelle zum kommerziellen FE-Programm „ANSYS“ erweitert. Mit der Skriptsprache „APDL“ konnte das Vorgehen automatisiert und dadurch der Zeitbedarf zur Modellerzeugung und Ergebnisauswertung von mehreren Tagen auf wenige Sekunden reduziert werden. Das Vorgehen wurde an Stirnrädern getestet und die Ergebnisse mit analytischen Rechnungen nach [DIN3990] verglichen. Innerhalb von Screening-Versuchen für eine Vielzahl von Verzahnungen zeigte sich eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Mittels FE-Analysen konnte die Steifigkeit von Beveloidrädern systematisch untersucht werden. Aufgrund der Stirnschnittform ergeben sich zu Stirnrädern abweichende Steifigkeiten. Zur vereinfachten Ermittlung der Steifigkeit von Beveloidradstirnschnitten wurden Korrekturwerte definiert, welche die für Stirnräder in [DIN3990] enthaltenen Berechnungsgleichungen für Beveloidräder anpassen. Für die analytische Berechnung der Breitenlastverteilung und Fußbeanspruchung von Beveloidrädern in kreuzender Achslage wurde ein Rechenmodell vorgestellt. Das Modell vereinfacht die räumliche Beveloidradgeometrie durch eine Diskretisierung auf eine Reihung scheibenförmiger, ebener Stirnradpaarungen. Aufgrund der charakteristischen Diskretisierung wird das Modell als Scheibenmodell bezeichnet. Die Berechnung der Lastverteilung erfolgt innerhalb des Scheibenmodells mithilfe einer Analogie zu Druckfedern und den für Beveloidrädern angepassten Steifigkeitswerten. Für die Bestimmung der Fußspannung wird der Berechnungsansatz nach [DIN3990] und die ermittelten Breitenlastfaktoren verwendet. Ein Einsatz von Computerprogrammen ist dazu nicht erforderlich. Das Scheibenmodell bestimmt die höchste Fußbeanspruchung der Verzahnung, führt aber keine lokale Beanspruchungsanalyse wie etwa höherwertige Rechenverfahren durch. Die Ergebnisse des Scheibenmodells wurden durch Messungen an Beveloidrädern überprüft. Anhand von sechs verschiedenen Verzahnungen wurden die Ergebnisabweichungen zwischen den numerischen und analytischen Berechnungen bestimmt. Variiert wurden der Achswinkel, die Belastung, die aufgebrachten Flankenmodifikationen, die Tragbildlage und der Schrägungswinkel. Das Scheibenmodell ergab im Vergleich zu den Messungen ein um höchstens 9 % abweichendes Ergebnis und ist damit konservativ. Die Abweichung der FE-Simulation zu den Messungen war stets geringer. Damit sind die numerischen und analytischen Berechnungen anhand von Messungen bestätigt. Die Überprüfung des analytischen Scheibenmodells wurde durch die Simulation weiterer Beveloidverzahnungen in Screening-Versuchen systematisch ergänzt. Dabei zeigte sich, dass ein Achswinkel bis 10° im vorgestellten Rechenansatz keinen wesentlichen Einfluss auf die Ergebnisgüte besitzt. Für Schrägungswinkel von 10° betrugen die Abweichungen zwischen den analytisch und numerisch bestimmten Werten im Mittel ca. 6 % und bei einem Schrägungswinkel von 20° ca. 11 %. Die vorgestellten numerischen und analytischen Berechnungsverfahren unterstützen den Konstrukteur bei der Verzahnungsauslegung direkt und methodisch. Mit dem analytischen Ansatz ist die Berechnung wesentlicher Kenngrößen wie der Steifigkeit im Stirnschnitt, die Breitenlastverteilung und die Fußbeanspruchung möglich. Bisher nötige Abschätzungen von Kenngrößen sind bei der Berechnung nicht mehr erforderlich. Die Größenordnung der Ergebnisunterschiede im Vergleich zu höherwertigeren Rechenverfahren ist vergleichbar zur analytischen Auslegung von Stirnrädern nach DIN 3990. Die erzielten Ergebnisse können im Rahmen der Verzahnungsauslegung in einen nachfolgenden Tragfähigkeitsnachweis einfließen, beispielsweise für Anwendungsfelder, bei denen die Momentübertragung im Vordergrund steht, wie etwa Stellantriebe. Für Anwendungen mit weiteren Anforderungen, wie etwa geräuschreduzierte Verzahnungen, steht mit dem Scheibenmodell ein zusätzliches Auswahlkriterium möglicher Auslegungsvarianten im Vorfeld weiterführender Untersuchungen zur Verfügung. Das Vorgehen zur Auslegung ist mithilfe des Scheibenmodells deutlich strukturierter, methodisch fundiert, eindeutig dokumentiert und weniger aufwändig.
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Analyse und Bewertung von Wissen in der Produktentwicklung
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2020) Roth, Daniel Jörg; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht in der Entwicklung einer Methode zur Bewertung von Produktentwicklungswissen bzw. des in der Produktentwicklung benötigten Wissens. Aktuell gelingt es nur unzureichend, Wissen zielgerichtet zu entwickeln. Dies lässt sich unter anderem mit der mangelnden Kenntnis vorhandenen und benötigten Wissens in der Produktentwicklung erklären. Unerwünschte Folgen dieser intransparenten Wissensbestände können sich in längeren Entwicklungszeiten, steigenden Quoten an Entwicklungsfehlern, schlechterer Qualität der Produkte und damit einer langfristigen Schädigung der (nachhaltigen) Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen widerspiegeln. Eine zentrale Herausforderung besteht somit im Instrumentalisieren und Messen dieses Wissens. Als Konsequenz wurde folgende Hauptforschungsfrage formuliert: „Wie kann Produktentwicklungswissen definiert, strukturiert und analysiert werden, so dass eine Aussage bezüglich des vorhandenen sowie eine Abschätzung hinsichtlich des benötigten Wissens ermöglicht wird?“. Die entwickelte Gesamtvorgehensweise besitzt einen modularen Aufbau. Zu Beginn wird ein allgemeingültiges Verständnis von Wissen in der Produktentwicklung erarbeitet. Hierbei entsteht ein Strukturmodell für Wissen in der Produktentwicklung, das aus 14 Wissenstypen besteht. Für die zweckmäßige Bestimmung des notwendigen Wissens werden im Modul Wissensidentifikation drei Methoden angeboten. Für die Wissenserhebung vorhandenen Wissens werden zwei Handlungsstränge identifiziert: Für das Erheben kontextstarker Wissenstypen stehen fallspezifisch passende Methoden in einer Entscheidungsmatrix bereit. Kontextschwache Wissenstypen werden in angepassten Wissensstrukturen repräsentiert und mit geeigneten Fragestellungen überprüft. Ein weiteres Modul befasst sich mit dem Thema Wissensrepräsentation. Im Modul zur Wissensbewertung werden alle entstehenden Module zusammengeführt, so dass eine Gesamtvorgehensweise zur Bewertung von Wissen in der Produktentwicklung entsteht. Diese befähigt durch Darstellung der Ist- und Soll-Wissensstände zu Aussagen über benötigtes und vorhandenes Wissen. Bereits während der Erarbeitung der Methode werden die einzelnen Module auf ihre Anwendbarkeit und Unterstützung hin untersucht. In einer abschließenden Expertenevaluation wird der grundsätzliche Nachweis für den Nutzen der Methode geführt.
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Anwendungsspezifische Entwicklung eines proaktiven Konstruktionssystems auf Basis von Softwareagenten
(2014) Kratzer, Martin; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Innerhalb des ProKon-Projekts wurde der Kern eines proaktiven Konstruktionssystems auf Basis von Softwareagenten entwickelt. Zum Nachweis der grundlegenden Funktionsweise erfolgte darin ebenso die Ausrichtung dieses Kernsystems auf eine fiktive Anwendung, die in der Industrie evaluiert werden konnte. Zur Erbringung der Funktionalität müssen Softwareagenten generell Aufbau- und Ablaufstrukturen in einer Organisation repräsentieren, die sich jedoch nach Unternehmen, Branche und Produkt unterscheiden. Dem entsprechend kann ein proaktives Konstruktionssystem nicht alle Anwendungen gleichermaßen unterstützen. Das Kernsystem muss vielmehr auf eine spezifische Anwendung ausgerichtet werden. Unter Beachtung des Stands der Forschung ist dafür eine modellbasierte Vorgehensweise notwendig, die die Abgrenzung von Wissens- und Symbolebene berücksichtigt. Bisherige Vorgehensweisen zur Entwicklung von wissensbasierten Systemen und Agentensystemen konnten die aufgestellten Anforderungen nur punktuell erfüllen. Aus der Analyse des bereits existierenden Kernsystems aus dem ProKon-Projekt resultierte, dass ein Organisations-, ein Agenten- und ein Organisationsmodell von einem Wissensingenieur zu erarbeiten ist. Die Erarbeitung des Organisationsmodells als erstes Modell der Vorgehensweise hat das Ziel, den Einsatzkontext des proaktiven Konstruktionssystems anwendungsspezifisch zu analysieren und abzubilden. Generell leistet das auf eine Anwendung ausgerichtete, proaktive Konstruktionssystem besonders bei Variantenkonstruktionen Unterstützung. Dort werden geometrische Änderungen an einem bestehenden Produktmodell durchgeführt, was sich mit der Funktionalität des Systems deckt. Durch den Abgleich des so erhobenen Einsatzkontextes mit 31 vordefinierten Kriterien, ist es dem Wissensingenieur möglich, zu entscheiden, in wie fern der Einsatz des proaktiven Konstruktionssystems unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll ist. Das Agentenmodell als zweites Modell in der Vorgehensweise beinhaltet die Agenten, die für die Unterstützung der spezifischen Anwendung notwendig sind. An dieser Stelle erfolgt der Einsatz des Contact and Channel Approaches (C&C²-A) als Möglichkeit zur systematischen Produktanalyse. Letztlich ist es die Aufgabe des Wissensingenieurs, ein Wissensmodell zu erarbeiten um den identifizierten Agenten das richtige Wissen zur Unterstützung der spezifischen Anwendung zuzuweisen. Das Wissensmodell wird durch semi-formale Wissensbeschreibungen in Form von Wissenskarten dargestellt, die in einen Zusammenhang gebracht und Agenten zugewiesen werden. Die Erarbeitung der drei Modelle befindet sich auf der informalen Wissensebene. Die Ergebnisse aus der Vorgehensweise werden dem Softwareingenieur zur formalen Entwicklung des proaktiven Konstruktionssystems übergeben, der auf der Symbolebene operiert. Die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der Vorgehensweise konnte durch sechs Fachexperten bestätigt werden, wobei die Anwendbarkeit durch Untersuchungen mit Probanden zudem gesondert untersucht wurde. Eine Ergänzung fand durch die Evaluation des ProKon-Systems im industriellen Kontext statt, wobei acht Konstrukteure das ProKon-System testen konnten. Zur Entwicklung des Prototyps wurden zwei der drei Modelle erarbeitet und von einem Softwareingenieur umgesetzt. Die gesamte Evaluation ergab, dass 17 der 22 Anforderungen erfüllt wurden. Fünf Anforderungen wurden teilweise erfüllt.
