07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Übertragbarkeit von Vorkenntnissen bei der Zuverlässigkeitstestplanung(2007) Hitziger, Tillmann; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Der Zuverlässigkeit neuer Produkte wird immer mehr Aufmerksamkeit der potentiellen Kunden zu Teil. Zuverlässigkeit ist zu einem der entscheidenden Kaufargumente geworden, sowohl im Konsum- als auch im Industriegüterbereich. Im Entwicklungsprozess ist die Produktzuverlässigkeit daher von zentraler Bedeutung. Auf Grund der immer kürzer werden Entwicklungszeiten und dem allgemein herrschenden Kostendruck findet die Erprobung neuer Produkte mit einem sehr engen Zeit- und Budgetplan statt. Es besteht daher ein großes Interesse, den zum Nachweis der Produktzuverlässigkeit notwendigen Stichprobenumfang auf ein Nötiges zu beschränken. Davon motiviert, wurden in den letzten Jahren verstärkt Analyseverfahren erarbeitet, die es erlauben, bei der Planung von Zuverlässigkeitstests Vorkenntnisse anderer, ähnlicher Produkte einzubinden. Dadurch kann es gelingen, den statistisch geforderten Stichprobenumfang in der Produkterprobung zu reduzieren. Ein mögliches Verfahren zur Berücksichtigung von Vorinformationen zur Zuverlässigkeit wurde von Krolo vorgestellt. Diese Vorgehensweise zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass bei der Übertragung der Vorkenntnisse ein so genannter Transformationsfaktor eingebunden wird. Dieser Faktor ermöglicht es, die bekannte, zusätzliche Information nur zu einem bestimmten Anteil zu nutzen. Einer eventuell unzureichenden, statistischen Absicherung der Zuverlässigkeit wird dadurch entgegengewirkt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Möglichkeiten zur Bestimmung dieses, von Krolo eingeführten, Transformationsfaktors. Nach dem Einstieg in die Planung von Zuverlässigkeitstests auf Basis der klassischen Testplanung, wurde daher zunächst das Krolo-Verfahren mit den für diese Arbeit maßgeblichen mathematischen Grundlagen vorgestellt. Der Einstieg in die eigentliche Thematik stellt die Übersicht über mögliche Ansätze zur Bestimmung des Transformationsfaktors dar. Im Anschluss daran, wurde ein qualitatives, auf der so genannten Fuzzy-Technik aufbauendes, Verfahren aufgezeigt. Diese expertenbasierte Vorgehensweise ermittelt an Hand der, die spätere Zuverlässigkeit maßgeblich bestimmenden, Einflussgrößen den Transformationsfaktor zwischen einem neuen Produkt und einem ähnlichen Produkt, beispielsweise einem Vorgänger. Es eignet sich daher insbesondere dazu, zu Beginn der Erprobung, wenn noch keine Testergebnisse des neuen Produkts vorhanden sind, eine erste qualitative Aussage über den vermutlich notwendigen Stichprobenumfang zu treffen. Sind jedoch Testergebnisse für beide Produkte bekannt, kann der Transformationsfaktor mittels so genannter Anpassungstests exakter bestimmt werden. Den Kern dieser Arbeit stellen daher die erarbeiteten, quantitativen Vorgehensweisen dar. Sie basieren auf dem Anpassungstest nach Kolmogorov und Smirnov. An Hand der Summenfunktionen der betrachteten Stichproben wird eine Wahrscheinlichkeit dafür ermittelt, dass beide Stichproben aus einer ihnen gemeinen Grundgesamtheit stammen. Der Transformationsfaktor wurde in dieser Arbeit mit jener Wahrscheinlichkeit angenommen. Um diese Annahmen zu verifizieren wurden verschiedene Simulationen durchgeführt. Es zeigte sich, dass die vorgeschlagene Vorgehensweise zur Ermittlung des Transformationsfaktors in Verbindung mit dem Verfahren nach Krolo sehr gute Ergebnisse liefert. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass der auf diese Weise ermittelte, zum Nachweis der Produktzuverlässigkeit notwendige Stichprobenumfang mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit korrekt ist. Einen weiteren Schwerpunkt der Arbeit stellt die praktische Ermittlung des Transformationsfaktors mittels der erarbeiteten Vorgehensweise dar. Es wurde aufgezeigt wie auf verschiedene Datensituationen eingegangen werden muss. Dabei wurden sowohl zensierte als auch unzensierte Produktinformationen in Betracht gezogen. Außerdem wurde auf den Einsatz der Methodik bei der Planung und Analyse von Systemtests hingewiesen. Den Abschluss der Arbeit bildet die beispielhafte Anwendung des vorgestellten quantitativen Verfahrens. Für Achsgetriebe von Nutzfahrzeugen wurde durch den Einsatz der Methode eine deutliche Reduzierung des Versuchsaufwands erzielt. Es konnte eine bezüglich der Anzahl an Probanden optimierte Teststrategie entwickelt werden. Insbesondere bei Baureihenprodukten ist die Anwendung des Verfahrens nach Krolo im Zusammenspiel mit dem in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren zur Bestimmung des Transformationsfaktors sehr effektiv. Nicht zu letzt dieses Beispiel zeigt den Vorteil der Verfahren zur Berücksichtigung von Vorkenntnissen. Im Gegensatz zu den klassischen Vorgehensweisen ist mit derartigen Verfahren eine hinsichtlich Zeit und Kosten optimierte Planung von Zuverlässigkeitstests möglich.Item Open Access Einfluss der Wellenoberfläche auf das Dichtverhalten von Radial-Wellendichtungen(2005) Kunstfeld, Thomas; Haas, Werner (Prof. Dr.-Ing. habil.)Für ein zuverlässig funktionierendes Dichtsystem Radial-Wellendichtung ist die Wellenoberfläche von entscheidender Bedeutung. Als tribologischer Partner des Dichtrings ist die Wellenoberfläche direkt durch die gegebenenfalls vorhandene Eigenförderung und indirekt durch die Beeinflussung der Dichtringförderung für die Gesamtfunktion ausschlaggebend. Dieser Bedeutung wird durch strenge Vorgaben hinsichtlich der Herstellung und Ausprägung der Wellenoberfläche in den gültigen Normen Rechnung getragen. Kostenreduktion und Prozessoptimierung erfordern Alternativen zu dem Jahrzehnte alte Fertigungsverfahren für Wellenoberflächen härten und im Einstich schleifen. Im Rahmen dieser Arbeit sollten einerseits in Frage kommende alternative Wellenoberflächen untersucht werden, und andererseits eine Vorgehensweise entwickelt werden, mit der entsprechende Wellenoberflächen hinsichtlich ihrer Eignung als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe erprobt und beurteilt werden können. Dazu wurde im Rahmen dieser Arbeit eine vierstufige Vorgehensweise entwickelt. Ausgehend von der berührungslos optisch vermessenen 3D-Oberflächentopografie werden dabei für die vorliegende Wellenoberfläche anhand eines auf der Bildverarbeitung beruhenden Verfahrens charakteristische Kennkurven ermittelt. Anhand dieser Kennkurven kann die Oberflächenstruktur beurteilt, und durch typische Merkmale klassifiziert werden. Im zweiten Schritt wird der Förderwert der Wellenoberflächen in beiden Drehrichtungen gemessen. Gilt die untersuchte Wellenoberfläche weiterhin als geeignet, wird im dritten Schritt ein erster Funktionstest im Dichtsystem durchgeführt. Im vierten und letzten Schritt wird die Funktionalität des Dichtsystems über einen längeren Zeitraum beobachtet, um die Langzeiteigenschaften abzusichern. Dazu wird die vom Autor entwickelte modifizierte Zweikammermethode eingesetzt. Durch die Messung des Systemförderwerts in regelmäßigen Abständen, kann dessen Veränderung und somit die Veränderung der Dichtfunktion im Betrieb vermessen werden. Die eingesetzte