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Auslegung von Kugelgewindetrieben bei oszillierenden Bewegungen und dynamischer Belastung
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2017) Münzing, Thomas; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
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Betriebsverhalten von konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbänden unter Biegelast
(2010) Schwämmle, Timm; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist der Einsatz der Kontaktoptimierung bei biegebelasteten Pressverbindungen. Über Entwicklung und Anwendung experimenteller und simulativer Methoden wird das Betriebsverhalten derartiger Verbindungen im Vergleich zu konventionellen Pressverbänden unter Beachtung der Reibdauerbeanspruchung analysiert sowie der Einfluss der Pressungshomogenisierung auf die Haltbarkeit untersucht. Die Methodik wurde erfolgreich auf Pressverbindungen unter Biegung angewandt und in der Praxis umgesetzt. Über die im Rahmen der Methodik entwickelte FE-Simulation können die Schlupfbewegungen und Pressungen im Kontakt von Maschinenbauteilen unter Last ermittelt und optimiert werden unter Beachtung spezifischer Reibarbeit und dem FFDP-Parameter. Zur dynamischen Belastung von Pressverbindungen wurde ein neuartiger Prüfstand entwickelt und realisiert. Das Prüfstandskonzept erlaubt die effiziente Erprobung von Pressverbindungen unter beliebiger Kombination von Biege- und Torsionsbelastung und beinhaltet die Entwicklung und Verwendung von kostenoptimierten Doppelproben. Zur Analyse des Schlupfs in Pressverbindungen unter Biegelast wurde ein experimentelles Verfahren zur direkten Messung der Relativbewegung zwischen Welle und Nabe entwickelt. Damit wurde der Schlupf in konventionellen und fugendruckhomogenisierten Pressverbindungen unter Biegung sowohl nach dem Fügen als auch nach dynamischer Biegelast mit hoher Genauigkeit gemessen. Parallel wurde eine FE-Simulationsmethode entwickelt, die das experimentell ermittelte Schlupfverhalten nachvollziehbar abbildet. Im Zusammenspiel von experimenteller und simulativer Analyse des Schlupfverhaltens und den Abpressversuchen sowie optischer Analyse der Schlupfbereiche sind sowohl Aussagen für das Betriebsverhalten biegebelasteter Pressverbindungen im Allgemeinen als auch relative Betrachtungen bzgl. des Einflusses der Pressungshomogenisierung möglich. Die Kernaussagen sind: - Das Schlupfverhalten von fugendruckhomogenisierten und konventionellen Pressverbänden unter Biegelast ist generell vergleichbar. - Die nach gewisser Betriebsdauer tatsächlich nur noch sehr geringen Schlupfwe-ge unter Biegelast wurden über Experiment und FE-Simulation sowohl qualitativ als auch quantitativ nachgewiesen. - Die bei den Proben gemessenen und nach der entwickelten Simulationsmethode berechneten Schlupfwege unter realistischen Reibwerten korrelieren mit dem op-tisch erfassten Verschleißverhalten. Dazu wurde eine Klassifizierung der optisch erkennbaren Schädigungszonen durchgeführt. Es lässt sich eine Oberflächen-schädigung bei Relativbewegungen kleiner als 1 µm proklamieren. Ein typischer RDB Anriss mit den typisch hohen Kerbwirkungszahlen ist schon bei Schlupf von ca. 0,5 bis 1 µm möglich. - Über den kombinierten Einsatz von Experiment, FEM und analytischen Berech-nungsverfahren ist auch eine quantitative Aussage zu den Reibwerten in den Schlupfbereichen möglich. Die bei den betrachteten Proben ermittelten Reibwer-te betragen ca. 0,2 im jungfräulichen Zustand. Nach Vorlast bewegen sie sich in einem Bereich von 0,5 bis maximal 0,7. - Die durch Abpressversuche ermittelten integralen Haftbeiwerte bewegen sich auf demselben Niveau wie die ermittelten Gleitbeiwerte in der Schlupfzone unter Biegelast. Unter Ansatz von annähernd gleichen Haft- und Gleitbeiwerten in den Schlupfbereichen konnten über vergleichende Betrachtungen keine deutlich erhöhten Reibbeiwerte gegenüber dem Rest der Fügefläche festgestellt werden. - Bezüglich Schädigung durch RDB und Anrisswahrscheinlichkeit sind nach Aus-wertung von Schädigungsparametern bei Reibwerten bis ca. 0,5 Vorteile durch die Fugendruckhomogenisierung festzustellen. Bei höheren Reibwerten ergeben sich nominell Vorteile bei den konventionellen Proben. Ob die Oberflächen der Bauteile diese sehr hohen Reibschubspannungen aufgrund der hohen Reibwerte in Verbindung mit hoher Pressung schadensfrei ertragen können, ist jedoch frag-lich. Da die Pressungshomogenisierung die Reibschubspannungen an der Nabenkante senkt, kann dies für die Dauerhaltbarkeit trotz des geringfügig höheren Schlupfes auch von Vorteil sein. - Die Dauerversuche fugendruckhomogenisierter Pressverbindungen ergaben keine Nachteile in der Haltbarkeit im Vergleich zu den konventionellen Ausführun-gen, sondern die Tendenz zu leicht erhöhter Haltbarkeit homogenisierter Proben. - Über Vergleich von bekannten analytischen Ansätzen zur Schlupfberechnung unter Biegung mit den experimentellen und simulativen Ergebnissen dieser Ar-beit wird ein Vorgehen zur Berechnung des Schlupfes in Pressverbindungen un-ter Biegung vorgeschlagen zur Analyse von Verbindungen in der Praxis. Der Einsatz der Fugendruckhomogenisierung und damit die Verwendung von Naben aus hartem und sprödem Werkstoff bei Pressverbindungen unter Biegelast sind damit möglich.
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Bewertungsverfahren zur Bestimmung des Erfolgspotenzials und des Innovationsgrades von Produktideen und Produkten
(2006) Reichle, Manfred; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Bewertungsverfahren zur Bestimmung der Chancen der Marktdurchsetzungsfähigkeit (Erfolgspotenzial) und des Grades an Neuheit (Innovationsgrad) von technischen Produktideen und Produkten. Ziel dieses neuen Verfahrens ist die quantitative Ermittlung von Kenngrößen, die einen Vergleich zu anderen Produkten (Vorgängermodelle oder Wettbewerbsprodukte) ermöglichen.
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Effiziente Methode zur Reduzierung von Spannungsspitzen im Fugendruckverlauf von zylindrischen Querpressverbänden
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Wagner, Markus; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit ermöglicht es, ohne teure und komplexe Softwarepakete eine Konturanpassung in der Trennfuge von zylindrischen Querpressverbänden zu definieren, durch die sich kritische Spannungsspitzen am Nabenrand vermeiden lassen und die problemlos auf Standard-CNC-Drehmaschinen gefertigt werden kann. In technischen Anwendungen steht die Welle in einem Querpressverband funktionsbedingt an mindestens einer Seite der Verbindung über die Nabe hinaus. Durch diesen Steifigkeitssprung kommt es zu Spannungsspitzen am Nabenrand, die besonders bei harten und spröden Werkstoffen versagenskritisch sein können. Zudem stellen die Spannungsüberhöhungen grundsätzlich eine unnötig große statische Grundlast (Mittelspannung) dar, welche die Dauerfestigkeit reduziert. Aktuell existieren einige Gestaltungsempfehlungen, die jedoch mangels Berücksichtigung verschiedener geometrischer Einflussfaktoren nicht allgemein anwendbar sind, die Spannungsspitzen nur verschieben aber nicht vermeiden oder zu einer starken geometrischen Beeinflussung der Funktionsflächen der Nabe führen, sodass diese in der Praxis keine breite Akzeptanz finden. Darüber hinaus sind Methoden bekannt, die auf Basis komplexer Finite-Elemente-Simulationen eine spezielle Trennfugenkontur liefern, um den Fugendruck in der Trennfuge eines Pressverbands sehr genau zu homogenisieren. Diese Methoden erfordern jedoch umfangreiche Softwaresysteme sowie Expertenwissen und führen zu einer sehr filigranen Trennfugenkonturierung, die auf Standardmaschinen nur äußerst schwer prozesssicher hergestellt werden kann. Weil die Spannungsverteilung in einem Pressverband analytisch nur für den Fall einer gleich langen Welle und Nabe berechnet werden kann, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, mit der ein Pressverband mit überstehender Welle in eine äquivalente Verbindung überführt wird, die die gleichen Steifigkeitseigenschaften aufweist und sich analytisch einfach berechnen lässt. Auf Basis von umfangreichen FE-Untersuchungen wurde ein Verfahren zur Gestaltung einer Trennfugenkontur abgeleitet, die mit wenigen analytischen Rechenoperationen definiert und auf branchentypischen CNC-Maschinen prozesssicher hergestellt werden kann. Für die Validierung der FE-Modelle und Optimierungsergebnisse kamen experimentelle Verformungsmessungen infolge des Fügevorgangs sowie Beanspruchungsanalysen mittels Dehnmessstreifen zum Einsatz.
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Einflüsse auf die Lebensdauer von Bus-Automatgetriebegehäusen
(2004) Kley, Markus; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Aufgrund des weltweit steigenden Verkehrsaufkommens nimmt die Anzahl der Stadt- und Überlandbusse ständig zu. Stadtbusse weisen im Gegensatz zu anderen Fahrzeugarten einen charakteristischen Fahrzyklus auf, der durch häufige Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgänge gekennzeichnet ist. Die Antriebsstrangkonfiguration, d. h. die Anordnung von Motor, Getriebe und angetriebenen Achsen von Bussen ist äußerst vielfältig. Daraus ergeben sich unterschiedliche Abtriebsvarianten für Getriebe, die in vielen Bussen zum Einsatz kommen sollen. Im Nutzfahrzeugbereich finden Automatgetriebe überwiegend in Stadtbussen ihre Anwendung. Die wesentlichen Gestaltungsmerkmale von Automatgetrieben werden ermittelt. Daraus wird der Aufbau eines Prinzipgehäuses abgeleitet. Des weiteren werden verschiedene Antriebsstrangkonfigurationen untersucht. Die Belastungen der Gehäuse sind insbesondere auf die Längsdynamik des Busses, auf Fahrbahnunebenheiten und auf Schwingungen zurückzuführen. Aufgrund der Längsdynamik entstehen am Getriebegehäuse Momente durch Kupplungen und den Retarder sowie Lager- und Stützkräfte. Der Einsatz eines Getriebetyps in unterschiedlichsten Fahrzeugen auf verschie-densten Strecken, führt zu einem breiten Belastungsspektrum der Bauteile. Neben der Drehmomentenkapazität des Motors sind für die Belastung der Getriebebauteile das Fahrzeuggewicht, die Achsübersetzung, das Schaltprogramm, die Topografie der Strecke und das Geschwindigkeitsprofil des Fahrzeugs von entscheidender Bedeutung. Hierzu ist die Bestimmung repräsen-tativer Streckendaten von großer Bedeutung. Basierend auf einer repräsentativen Anzahl an Messdaten bzgl. Topografie und Geschwindigkeit von realen Einsätzen werden die zeitabhängigen Belastungen sowie der Verbrauch und weitere Fahrparameter mittels Antriebsstrangsimulation ermittelt. Die Belastungen infolge von Lagerkräften, Kupplungsreaktionskräften und Retardermoment usw. werden an unterschiedlichen Stellen in unterschiedlichen Richtungen nicht proportional über der Zeit zueinander am Gehäuse abgestützt. Das bedeutet, dass eine mehrachsige Belastung vorliegt. Die Beanspruchungen werden mit Hilfe der Finiten-Element-Methode berechnet. Die Belastungen werden an den entsprechenden Stellen als Einheitslasten wirkend auf das Gehäuse bzw. die Anbauteile aufgebracht. Durch entsprechende Wahl der Lasten ist es möglich, z. B. dynamische Belastungen aufgrund des Schaltvorgangs in der Lebensdaueranalyse zu berücksichtigen. Die Beanspruchungen infolge multiaxialer Belastung werden für jeden Einheits-lastfall berechnet. Die Beanspruchung zu einem bestimmten Zeitpunkt wird durch Linearkombination der Beanspruchungen von den Einheitslastfällen mit den entsprechenden Lasten bestimmt. Die Kenntnis über den Zusammenhang zwischen Betriebsgröße und Bauteille-bensdauer hilft kritischere und weniger kritische Betriebsgrößen zu identifizieren sowie die Folgen der Änderung von Betriebsgrößen abzuschätzen. Unter anderem wurde der Einfluss der Durchschnittsgeschwindigkeit, die Anzahl der Stopps pro Kilometer, die Anzahl der Schaltungen, der Verbrauch, die Be-schleunigung, die Steigung und die Masse des Busses betrachtet. Der Einfluss verschiedener Abtriebsvarianten auf die Lebensdauer der Gehäuse wird außerdem betrachtet. Diese Parameter werden der Schädigung des Gehäuses gegenübergestellt um Korrelationen zu erkennen und die schädigungsverursachenden Betriebsgrößen zu ermitteln. Viele Stopps bzw. die Beschleunigungsphasen des Busses, die von einem Stopp ausgehen, führen zu einer hohen Gehäuseschädigung. Ein hoher Verbrauch tritt bei Strecken auf, bei denen eine hohe Schädigung am Gehäuse vorliegt. In einem vollbesetzten Bus wird das Gehäuse stärker beansprucht als in einem leeren Bus. In einem weiteren Schritt wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf Wellen und Zahnräder untersucht. Aus diesen Erkenntnissen heraus werden bauteilbezogene kritische Belastungskollektive für Gehäuse, Wellen und Zahnräder definiert. Als wesentliche Betriebsparameter für Busautomatgetriebe haben sich die Anzahl der Stopps, die Anzahl der Beschleunigungsvorgänge, die Steigung und die Gesamtmasse des Fahrzeugs herausgestellt. Ist ein Zusammenhang zwischen einem auf eine bestimmte Streckenlänge bezogenen Fahrparameter und der Bauteilschädigung erkennbar, kann ein Einheitszyklus definiert werden. Bei der Gegenüberstellung der bezogenen Fahrparameter und der bezogenen Schädigung muss ein kritischer Fahrparameter, wie z. B. die Anzahl der Stopps, entsprechend der Korrelation zwischen Fahrparameter und Schädigung definiert werden. Aufgrund der umfangreichen Untersuchungen ist es möglich, für die Getriebe-bauteile repräsentative Lastkollektive zu definieren. Als Grundlage hierfür diente der Zusammenhang unterschiedlicher Fahrparameter und der Schädigung verschiedener Getriebeteile. Durch die Definition entsprechender Einheitszyklen ist es möglich Versuchs- und Rechenzeiten zu reduzieren.