Wellenoberfläche, aber auch alle übrigen Systemkomponenten können so hinsichtlich der Auswirkung auf die Dichtfunktion und Langzeiteigenschaften beurteilt werden. Dadurch sind künftig weitreichende Untersuchungen am Dichtsystem mit der Option, in das Dichtsystem „hineinzublicken“, möglich. Der Schwerpunkt der so untersuchten alternativen Fertigungsverfahren lag im Bereich der Drehverfahren. Es wurden Parameterstudien für längsgedrehte Wellenoberflächen unter Verwendung von ungehärteten und gehärteten Werkstoffen durchgeführt. Variiert wurde: Vorschub, Schneidenradius, Einfluss von Maschinen- bzw. Werkzeugschwingungen und Schneidenverschleiß. Zusätzlich wurden Nachbearbeitungsverfahren und Drehverfahren ohne axialen Vorschub, wie das Tangentialdrehen und das Drehen im Einstich untersucht. Grundsätzlich sind die längsgedrehten Wellenoberflächen, hart oder weich, als Gegenlauffläche für Radial-Wellendichtringe geeignet. Speziell die längs-hartgedrehten Wellenoberflächen zeigen kein drehrichtungsabhängiges Förderverhalten und geringe Förderwerte. Die längs-weichgedrehten Wellenoberflächen zeigen ein teilweise von der Drehrichtung abhängiges Förderverhalten, welches jedoch keine negativen Auswirkungen auf das Dichtverhalten hatte. Auch die ohne axialen Vorschub hartgedrehten Wellenoberflächen sind geeignet, wobei die sehr „glatten“ Oberflächen zu geringen Förderwerten der Wellenoberfläche und des Dichtrings führen. Die durch Bandfinishen oder Kurzhubhonen hervorgerufenen, sehr feinen und meist schräg zur Wellenachse gerichteten, Riefenstrukturen sind äußerst förderintensiv. Sie können zu großer Leckage oder ungünstigen Schmierungsbedingungen im Dichtsystem führen. Diese Verfahren sind damit keine taugliche Alternative. Die makroskopische Drehwendel hat offensichtlich keinen Einfluss auf die Fördereigenschaft der Wellenoberfläche, eingebrachte Mikrostrukturen jedoch zeigen einen erheblichen Einfluss. Daraus kann abgeleitet werden, dass die Fördereigenschaften der Wellenoberfläche fast ausschließlich von deren „Mikrostruktur“ bestimmt werden, die größenordnungsmäßig deutlich unterhalb z.B. einer Drehwendel (Steigung ca. 0,05 bis 0,3 mm) liegt. Anhand der hier vorgestellten Vorgehensweise können beliebige Wellenoberflächen dichtungstechnisch geprüft und beurteilt werden. Künftig ist eine direkte Kennwertbildung aus den vorliegenden charakteristischen Kennkurven denkbar. Zur Verbesserung der Aussagemöglichkeiten sind weitere Erfahrungswerte hinsichtlich der Auswirkungen bestimmter Oberflächenstrukturen, Ausprägungen (z.B. Breiten-Längenverhältnis) etc. nötig. Dazu bietet unter anderem die Beobachtung des Systemförderwerts im Betrieb weit reichende Untersuchungsmöglichkeiten.Item Open Access Planung von Zuverlässigkeitstests mit weitreichender Berücksichtigung von Vorkenntnissen(2004) Krolo, Anna; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Die Sicherstellung der Produktzuverlässigkeit ist durch ausgereifte Konstruktionsmethoden allein nicht gewährleistet. Es müssen vielmehr spezielle analytische Zuverlässigkeitsmethoden zum Einsatz kommen. Obwohl es in der Industrie oft an der durchgängigen Anwendung der vorhandenen Methoden mangelt, werden diese vor allem in der Entwicklungs- und Verifikationsphase eingesetzt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit richtet sich auf die Verifikationsphase. Den Abschluß vor Serieneinführung eines Erzeugnisses bildet dessen Erprobung, die die tatsächlichen Feldbedingungen möglichst gut abbilden und somit eine statistisch abgesicherte Aussage zur Zuverlässigkeit im Kundenbetrieb liefern soll. Eine