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Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen zum Überlastschutz in Werkzeugmaschinen
(2009) Dennig, Hans-Jörg; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Große Kollisionskräfte aufgrund eines Bedien- oder Programmierfehlers sind ein zentrales Problem bei der modernen Produktion mit hocheffizienten Werkzeugmaschinen. Dadurch entstehen teure Reparaturen vor allem an der Hauptspindel und den Spindelmutter-Antrieben, was zu langen Ausfallzeiten an der betroffenen Maschine führt. Eine Umfrage bei insgesamt 23 Anwendern und Herstellern von Werkzeugmaschinen ergab, dass die Service- und Ersatzteilkosten durch eine heftige Kollision bis zu 23.000 € betragen können. Verfügbare Überlastsicherungssysteme können derzeit weder die hohen Kollisionsschäden verhindern noch die Auswirkungen eines Schadens gering halten. Es bedarf also neuer Ansätze. Um dies zu ändern, wird eine Lösung verfolgt, die vorsieht, die Vorteile elektronischer und mechanischer Überlastsicherungssysteme zu vereinen. Diese Lösung basiert darauf, dass der erste Kontakt bei einer Kollision beispielsweise zwischen Werkzeug und Werkstück erkannt und über eine nachgeschaltete Entscheidungslogik verarbeitet wird. Durch diesen kontakterkennungsbasierten Ansatz ist es möglich, Kollisionen schneller als bei herkömmlichen Schutzsystemen zu erkennen und Maßnahmen einleiten zu können. Je nach Kollisionshärte muss die Maschine dann möglichst schnell gestoppt werden, wobei abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit zwei Strategien zur Verfügung stehen. Im Bereich niedriger Vorschübe kann mittels eines steuerungsinternen Notstopps die Maschine sicher gestoppt werden, ohne dass nennenswerte Schäden auftreten. Im Fall einer Kollision mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten reicht der interne Notstopp nicht mehr aus, weshalb die Steuerung ein Signal an eine aktiv geschaltete Sicherheitskupplung/-bremse weitergibt. Das schnell schaltende Bremssystem kann vor allem den Spindelkasten inkl. Hauptspindel schützen, indem die Überlast vom Bremssystem aufgenommen wird und bleibende Verformungen verhindert werden. Dazu muss das Bremssystem mit hoher Kraft schnellstmöglich wirken. Eine Überlastkupplung, die eine hohe Axialsteifigkeit aufweist und direkt an der Schnittstelle zwischen Antriebssystem und Werkzeugschlitten in die Spindelmutter integriert ist, kann den Kraftfluss infolge einer Kollision früh unterbrechen und somit das Antriebssystem schützen. Solche Maschinenelemente zur schnellen Kopplung bzw. Entkopplung von großen Kräften sind nach dem derzeitigen Stand der Technik und Forschung nicht verfügbar. Ziel dieser Arbeit ist somit die Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen am Beispiel des beschriebenen Überlastsicherungssystems für Werkzeugmaschinen mit Spindelmutter-Antrieben. Damit erfolgt eine Eingrenzung des Lösungsansatzes auf die mechanischen Komponenten. Die ebenfalls benötigte Steuerungstechnik zur Auslösung von Bremse bzw. Kupplung wird in einer weiteren Arbeit am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen entwickelt. Die Hauptanforderung an die einzelnen Systeme besteht dabei in der Verkürzung der Reaktionszeit. Maßnahmen zur Vermeidung von schwerwiegenden Beschädigungen infolge Kollisionen müssen in den ersten Millisekunden eingeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit wird zur Lösung dieser Aufgabe als Vorgehensweise der Produktentwicklungsprozess gemäß VDI2221 gewählt. Dabei wird gezeigt, dass die Anforderungen durch eine hydraulische Betätigung des Brems- bzw. Kupplungssystems erreichbar sind. Das Herzstück bildet daher ein Hydraulikventil, das durch einen extrem schnellen Aktor geöffnet wird. Das zentrale Problem dabei ist die Optimierung der Parameter Kraft, Weg und Zeit. So müssen die eingesetzten Aktorprinzipien hohe Kräfte und Wege innerhalb kürzester Reaktionszeit aufbringen. Das schnell schaltende Bremse-Kupplung-System wird hier exemplarisch für die x-Achse einer Fräsmaschine in Fahrständerbauweise entwickelt. Die Antriebssysteme bestehen dabei aus Kugelgewindetrieben. Es steht jedoch nicht die Werkzeugmaschine im Vordergrund, sondern die Entwicklung des Bremse-Kupplung-Systems, das somit auch in weiteren Anwendungsfeldern ihren Einsatz finden kann. Für die geforderte Aufgabenstellung leiten sich jedoch aus den Eigenschaften von Werkzeugmaschinen wie z. B. Verfahrgeschwindigkeiten, Steifigkeiten etc. verschiedene Anforderungen ab, welche die Basis für die vorliegende Arbeit darstellen.
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Fremdbetätigte Linearkupplungen für klemmtolerante Primärflugsteuerungsaktoren
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2018) Naubert, Alexander; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Ein Lösungsansatz für umweltfreundliche Technologien ist die Elektrifizierung von Flugsystemen unter der Überschrift „More Electric Aircraft“, das die Weiter- und Neuentwicklung von kundenspezifischen elektrischen Systemen mit hoher spezifischer Leistung umfasst. Hinsichtlich der primären Flugsteuerung von Hubschraubern gibt es allerdings noch erhebliche Sicherheitsrisiken, da diese Anwendung für elektromechanische Aktoren eine besondere Herausforderung darstellt. Insbesondere der Fehlerfall eines klemmenden Antriebsstrangs ist für diese Antriebe charakteristisch und muss aufgrund begrenzt verfügbarer Daten bei der Entwicklung berücksichtigt werden. Im Vorfeld dieser Forschungsarbeit wurde ein Lösungsansatz mit redundanten Stellantrieben gewählt, bei dem das Lösen von klemmenden Bauteilen mit Hilfe fremdbetätigter Linearkupplungen erfolgt. Nach Detektion mittels Sensoren sind die klemmenden Bauteile freizuschalten, sodass ein redundanter Stellantrieb die Steuerungsfunktion des ausgefallenen Aktors übernehmen kann. Die vorliegende Forschungsarbeit setzt bei der Neuentwicklung fremdbetätigter Linearkupplungen an, die aktiv steuerbar, schnell schaltend, kompakt, leicht und bei hoher Belastung robust schaltbar sein müssen. Konkret bedeutet dies, dass das Entkuppeln innerhalb von 20 ms bei Vorspannkräften von bis zu ±50 kN durchzuführen ist. Um eine Substitution der aktuell verwendeten servohydraulischen Aktoren direkt zu ermöglichen, müssen sowohl die Masseanforderung von maximal 2 kg pro Kupplung als auch die Bauraumanforderung an das Flugsteuerungssystems eingehalten werden. Als Bestandteil eines sicherheitskritischen Systems sind möglichst viele Teilfunktionen der Kupplungen im Rahmen von automatisierten Vorflugtests zu überprüfen, mit denen ein frühzeitiges Erkennen von Fehlfunktionen garantiert wird. Des Weiteren sind alle relevanten Fehlerursachen für einen klemmenden Antriebsstrang, d. h. insbesondere alle Schäden an wälzenden Kontakten, von den Kupplungen auch bei rauen Umgebungsbedingungen abzudecken. Hinzu kommt das für wälzende Kontakte ungünstige Belastungs- und Bewegungsprofil von stark hämmernden Lasten und kleinen oszillierenden Stellbewegungen der primären Flugsteuerungsaktoren. Um alle Anforderungen zu erfüllen, werden im Rahmen dieser Forschungsarbeit innovative Lösungen in reversibler und irreversibler Ausführung entwickelt und erprobt.
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Ganzheitliche Analyse und Optimierung der Systembelastungen schnell drehender Hochdruck-Radialventilatoren
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2023) Recker, Stefan; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Die Arbeit beschäftigt sich mit der umfassenden Untersuchung und Optimierung der Systembelastungen bei schnell drehenden Hochdruck-Radialventilatoren. Durch ein systematisches Vorgehen und gewonnene Erkenntnisse ermöglicht sie die Anwendung hoher Drehzahlen in Kombination mit der bewährten und kostengünstigen Blechbauweise von Laufrad und Gehäuse. Dies führt zu neuen Ventilatorentypen mit bisher nicht verfügbarer Effizienz und Betriebspunkten. Die herkömmlichen Blechbauweise-Ventilatoren sind meist ineffizient und bauen sehr groß, während Ventilatoren mit Freiformlaufrädern kompakter sind, aber teurer in der Herstellung. Die Arbeit schließt eine Marktlücke, indem sie schnell drehende Ventilatoren mit hoher Effizienz in kostengünstiger Blechbauweise untersucht. Die Studie analysiert und bewertet die auftretenden Belastungen im Ventilator, insbesondere die Lagerkräfte. Durch Lagerkraftmessungen und ein entwickeltes Vorauslegungsprogramm können effizient ausgelegte Ventilatoren hinsichtlich Lagerkräften und Lebensdauer vorhergesagt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wahl des Nennbetriebspunktes die lasttechnisch optimale Auslegungsdrehzahl beeinflusst, des Weiteren werden Maßnahmen zur Optimierung der Lebensdauern gefunden. Nach Festlegung der belastungsoptimalen Basisparameter erfolgt die Feingestaltung des Ventilators. Potenziell problematische Eigenfrequenzen werden analysiert und optimiert, um Resonanzen zu vermeiden. Die Arbeit betrachtet zudem den Fliehkrafteinfluss auf das hochbelastete Blechlaufrad mit Optimierungsmöglichkeiten durch den Einsatz von hochfesten Werkstoffen und Reduzierung von Kerbspannungen. Die vorgestellten Methoden und Optimierungsmöglichkeiten werden anhand zweier entwickelter Ventilatoren bewertet. Der direkte Vergleich mit anderen Herstellern bestätigt einen bis zu 30 % höheren Luftwirkungsgrad und kompakte, kostengünstige Blechbauweise. Die Arbeit schließt mit einem Leitfaden zur Analyse und Optimierung der Systemlasten.