gründliche Planung des Testablaufs ist unumgänglich. Die Planung und Durchführung von Lebensdauertests stützt sich auf die an das Produkt gestellten Anforderungen bzgl. Zuverlässigkeit und der damit verbundenen Aussagesicherheit. Ohne diese Vorgaben lassen sich Versuche, zumindest vom statistischen Gesichtspunkt her gesehen, nicht durchführen. Die Forderung nach einer gewissen Zuverlässigkeit bei einer definierten Lebensdauer reicht allein nicht aus. Aufgrund dessen, daß es sich bei der Zuverlässigkeit um eine Zufallsgröße handelt, ist die Festlegung einer bestimmten Aussagesicherheit unabdingbar. Der klassische Zuverlässigkeitsnachweis erfolgt nach der Binomialverteilung. In der Regel wird von einem Testablauf ohne auftretende Ausfälle ausgegangen, einem sog. Success Run Test. Danach läßt sich unter Berücksichtigung der geforderten Zuverlässigkeit und Aussagewahrscheinlichkeit der erforderliche Stichprobenumfang ermitteln. Dieser ist je nach Höhe der Zuverlässigkeitsanforderungen in der Praxis oft nicht realisierbar. Beispielsweise bedarf es einer Prüfung von 22 Teilen, um eine Zuverlässigkeit von 90% mit einer Aussagesicherheit von 90% abzusichern, wobei ein zuverlässigkeitsrelevanter Ausfall nicht auftreten darf. Eine Möglichkeit zur Reduktion des Versuchsaufwands besteht in der Nutzung von Vorinformationen. Diese werden mit den aktuellen Testbedingungen verknüpft, wobei als mathematisches Hilfsmittel die Bayes-Formel dient. Es ergibt sich eine genauere Schätzung für das aktuelle Produkt. Die Bayessche Statistik geht von identischen Gegebenheiten aus, d.h. die Vorkenntnisse und die aktuellen Testbedingungen betreffen genau die selbe Grundgesamtheit. In der Praxis wird meist vernachlässigt, daß Vorkenntnisse und aktuelle Testbedingungen unterschiedlichen Grundgesamtheiten entnommen sind, beispielsweise wenn Vorgängermodelle als Referenz verwendet werden. Aufgrund des reduzierten Stichprobenumfangs besteht die Gefahr, daß die Zuverlässigkeit des Produkts für reale Betriebsbedingungen im Feldeinsatz unzureichend abgesichert ist. Dennoch scheint die Verwendung von Vorkenntnissen gerechtfertigt zu sein. Selten handelt es sich bei Produkten um Neuentwicklungen. Meist wird auf Bewährtes zurückgegriffen. So liegt der Anteil an Neuentwicklungen bei nur 15%. Produktänderungen und -anpassungen werden zu 65% durchgeführt, Weiterentwicklungen zu lediglich 20%. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode zur Planung von Zuverlässigkeitstests, die allgemein anwendbar ist und bestehende Vorinformationen über die Zuverlässigkeit des Produkts bei der Planung von Tests berücksichtigt. Dabei soll es möglich sein, Vorinformationen aus Berechnungen, vorangegangenen Versuchen und konstruktiv ähnlichen Produkten abzuleiten und in die Testplanung einzubeziehen. Mittels eines „Transformationsfaktors“ soll in Betracht gezogen werden, daß bereits vorhandene Informationen zur Zuverlässigkeit nur mit Einschränkungen auf eine neue Situation übertragbar sind. In diesem Zusammenhang wird die Vorgehensweise zur Schätzung und nachträglichen Verifikation des Transformationsfaktors vorgestellt.Item Open Access Ermittlung von Raffungsfaktoren für die Getriebeerprobung(2005) Weidler, Alexander; Bertsche, B. (Prof. Dr.-Ing.)Die Entwicklung neuer Automobilgenerationen ist konfrontiert mit der Verkürzung der Markteinführungszyklen, gesteigertem Kostendruck bei gleichzeitiger Steigerung der Qualität. Ein Ansatz, diesen Konflikt zu lösen, ist die aufwendige und zeitintensive Fahrerprobung der Fahrzeuge zu verkürzen. Es wird angestrebt, zeitlich geraffte Versuche durch die Variation verschiedener Parameter durchzuführen. Die Schwierigkeit besteht darin, die Parameter so zu bestimmen, dass die Schädigung in der Erprobung mit der im realen Einsatz übereinstimmt. Der Einsatz von Simulationswerkzeugen bietet hier die Möglichkeit, die Auswahl der zu variierenden Parameter auf das zu prüfende Fahrzeug abzustimmen, und so im Vorfeld der Erprobung das Raffungspotential zu ermitteln. Die am Institut für Maschinenelemente (IMA) der Universität Stuttgart entwickelte Simulationsumgebung bietet die Möglichkeit, beliebig aufgebaute Triebstränge auf gemessenen oder synthetischen Fahrstrecken hinsichtlich Belastungen, Verbrauch, Fahrbarkeit etc. zu untersuchen. Diese Simulationsumgebung setzt sich aus dem Streckenaufzeichnungssystem SASIMA, dem Verkehrssimulationsprogramm VERSIMA und dem Fahrsimulationsprogramm FASIMA zusammen. In dieser Arbeit wird der Einfluss einer Reihe typischer Versuchsparameter auf die Schädigung der Verzahnungen und ihre Möglichkeit der zeitlichen Raffung bei der Erprobung eines automatisierten Handschaltgetriebes untersucht. Für die einzelnen Gänge werden in Abhängigkeit der untersuchten Parameter die Lastkollektive ermittelt, mit denen Schadensakkumulationsrechnungen durchgeführt und auf eine Referenzschädigung bezogen werden. Als Resultat liegen die relativen Schädigungen der einzelnen Gänge in Abhängigkeit der untersuchten Parameter vor. Anhand des vorliegenden Schädigungsmechanismus wird bestimmt, ob die Raffung zulässig ist oder nicht. Das Ergebnis ist eine Matrix, die das Raffungspotential der Parameter auf die Gänge und das gesamte Getriebe widerspiegelt. Um gemessene oder synthetisch erzeugte Geschwindigkeits- und Streckenprofile beurteilen zu können, wurden Kenngrößen zur Bewertung der Geschwindigkeits-, der Höhen- und der Kurvenprofile hergeleitet. Anhand dieser Kenngrößen kann das Einflusspotential dieser Profile auf die Schädigung des Getriebes ermittelt werden. Untersucht wurden als fahrzeugspezifische Parameter das Fahrzeuggewicht, das Motormoment, die Hinterachsübersetzung und die Art des Schaltprogramms, ob manuelle oder automatische Gangwahl. Als streckenspezifische Parameter wurde das Höhenprofil und die Kurvigkeit, als fahrerspezifischer Parameter die Wunschgeschwindigkeit gewählt. Als Untersuchungsergebnis liegt eine Matrix vor, die den qualitativen und quantitativen Einfluss der Parameter auf die Schädigung der Verzahnungen der einzelnen Gänge enthält. Daraus lässt sich ableiten, dass zur zeitraffenden Erprobung von Getrieben gangspezifische Versuche gefahren werden müssen.Item Open Access Entwicklung von klapper- und rasselgeräuschfreien Fahrzeuggetrieben(2008) Stockmeier, Moritz; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Komfort ist in der Automobilindustrie zu einem Kriterium geworden, dessen Gewicht beim Kauf eines Fahrzeuges größer geworden ist. Eine dieser Komfort-Facetten stellt das Geräusch dar. Es ist allgemein unbestritten, dass zu einem positiven Geräuschempfinden im Wesentlichen beiträgt, dass insbesondere unerwünschte und störende Geräusche nicht oder nur in sehr geringem Umfang hörbar sein dürfen. Klapper- und Rasselgeräusche, die in Fahrzeuggetrieben entstehen, werden unzweifelhaft dieser Kategorie der unangenehmen Geräusche zugeordnet. In der Vergangenheit wurden in zahlreichen Forschungsarbeiten sowohl der Entstehungsmechanismus, als auch Möglichkeiten der Reduktion betrachtet. Allerdings gelang es bis heute nicht, durch getriebeinterne Maßnahmen die Entstehung der Klapper- und Rasselgeräusche wirksam zu unterbinden. In dieser Arbeit wurde daher der neuartige