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Geometrische Auslegung der Mikrogeometrie konischer Außenstirnräder mit kreuzenden Achsen
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2019) Traut, Christopher; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit beschreibt einen Ansatz, mit dem die erforderliche Flankenmodifikation von Beveloidradsätzen für konjugiertes Abwälzen auf Basis der Hauptverzahnungsdaten analytisch bestimmt wird und darauf aufbauend das Tragbild hinsichtlich Position und Größe bei gleichförmiger Drehübertragung gezielt eingestellt werden kann. Die Beveloidverzahnung ist eine evolventische Stirnradverzahnung mit entlang der Zahnbreite linear veränderlicher Profilverschiebung. Aufgrund der dadurch entstehenden konischen Zahnform ermöglichen Beveloidradsätze die Realisierung von Getrieben mit kleinen Achswinkeln bis etwa 15 Grad. Neben der Anwendung in Schiffsgetrieben, in Verteilergetrieben für PKWs und in spielarmen Robotergetrieben ist eine Anwendung überall dort sinnvoll, wo platzsparend mehrere An- und Abtriebe miteinander verbunden werden müssen (z. B. Hybrid- oder Allradantriebsstrang). Aufgrund der konischen Zahnform herrscht bei der Paarung zweier nicht flankenkorrigierter Beveloidräder oder eines Beveloidrads mit einem Zylinderrad in kreuzender Achslage stets Punktkontakt. Das in Folge dessen während des Zahnkontakts entstehende sehr kleine, meist außermittig liegende Tragbild zieht eine stark ungleiche Beanspruchung der Zahnräder nach sich. Zur Auslegung konischer Stirnradverzahnungen hinsichtlich Tragfähigkeit sind in der Literatur zahlreiche Ansätze dokumentiert, denen gemein ist, dass ein annähernd auf Linienkontakt korrigiertes Tragbild vorausgesetzt wird. Bislang besteht jedoch keine durchgängige analytische Methode zur definierten Bestimmung der für ein konjugiertes Abwälzen erforderlichen Flankenmodifikation. Vielmehr erfolgt die Auslegung der Mikrogeometrie oft auf Basis von Erfahrung iterativ oder mithilfe aufwendiger numerischer Verfahren. Ziel dieser Arbeit ist daher - neben dem Aufbau eines umfassenden Verständnisses für die Eingriffscharakteristik von Beveloidradsätzen - die Entwicklung einer Vorgehensweise, mit der Tragbildgröße und -lage für Beveloidradsätze in kreuzender Achslage basierend auf einem verzahnungsgeometrischen analytischen Ansatz unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit definiert eingestellt werden können. Die dargestellten Ergebnisse entstammen größtenteils Simulationen oder Berechnungen, die mithilfe des im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Computerprogramms SimKoS 2.0 durchgeführt wurden. Hierzu werden die theoretischen Grundlagen bzw. die Funktionsweise der Module zur Vordimensionierung, zur Erzeugung und Korrektur der theoretischen Verzahnungsgeometrie, zur Durchführung von Kontaktaktsimulationen lastfrei und unter Last, zur punktweise numerischen Berechnung des konjugierten Gegenzahnrads und zum Vergleich von in Form von 3D-Punktewolken vorliegenden Zahngeometrien erläutert. Durch eine ausführliche Analyse des Abwälzverhaltens unkorrigierter Beveloidradsätze wird die Kontaktcharakteristik systematisch untersucht. Die in der Simulation ermittelte Orientierung der Berührlinie sowie der Verlauf des Berührpunkts (PoC) werden durch theoretische Überlegungen bestätigt. Eine Untersuchung des Zahnkontakts von Zylinderrädern und Beveloidradsätzen mit numerisch ermittelter konjugierter Zahngeometrie zeigt, dass beide Verzahnungen auf Korrekturen bzw. Abweichungen der Zahnflanke oder der Achslage innerhalb der nach DIN definierten Verzahnungsqualität hinsichtlich Tragbildgröße und Drehfehler gleich unempfindlich sind. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, die konjugierte Zahnform bei der Auslegung im ersten Schritt einzustellen, bevor im zweiten Schritt eine Optimierung des Radsatzes auf einen Betriebspunkt mit dem vorhandenen Know-How für Zylinderradpaarungen stattfinden kann. Eine mittels Vergleich von unkorrigierter und konjugierter Zahngeometrie durchgeführte Studie der entstehenden Klaffung zeigt, dass die erforderliche Flankenmodifikation bei bereits mittig ausgerichtetem Zahnkontakt in guter Näherung als eine Superposition aus Flankenlinien-Balligkeit Cβ und Verschränkung der Flankenlinien Sβ sowie der zugehörigen Korrekturen höherer Ordnung abgebildet werden kann. Als wesentliche Einflussparameter auf Größe und Form der entstehenden Klaffung werden Achswinkel, Schrägungswinkel, Übersetzung und Gesamt-Profilverschiebungssumme in der Zahnmitte identifiziert. Die Zahnbreite hat lediglich skalierende Wirkung. Zur mathematischen Beschreibung der benötigten Breitenkorrekturen wird erarbeitet, wie die Verzahnung in Form einzelner Stirnschnitte modelliert werden kann, die entlang einer Stirnschnittbezugskurve positioniert werden. Die bei einer Korrektur der ursprünglich linear verlaufenden Stirnschnittbezugskurve, z. B. durch ein Polynom zweiten Grades, entstehenden Einflüsse auf die Zahnform werden sowohl in tangentialer als auch in radialer Richtung theoretisch hergeleitet und analysiert. Durch stirnschnittweise Betrachtung ist es möglich, die an der Bezugszahnstange auf Höhe der Profilbezugslinie entstehende Flankenmodifikation sowie die im Stirnschnitt auftretende Stirnprofil-Winkelabweichung direkt zu berechnen. Durch Auswertung der Stirnschnitte an Zehe und Ferse ist so eine Abschätzung der zu einer bestimmten Balligkeit zwangsläufig entstehenden Schränkung auf analytischem Wege möglich. Von weitaus größerem praktischem Nutzen ist jedoch die ebenfalls hergeleitete umgekehrte Vorgehensweise, für einen beliebigen Verlauf einer Soll-Flankenmodifikation auf Höhe der Profilbezugslinie an Links- und Rechtsflanke die zugehörige Form der Stirnschnittbezugskurve zu bestimmen. Der aufgezeigte Ansatz wurde für die Anwendung für Beveloidverzahnungen entwickelt, bietet aber auch für Zylinderradsätze Potenzial für die gezielte Auslegung einer Breitenkorrektur. Zur Ermittlung der für konjugierten Zahnkontakt erforderlichen Flankenmodifikation auf Höhe der Profilbezugslinie wird die Korhammersche Beziehung stirnschnittweise ausgewertet. Hierdurch kann unter Berücksichtigung der Hauptverzahnungsdaten und der Einbauposition eine Profilverschiebungskorrektur bestimmt werden, bei der die zugehörigen Stirnschnitte der beiden Zahnräder an der Momentanachse der Wälzbewegung spielfrei miteinander abwälzen. Zusätzlich zu dieser radial wirkenden Profilverschiebung ist bei einer ungleichen Verteilung des Achswinkels auf die Konuswinkel (t‘ ≠ 0,5) oder Übersetzungen i ≠ 1 für konjugierten Zahneingriff eine zusätzliche Tangentialverschiebung der Stirnschnitte notwendig, deren Betrag durch eine Betrachtung des Zahneingriffs an der Momentanachse im Eingriffsfeld direkt berechnet werden kann. Zur Bewertung der Herstellbarkeit wird ein Modul zur Simulation des kontinuierlichen Wälzschleifens und des Teilwälzschleifens in SimKoS 2.0 implementiert und anhand real gefertigter Testradsätze verifiziert. Aufgrund der Modellierung der erforderlichen Flankenmodifikationen mithilfe einer Korrektur der Stirnschnittbezugskurve ist es möglich, die zur Herstellung der Flankenmodifikation theoretisch benötigte Werkzeugbahn für das jeweilige Verfahren und verwendete Werkzeug direkt analytisch zu bestimmen. Durch eine Parameterstudie wird nachgewiesen, dass die konjugierte Verzahnung mit den berechneten Werkzeugbahnen in guter Näherung prinzipiell mit beiden Fertigungsverfahren mit den nach DIN definierten Standardwerkzeugen herstellbar ist. Die exemplarische Anwendung der aufgezeigten Vorgehensweise anhand mehrerer Beispielverzahnungen bestätigt, dass damit eine analytische Methode zur Auslegung der Mikrogeometrie konischer Stirnräder verfügbar ist, die es allein auf Basis der Hauptverzahnungsdaten ermöglicht, unter Gewährleistung der Herstellbarkeit Größe und Position des Tragbilds definiert einzustellen.
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Geometrische Auslegung und Optimierung der Zahnflankengeometrie von konischen Stirnrädern in beliebiger Achslage
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2022) Marino, Daniel; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
In dieser Arbeit wird eine Berechnungsmethode zur Auslegung und Optimierung von Beveloidradpaarungen in beliebiger Achslage hergeleitet. Mit dieser kann durch lokale Anpassung der Verzahnungsdaten ein konjugierter Eingriff angenähert werden. Die Wirksamkeit wird in theoretischen und experimentellen Untersuchungen nachgewiesen. Beveloidräder besitzen aufgrund einer veränderlichen Profilverschiebung entlang der Zahnbreite eine konische Zahnform mit evolventischer Stirnschnittgeometrie. So können Getriebekonzepte mit kleinem Achswinkel umgesetzt werden. Insbesondere eine windschiefe Achslage bietet den Vorteil, dass Konzepte mit optimaler Bauraumnutzung, Gewichts- und Kosteneinsparung ermöglicht werden. Bei nicht paralleler Achslage sind jedoch die Grundzylinder zueinander verkippt und besitzen keine gemeinsame Eingriffsebene. Dies führt zu einem punktförmigen Flankenkontakt an einer Breitenposition. In der Literatur sind zahlreiche Ansätze zur Auslegung der Makro- und Mikrogeometrie von Beveloidradpaarungen zu finden. Nach dem Stand der Technik werden zunächst aus einer äquivalenten Ersatzstirnradverzahnung die Hauptverzahnungsdaten bestimmt. Anschließend erfolgt über die Konuswinkel eine Umrechnung in eine schneidende oder windschiefe Achslage, was im Allgemeinen zu einem außermittigen Punktkontakt auf den Zahnflanken führt. Ausgehend von diesem Punktkontakt sind entweder viele Variantenrechnungen oder spezielle Software erforderlich, um für einen Betriebspunkt ein optimales Übertragungsverhalten zu erzielen. Alternativ kann wie bei Zylinderrädern ein konjugierter Eingriff angenähert und anschließend eine Optimierung für den gewünschten Betriebspunkt durchgeführt werden. Die Anwendbarkeit ist jedoch auf eine schneidende Achslage beschränkt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, eine Berechnungsmethode herzuleiten, die den Getriebeentwickler bei der Auslegung und Optimierung von Beveloidradpaarungen in beliebiger Achslage unterstützt. Neben der theoretischen und experimentellen Untersuchung des Übertragungsverhaltens ausgelegter Beveloidradpaarungen wird deren Herstellbarkeit mit konventionellen Verzahnungsmaschinen durch eine Fertigungssimulation beurteilt und eine Übertragbarkeit auf andere evolventische Verzahnungen geprüft. Die Berechnungsmethode basiert auf einem analytischen Ansatz, so dass diese mit einer beliebigen mathematischen Software umsetzbar ist. In dieser Arbeit wird zur Berechnung ein Matlab-Skript und zur Übergabe der Eingabegrößen und Visualisierung der Ergebnisse die institutseigene Software SimKoS verwendet.