Ansatz der vollständigen mechanischen Entkopplung gewählt. In einem ersten Schritt wurde systematisch untersucht, inwiefern sich die derzeit am Markt befindlichen Getriebesysteme eignen, um sie als ein vollständig klapper- und rasselgeräuschfreies Fahrzeuggetriebe, kurz KURF-Getriebe, darzustellen. Es konnten Beispiele für Ausführungsformen gefunden werden, die sich prinzipbedingt sowohl vollständig klapper- und rasselgeräuschfrei ausführen lassen, als auch solche, die diese Möglichkeit gar nicht erst eröffnen. Dabei zeigen die vorgestellten Abschätzungen, dass der Aufwand zur Umgestaltung einer Getriebebauform zum KURF-Getriebe stark variieren kann. Es offenbarte sich ferner, dass es sinnvoll ist, diese Aufwandsabschätzung separat für die vollständige Klapper- und Rasselgeräuschfreiheit vorzunehmen. Der zweite Schritt umfasste die systematische Suche nach einem geeigneten Koppelprinzip für ein KURF-Getriebe. Im Ergebnis präsentiert sich das Prinzip Borg-Warner als äußerst geeignet, wobei in dieser Arbeit auch zwei weitere, eigenentwickelte Prinzipien, die Synchronstiftschaltung und die Passfederschaltung, zur Prototypenfertigungsreife getrieben wurden. Wie das herkömmliche Koppelprinzip nach Borg-Warner wurde auch die Synchronstiftschaltung gefertigt und auf dem IMA-Klapper- und Rasselprüfstand umfangreichen Tests unter Variation zahlreicher geometrischer und tribologischer Parameter unterzogen. Zunächst wurde eine einzelne Zahnradstufe mit Synchronstiftschaltung in einem eigens dafür angefertigten Experimentalprüfgehäuse untersucht, anschließend ein modifiziertes Seriengetriebe mit Synchronpaketen nach dem Prinzip Borg-Warner. Die durchgeführten Geräuschmessungen zeigen eindrucksvoll, dass im entkoppelten Zustand insbesondere bei kaltem Getriebeöl und bei sehr hohen Anregungen durch sinusförmige Drehungleichförmigkeiten keine Klappergeräusche auftreten. Im direkten Vergleich mit dem gekoppelten Zustand wurden Differenzen von mehr als 20 dB gemessen. Bei heißem Getriebeöl hingegen traten Klappergeräusche auf, die im Vergleich zum gekoppelten Zustand stets wesentlich geringere Luftschalldruckpegel aufweisen und zudem auch bei weiterer Steigerung der anregenden Winkelbeschleunigungsamplitude nur marginal an Intensität zunehmen. Zusätzlich liegen die Anregungsschwellen, die sog. Klappergrenzen, bei um ein Mehrfaches höheren Winkelbeschleunigungsamplituden als im gekoppelten Zustand. In zahlreichen Messungen wurden die Einflüsse von mehreren Gatriebeparametern auf das Verhalten hinsichtlich der Klappergeräuschentfaltung untersucht und dokumentiert. Die am modifizierten 5-Gang-Seriengetriebe durchgeführten Messungen zeigten ein grundsätzlich ähnliches Verhalten. Dabei wurde lediglich ein zusätzliches Synchronpaket in das Getriebe eingebaut, mit dessen Betätigung die gesamte Vorgelegewelle abgeschaltet werden konnte. Es wurde eine vollständige Klappergeräuschfreiheit unter definierten Umgebungsbedingungen ebenso wie eine reduzierte Rasselgeräuschemission im Direktgang nachgewiesen. Durch die mögliche Aufhebung der Zwangsdrehbewegung der Vorgelegewelle durch ein Entkoppeln des Konstantenritzels konnte ferner mit Messungen dokumentiert werden, dass sich das Getriebegesamtschleppmoment sowohl im Leerlauf wie auch im Direktgang deutlich verringert. Die mögliche Ausführung eines Fahrzeuggetriebes als KURF-Getriebe eröffnet durch die Einbringung von zusätzlichen Koppelelementen auch zusätzliche Freiheitsgrade bei der Schaltstrategie. Mittels Simulation wurde vorgestellt, wie sich die Verteilung von Synchronisationsarbeit, Synchronisationsspitzenleistung