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Gestaltoptimierung von 3D-Fügeflächen umformtechnisch gefügter Welle-Nabe-Verbindungen für eine erhöhte dynamische Torsionsfestigkeit
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Ulrich, Daniel; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Umformtechnisch hergestellte Welle-Nabe-Verbindungen, die mittels Quer-Fließpressen gefügt werden (Q-WNV), stellen ein neues Verfahren zur ressourceneffizienten Fertigung hochfester Verbindungen zwischen duktilen Wellen und gehärteten Naben dar. Bisherige querschnittskonstante Fügeprofile auf Basis komplexer Trochoiden führen aufgrund des inhomogenen Kontaktverhaltens zu einer hohen Reibdauerbeanspruchung (RDB) unter dynamischer Torsion, welche die Ermüdungsfestigkeit der Q-WNV limitiert. Mit der Entwicklung und Validierung einer Methode zur fugendruckorientierten Gestaltoptimierung von 3D-Fügeflächen trägt diese Arbeit zur Festigkeitssteigerung von Q-WNV bei und liefert wichtige Erkenntnisse für die Gestaltung und festigkeitstechnische Optimierung von umformtechnisch gefügten WNV sowie für die Aussagekraft rechnerischer Bewertungsparameter der RDB. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung der Gestaltoptimierungsmethode, die auf einer gekoppelten Finite-Elemente-Simulation des Umformprozesses und der nachfolgenden Belastung basiert. Dabei werden Eigenspannungen und Verfestigungseffekte des Wellenwerkstoffs aus dem Fügeprozess bei der Beanspruchungsanalyse berücksichtigt. Die Methode wird zunächst auf eine rotationssymmetrische Beispielverbindung angewendet, bei der die Kontur der Nabeninnenfläche in axialer Richtung iterativ angepasst wird, um eine vorgegebene Fugendruckverteilung anzunähern. Anschließend erfolgt eine Erweiterung der Methode auf unrunde Fügeflächen, die an den Profilhochpunkten und den Profiltiefpunkten eine vordefinierte Fugendruckverteilung aufweisen. In einer Parameterstudie werden Fugendruckverteilungen mit geringer rechnerischer RDB ermittelt. Im zweiten Teil der Arbeit erfolgt die Validierung des Simulationsmodells sowie die Untersuchung des Beanspruchungsverhaltens der Q-WNV unter statischer und dynamischer Belastung. Dabei werden verschiedene Fugendruckniveaus sowie zwei Wellenwerkstoffe unterschiedlicher Festigkeit berücksichtigt. Die Validierung erfolgt über die Messung der Aufweitung der Nabenmantelflächen, die indirekte Bestimmung des Fugendruckniveaus sowie die Ermittlung von Reibwerten. Für den Wellenwerkstoff 16MnCr5 wird bei Anwendung der optimierten 3D-Fügefläche eine Steigerung der Torsionsdauerfestigkeit um 26 % gegenüber dem ursprünglichen querschnittskonstanten Fügeprofil nachgewiesen, während für den höherfesten Wellenwerkstoff 42CrMo4 eine geringere Steigerung von 12 % ermittelt wird. Abschließend erfolgt ein Vergleich der Anrissposition und des Schädigungsbildes gebrochener Dauerlaufproben mit rechnerischen Bewertungsparametern der RDB. Die Arbeit endet mit der Diskussion der Ergebnisse und Gestaltungshinweisen für Fügeflächen von Q-WNV.
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Grundlagen einer Konstruktionsmethodik für Hybride Intelligente Konstruktionselemente (HIKE)
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2018) Crostack, Artur Alexander Hagen; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Basierend auf den Ergebnissen der DFG Forschergruppe 981 "Hybride Intelligente Konstruktionselemente" (HIKE) werden in dieser Dissertation die Grundlagen für eine Konstruktionsmethodik für HIKE erarbeitet. Ein Referenzprozess für das Konstruieren von HIKE wurde entwickelt. Des Weiteren wurden Gestaltungsrichtlinien als auch eine Informations-/Wissensbasis für das Konstruieren von HIKE erarbeitet.
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Grundlagen zur Berechnung und Gestaltung von Querpressverbänden mit Naben aus monolithischer Keramik
(2009) Blacha, Martin; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode eine Analyse- und Gestaltungsmöglichkeit entwickelt, um durch gezielte Konturierung der Trennfuge einen hybriden Pressverband mit vollkeramischer Nabe zu realisieren, der unter Raumtemperaturbedingungen und einem definierten Torsionsmoment dauerfest ist. Um dies zu erreichen, wurde ein Modell zur „a priori“-Berücksichtigung des Axialreibungseinflusses in der Trennfuge entwickelt, um auf Basis einer speziellen Formgebung der Kontaktzone ein gewünschtes Spannungsniveau einstellen zu können. Es wurde festgestellt, dass die hohen und stark streuenden Reibungskoeffizienten das Spannungsniveau in der Keramiknabe erheblich beeinflussen, wobei Reibungskoeffizienten oberhalb µ = 0,3 keine relevante Änderung der idealen Trennfugenkontur und des davon abhängigen Spannungszustands mehr verursachen. Die numerischen Untersuchungen beinhalten eine Spannungsoptimierung der zugspannungsbeanspruchten Nabe hinsichtlich zweier grundsätzlich unterschiedlicher Zielsetzungen: Zum einen die Homogenisierung der in der gesamten Trennfuge herrschenden Kontaktspannung (Fugendruck) und zum anderen eine möglichst gleichmäßige Ausnutzung der versagenskritischen ersten Hauptspannung in der keramischen Nabe. Das entwickelte Reibmodell für die numerische Simulation wurde hinsichtlich dessen Sensitivität bezüglich der getroffenen Annahmen und Variationen von Reibungskoeffizient und Geometrie untersucht. Diese Untersuchung zeigte eine nur geringe Empfindlichkeit hinsichtlich des einzuhaltenden Spannungsniveaus. Um die Einsetzbarkeit der gefundenen Auslegungslogik auf andere Geometrien und Werkstoffe auszuweiten und auch den Einfluss der bei der praktischen Herstellung auftretenden Fertigungsabweichungen zu untersuchen, wurden numerische Variationsrechnungen durchgeführt. Der Einfluss anderer Geometrien und Reibungskoeffizienten wurde in einem analytischen Zusammenhang näherungsweise ermittelt und steht für die Konturfindung der Trennfuge zur Verfügung. Darüber hinaus wurden mit der Sensitivitätsanalyse Fertigungslimits für den gewählten Pressverband festgelegt. Durch die Fertigung der konturierten Stahlwellen auf einer herkömmlichen CNC-Drehmaschine konnten ausreichend geringe Maßabweichungen und sehr gute Oberflächenqualitäten realisiert werden. Damit wurde demonstriert, dass ein kostengünstiges Herstellen der minimalen Konturierung im Mikrometerbereich ohne den zusätzlichen und kostenintensiven Fertigungsschritt einer Konturschleifmaschine machbar ist. Um das Beanspruchungslimit für den keramischen Werkstoff nicht nur im Rahmen eines Kurzzeitnachweises, sondern auch für ein sicheres Auslegen gegen unterkritisches Risswachstum festzulegen, wurde auf Basis eines in der Literatur beschriebenen, wenig konservativen analytischen Auslegungskriteriums ein Startwert für die zulässige Spannung ermittelt und für die Beanspruchung der Keramiknabe im Anwendungsfall Pressverband verifiziert. Die theoretischen Ergebnisse wurden anhand einer exemplarischen Geometrie (Nabenwerkstoff: Gesintertes Siliciumnitrid (SSN), Wellenwerkstoff: 42CrMo4 V) in experimentellen Untersuchungen überprüft. Dabei haben die Pressverbände unter Berücksichtigung der entwickelten Auslegungslogik eine Belastung von bis zu 20 Mio. Zyklen unter rein schwellender Torsionsbelastung von 850 Nm ohne Versagen überstanden. Darüber hinaus konnte ein erster Wert für das nur schwer ermittelbare Grenzübermaß bestimmt werden, bei dem die Keramiknabe die Kurzzeitfestigkeit erreicht. Für die Durchführung der Versuche wurde eine keramikgerechte Einspannung für die Probekörper entwickelt und im praktischen Einsatz erprobt. Keine einzige versagte Probe wurde an der entwickelten Einspannung zerstört, so dass die konstruktive Gestaltung der Lasteinleitung in die Keramik als erfolgreich angesehen werden kann. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass ein Pressverband mit vollkeramischer Nabe bei sorgfältiger Gestaltung im praktischen Einsatz sehr zuverlässig einsetzbar ist. Eine erste Auslegungsrichtlinie für eine weitgehend ausfallsichere Dimensionierung eines derartigen torsionsbelasteten Querpressverband wurde abgeleitet. Damit wurde eine Voraussetzung geschaffen, um beispielsweise ein keramisches Pumpenlaufrad für stark abrasive oder chemisch aggresive Einsazbedingungen direkt auf eine Stahlwelle fügen zu können.
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Gruppenschaltungsansteuerung von Nutzfahrzeuggetrieben
(2004) Klos, Wolfgang; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Gruppenschaltungsansteuerung von Nutzfahrzeuggetrieben. Gruppengetriebe, d.h. in Reihe geschaltete Getrie-be, sind bei Nutzfahrzeugschaltgetrieben weit verbreitet. Es wird dann von Gruppenschaltungen gesprochen, wenn zwei in Reihe geschaltete Getriebe gleichzeitig die Übersetzung wechseln. Wird während der Schaltung die Last von der Getriebeeingangswelle genommen, handelt es sich um eine technisch beherrschbare Aufgabe. Bei Automatikgetrieben wird der Übersetzungswechsel aber mit anliegender Eingangslast ausgeführt. Die Automatikgetriebe zählen zur Kategorie der Lastschaltgetriebe. Bei Nutzfahrzeugautomatikgetrieben werden bisher Gruppenschaltungen vermieden, da die Ansteuerung der Kupplungen und Bremsen auch ohne Gruppenschaltung bereits anspruchsvoll ist. Die vorliegen-de Arbeit hat zum Ziel, den Gruppenwechsel unter dem Gesichtspunkt der Zug-kraftschaltung beherrschbar zu machen. Die Arbeit umfasst drei wesentliche Schwerpunkte. Hierzu zählt die Erstellung eines Getriebeprogramms für die Antriebsstrangstreckensimulation, die Optimie-rung der Übersetzungswechsel mit einem auf die Fragestellung angepassten Optimierungsprogramm und die Auslegungsempfehlungen für die Ansteuerung des Übersetzungswechsels in Automatikgetrieben. Aufgrund eines fehlenden Simulationswerkzeugs zu Beginn der Arbeit wurde für die Beantwortung des Ge-triebeverhaltens im Übersetzungswechsel ein entsprechendes Getriebepro-gramm entwickelt. Das Getriebeprogramm arbeitet als Unterprogramm innerhalb einer Basisantriebsstrangsimualtion für Streckensimulation und wurde so gestal-tet, dass beliebige Planetengetriebeanordnungen modelliert werden können. Aus der großen Anzahl von Simulationsrechnungen wurden Auslegungsempfeh-lungen für die Steuerung des Übersetzungswechsels abgeleitet. Das zeitlich sehr empfindliche Verhalten von Gruppenschaltungen führt zu einem Lösungs-ansatz mit Kennfeldern. Durch das Vorhalten optimierter Überdeckungen für un-terschiedliche Schaltausgangsvoraussetzungen mit Hilfe von Kennfeldern konn-te die Gruppenschaltung auch unter dem Aspekt der Zugkraftschaltung beherrschbar gemacht werden.
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Methode zur Rückführung von Erprobungswissen in die Produktentwicklung am Beispiel Fahrzeugtriebstrang
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2020) Karthaus, Carsten Alexander; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Die vorliegende Arbeit beruht auf der Haupthypothese, dass durch einen Methodenbaukasten mit Wissensmanagementmethoden und situativer Methodenauswahl die Rückführung von Erprobungswissen in der industriellen Praxis praxisnah, effektiver und effizienter als bisher gestaltet werden kann. Die Vorgehensweise richtet sich an der Design Research Methodology von Blessing und Chakrabarti aus. Ausgehend von den Forschungsfragen wurden im Stand der Technik die wesentlichen Wissensgebiete „Wissensmanagement“, „Methodische Produktentwicklung“ und „Fahrzeugantriebsstrangentwicklung und Versuchsmethodik“ untersucht. Das Wissensgebiet der „Rückführung von Erprobungswissen in die Produktentwicklung“ ist - zumindest nach dem aktuellen Stand der Forschung und Technik - in der Literatur nicht systematisch und umfassend untersucht. Zudem zeigte sich, dass aufgrund der Interdisziplinarität der Wissensgebiete unterschiedliche Begriffe und Verständnisse vorlagen. Aufgrund der unterschiedlichen praktischen Herangehensweisen mit unterschiedlichen Zielsetzungen und Hintergründen wurden in Kapitel 3 für den Rahmen dieser Arbeit die Begrifflichkeiten „Versuch“, „Test“, „Erprobung“, „Prüfung“ usw. definiert und klassifiziert. Die zentralen Begriffe „Erprobung“, „Erprobungsmethodik“ und „Erprobungswissen“ sind in der Arbeit beschrieben; dazu gehören Definitionen grundlegender Art, die in dieser Weise in der Literatur nicht vorhanden waren. Dabei wurde erläutert, welche Arten und Typen von Wissen während der Erprobung entstehen. Wissensarten und Wissenstypen des Erprobungswissens lassen sich anhand des Erprobungsprozesses strukturierend zuordnen. Die aufgestellten Modelle zur Wissenserzeugung (siehe Kapitel 3.2) in der Erprobung konnten durch Erfahrungen und empirische Untersuchungen bestätigt werden. Die weitere Untersuchung des Erprobungswissens als aus der Erprobung entstehendes Wissen fokussierte sich auf die Ermittlung von Ist-Eigenschaften und Fehlern als zentralen Erprobungszielen. Aus der industriellen Praxis gibt es bis dato kaum Publikationen zu Erfahrungen der Industrie mit diesem Thema; daher sollte eine empirische Untersuchung darüber Klarheit schaffen. Deshalb wurden anhand mehrerer empirischer Studien die dort auftretenden Probleme im Umgang mit Erprobungswissen erfasst. Es stellte sich heraus: Die Nutzung des Erprobungswissens ist in vielen Bereichen als nicht effektiv bewertet worden. Verbesserungspotenziale zeigte insbesondere der Umgang mit Wissen aus Fehlern, wobei hier eine kausale Kette zum Unternehmenserfolg besteht. Ergebnis der Untersuchungen ist ein Referenzmodell, das die Einflussgrößen auf eine effektive Nutzung des Erprobungswissens aufzeigt: Festgestellt werden konnte, dass die effektive Nutzung dieses Wissens durch Probleme oder Situationen beeinträchtigt wird. Die Auswirkungen dieser Probleme auf messbare Erfolgsfaktoren und auf unternehmerische Erfolgsfaktoren sind anhand von Schlüsselfaktoren dargestellt. Eine quantitative Untersuchung der messbaren Erfolgsfaktoren wurde beim Evaluationspartner durchgeführt. Die Erfolgsfaktoren Effizienz und Effektivität konnten anhand dieser messbaren Größen dargestellt werden. Die untersuchte Literatur, die festgelegte Begriffswelt sowie die empirischen Untersuchungen schaffen das grundlegende, disziplinübergreifende Verständnis über den Problembereich. Ausgehend von diesen Untersuchungen wurden die Anforderungen an eine Methode zur Rückführung von Erprobungswissen, ein Ansatz für einen Rückführungsprozess, ein Methodenbaukasten zur Unterstützung dieses Rückführungsprozesses und ein Prozess zur Implementierung und Evaluation dieser Methoden in einem Unternehmen entwickelt. Einzelne Ansätze einer generischen Versuchs- oder Erprobungsmethodik in diesem Wissensgebiet sind in der Literatur zwar vorhanden, der Konkretisierungsgrad dieser Methoden ist aber meist gering; größtenteils werden Prozessschritte nur auf abstrakter Ebene dargestellt. Insbesondere die Entwicklung des Methodenbaukastens ist von zentraler Bedeutung für diese Arbeit. Die Bausteine der Methode zur Rückführung von Erprobungswissen stellen die in dieser Arbeit entwickelte Unterstützung dar, um methodisch die aktuelle Situation zu verbessern. Der Rückführungsprozess selbst ist durch vier wesentliche Prozessschritte („Wissen erzeugen“, „Wissen speichern“, „Wissen verteilen“ und „Wissen nutzen“) realisiert. Die Auswahl der Wissensmanagementmethoden zur Unterstützung des Rückführungsprozesses erfolgt zweistufig über eine situative, praxisnahe Vorauswahl und eine konkrete, objektive Bewertung des Methodeneinsatzes für die jeweilige Situation. Die Unterstützungswerkzeuge, deren Entwicklung und die Einführung der Methoden ins Unternehmen sind gerade bei Methoden des Wissensmanagements von entscheidender Bedeutung. Der praktische Einsatz derartiger Methoden steht und fällt mit der ihrer Unterstützung durch geeignete Werkzeuge: Diese Werkzeuge und vor allem deren Handhabung und Nutzerfreundlichkeit sind entscheidend für die Akzeptanz des Methodeneinsatzes. Die Entwicklung derartiger an die betrieblichen Anforderungen angepasster Tools nimmt bei der Einführung von Methoden und notwendigen Werkzeugen vergleichsweise viel Zeit in Anspruch. Ausgehend von einer Situationsanalyse bei einem Evaluationspartner wurden Methoden anhand des vorgestellten Methodenbaukastens identifiziert und ausgewählt, die eine Verbesserung der Wissensnutzung versprachen. Die Umsetzung, Anpassung, Werkzeugentwicklung und die Einführung ins Unternehmen erfolgten im Anschluss anhand der vorgeschlagenen Prozesse. Für die Verankerung und erfolgreiche Implementierung der Wissensmanagementmethoden im Unternehmen ist ein transparenter Prozess zur Integration der Methoden in Unternehmensabläufe, inklusive Evaluation und kontinuierlicher Verbesserung, vorhanden. Evaluation und kontinuierliche Verbesserung führen zu quantitativen Aussagen und tatsächlichen, messbaren Verbesserungen. Der Erfolg, die Anwendung und die Unterstützung durch die Methode wurden auf unterschiedliche Arten evaluiert. Die Erfolgsevaluation des Methodeneinsatzes erfolgte pilothaft an einem Dauerlaufprüfstand der Automobilindustrie über mehrere Monate. Die Effektivität und die Effizienz dieser Erprobung und der Rückführung von Erprobungswissen konnten durch den Einsatz von WM-Methoden gesteigert werden. Durch die Anwendung der entwickelten Methode wird ein messbarer Erfolg für die Rückführung von Erprobungswissen hinsichtlich Effektivität und Effizienz erzielt, also eine verbesserte Situation erreicht. Die Ergebnisse wurden mit allgemein anerkannten wissenschaftlichen Kriterien kritisch reflektiert. Darüber hinaus unterstützt der Methodeneinsatz den Evaluationspartner bei der Erreichung seiner Ziele im Speziellen durch einen höheren Produktreifegrad und geringere Stillstandzeiten und damit eine höhere Auslastung sowie insgesamt höhere Laufzeiten der Prüfstände. Folglich ergeben sich bei gleichbleibender Laufleistung (und Dauer zum Abfahren dieser Laufleistung) der Prüflinge kürzere einzuplanende Erprobungsdauern. Mit dem frühzeitigen Erkennen, Dokumentieren und Abstellen der Fehler ergibt sich ein höherer Reifegrad der Produkte am Ende einer Erprobung. Mit planbar kürzeren Erprobungsdauern und einem höheren Produktreifegradzuwachs innerhalb eines Entwicklungszykluses oder einer -charge ist langfristig eine Optimierung des Erprobungsportfolios verbunden. Das Resultat sind reduzierte Gesamtentwicklungszeiten, also eine Verkürzung der „Time to Market“ des Produkts. Die Arbeit dient dazu, ein Verständnis für einen neuen Problembereich zu entwickeln, der bis dato in dieser Zusammensetzung der Wissensgebiete wenig untersucht wurde. Zugleich wurde eine Methode zur Unterstützung und Verbesserung der Rückführung von Erprobungswissen erarbeitet. Die analytischen und synthetischen Forschungsfragen konnten durch die gezeigten Untersuchungen, Ergebnisse und deren Diskussion beantwortet und die Hypothesen dieser Arbeit einmalig positiv bestätigt werden.
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Methoden zum funktionsintegrierten und leichtbaugerechten Konstruieren für pulverbettbasiertes Schmelzen
(Stuttgart : Institut für Konstruktionstechnik und Technisches Design, 2024) Garrelts, Enno Edzard; Binz, Hansgeorg (Prof. Dr.-Ing.)
Additive Fertigungstechnologien bauen schichtweise Werkstücke ohne die Notwendigkeit produktspezifischer Werkzeuge auf. Sie bieten damit die Möglichkeit, reaktionsschnell und flexibel auf Marktentwicklungen zu reagieren. Das pulverbettbasiertes Schmelzen (Englisch: Laser Powder Bed Fusion - LPBF) ist vor allem für Industrieunternehmen von Bedeutung und ein geeignetes Verfahren zur additiven Fertigung von metallischen Werkstücken. Allerdings stellen die hohen Fertigungskosten, die mit diesem Verfahren verbunden sind, derzeit ein Hindernis für dessen industrielle Anwendung dar. Die beiden hauptsächlichen Kostentreiber des Verfahrens sind die Nutzungszeit der Maschinen und die Nachbearbeitung von rauen Oberflächen der hergestellten Bauteile, besonders an Kontaktpunkten zwischen mehreren Bauteilen. Die Nutzungszeit der Maschinen korreliert direkt mit der gravimetrischen Masse der hergestellten Bauteile. Mit einer gezielten Bauteilkonstruktion für LPBF kann den genannten Kostentreibern begegnet werden, indem Konstruktionen mit geringer Masse und einer möglichst geringen Bauteilanzahl angestrebt werden. In der Konstruktionstechnik werden hierzu u. a. die beiden Umsetzungsstrategien „Leichtbau“ und „Funktionsintegration“ angewandt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Konstrukteure bei der Reduktion der Kosten von mittels LPBF gefertigten Produkten zu unterstützen. Dies erfolgt durch Methoden für Funktionsintegration und Leichtbau für solche Bauteile. Eine effiziente Methode zur Funktionsintegration ist es, sich an bereits gestalteten Bauteilbeispielen zu orientieren und bewährte Konzepte zu adaptieren. Diese Erkenntnis findet sich zwar wiederholt in der Literatur, aber die vorhandenen Lösungsmethoden, wie beispielsweise Konstruktionskataloge, gehen nicht auf die Aspekte der Funktionsintegration ein. Im Gegensatz dazu gibt es einzelne Beispielbauteile, die das Konzept der Funktionsintegration vermitteln. Diese Bauteile passen jedoch nicht immer zur aktuellen konstruktiven Aufgabenstellung, und die Suche nach geeigneten funktionsintegrierten Lösungen wird bisher nicht unterstützt. In dieser Arbeit wird untersucht, wie die Suche nach funktionsintegrierten Lösungen für eine konstruktive Aufgabe vereinfacht werden kann und wie diese Lösungen dem Anwender des Katalogs auf einfache Weise vermittelt werden können. Die vorgeschlagene Methode ist ein Konstruktionskatalog zum systematischen Auffinden funktionsintegrierter Lösungen. Dieser besitzt einen mehrdimensionalen Zugriffsteil und vermittelt durch die Bereitstellung grundlegender Struktur- oder Konturelemente ein Verständnis für die funktionsintegrierten Lösungen. Ein weiteres Ergebnis dieser Arbeit ist ein Vorgehen zum Entwurf von funktionsintegrierten Bauteilen und Modulen. Ein gängiges Hilfsmittel bei diesem Schritt ist die Strategie der „einteiligen Maschine“. Diese Methode wird jedoch auf unterschiedliche Weise eingeführt und angewendet. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Konstrukteure bei der Integration von Bauteilen in der frühen Entwurfsphase angeleitet werden sollten. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass ein schrittweises Vorgehen zu empfehlen ist, bei dem ein Gestaltelement nach dem anderen analysiert und mit dem Hauptteil der Konstruktion verbunden wird. Für jede der möglichen Operationen zur Integration der Gestaltelemente wurden Anwendungsbeispiele entwickelt, um ein besseres Verständnis für die vorhandenen Integrationsmöglichkeiten zu schaffen. Es ist bekannt, dass in frühen Entwurfsphasen oft mit Freihandskizzen gearbeitet wird. Die kraftflussgerechte Gestaltung auf dieser Grundlage hat einen großen Einfluss auf die leichtbaugerechte Gestaltung. Um eine effiziente und einfach zu bedienende Unterstützung während der ersten Auseinandersetzung mit der Produktgestalt zu bieten, wurde ein neuartiger Ansatz mit einem Softwarewerkzeug entwickelt und untersucht. Das Softwarewerkzeug analysiert eine Handskizze von Konstrukteuren und gibt Vorschläge für einen optimierten Kraftfluss. Das Kernelement des entwickelten Softwarewerkzeugs ist eine künstliche Intelligenz, die darauf trainiert wurde, Freihandskizzen zu evaluieren. Dies unterstützt Konstrukteure bei der Entwicklung von massearmen und damit leichtbaugerechten Konstruktionen ohne eine aufwändige Modellierung im CAD-System. Im Anschluss wurden die entwickelten Werkzeuge und Methoden aufeinander abgestimmt und eine durchgängige Unterstützung zum funktionsintegrierten und leichtbaugerechten Konstruieren für pulverbettbasiertes Schmelzen entwickelt. In den Evaluationen der Methoden mit 37 Studierenden konnten die angestrebten Konstruktionserfolge nachgewiesen werden. Die Studierenden konnten durch die Anwendung der Methoden mehr als 45 % der Bauteile in ihren Konstruktionen einsparen und gestalteten massereduzierte Bauteile. Diese Ergebnisse wurden durch Workshops mit insgesamt 17 Industrievertretern bestätigt. Mehr als 88 % der Workshop-Teilnehmer gaben an, dass sie nun in der Lage seien, massereduzierte und stärker integrierte Produkte zu konstruieren. Damit unterstützt diese Arbeit bei einem funktionsintegrierten und leichtbaugerechten Konstruieren für pulverbettbasiertes Schmelzen und folglich den vermehrten Einsatz von LPBF.