und Schaltzeit durch unterschiedliche Reihenfolgen der Aktivierung notwendiger Koppelelemente für den Gangwechsel darstellt. Dabei wurden die Übersetzung bei konstantem Achsabstand und gleich bleibendem Schaltkraftverlauf und damit mittelbar auch die Massenträgheitsverhältnisse variiert. Als Konsequenz dieser Simulationsergebnisse können je nach Einsatzzweck optimale Schaltstrategien für beliebige Gangwechsel in Hinblick auf die oben genannten Größen ausgelegt und umgesetzt werden.Item Open Access Erhöhung der Verfügbarkeit von Daten für die Gestaltung und Berechnung der Zuverlässigkeit von Systemen(2003) Schüppenhauer, Lutz; Lechner, Gisbert (Prof. Dr.-Ing.)Zuverlässigkeit eine wichtige Produkteigenschaft - für die Hersteller wie für die Nutzer. Zutreffende Vorhersagen der Zuverlässigkeit von Produkten in einem frühen Stadium ihrer Entwicklung sparen Zeit und Kosten. Die entwickelten theoretischen Methoden der Prognose der Einzelteilzuverlässigkeit (Lebensdauerverteilungen) wie der Systemzuverlässigkeit könnten das bewirken. In der Praxis behindert aber Datenmangel ihre breite Anwendung. Die Herstellen generieren Zuverlässigkeitsdaten durch die Erprobung von Einzelteilen, Aggregaten und ganzen Maschinen unter Labor- und Feldbedingungen. Weitere Daten können über den Kundendienst gewonnen werden, durch Garantiedaten, Ersatzteilverkäufe und Wartungsverträge, doch wird der Zugang zu Daten über die Produktlebensdauer immer schwieriger und aufwendiger. Die Nutzer erfahren Zuverlässigkeit durch (Nicht-)Ausfälle. Zuverlässigkeitsinformationen können über Instandhaltungsdaten, Verfügbarkeit, Ersatzteilverbrauch und Betriebskosten erfaßt werden. Für eine effektive Auswertung von Zuverlässigkeitsinformationen und Anwendung der Zuverlässigkeitsmethoden ist die Entwicklung eines computerbasierten „Informationssystems für die Projektierung der Zuverlässigkeit“ (IPZ) notwendig. Alle Bereiche, die sich mit Zuverlässigkeit befassen, wie Konstruktion, Versuch und Zuverlässigkeitsanalyse, sollten das IPZ nutzen. Ein Informationssystem besteht im allgemeinen aus 3 Modulen: (1) Methoden, (2) Datenbank und (3) Modelle. Letztere vereinfachen die Wiederholung gleichartiger Fälle durch die Beschreibung der Auswahl der Methoden mit den zugehörigen Parametern sowie den notwendigen Daten in Qualität und Quantität, geben Interpretationshilfe und vereinfachen die Dokumentation. Eine Literatursammlung und ein Servicekommunikationssystem für Probleme und Lösungen können ebenso eingebunden werden. Die Entwicklung eines Informationssystems, das alle Bedürfnisse von Herstellern verschiedener Branchen, von Nutzern und von wissenschaftlichen Einrichtungen gleichermaßen befriedigt ist zu komplex und nicht vorstellbar. So wurde eine allgemeine Methode zum Aufbau eine IPZ entwickelt und ein beispielhaftes System praktisch umgesetzt. Ein IPZ muß das konventionelle Erreichen von Zuverlässigkeitsvorgaben ermöglichen: wenn vorhandenes Wissen und Erfahrungen nicht ausreichen, kommt ein Zuverlässigkeitsmodell zur Anwendung. Es werden eine oder mehrere Methoden angewandt, die wiederum die notwendigen Daten in Qualität und Quantität bestimmen. Sind die Daten nicht verfügbar, müssen sie generiert oder gesammelt werden. Nach der Berechnung und Interpretation der Ergebnisse können die Vorgaben erfüllt sein, oder ein iterativer Prozeß muß einsetzen, bis das erreicht ist. Die Softwareentwicklung besteht aus drei Schritten: 1. Das Konzeptionelle Modell: ein Ausschnitt der Realität wird in einem „Entity-Relationship-Diagramm“ beschrieben. 2. Dieses wird in das Logische Datenmodell überführt und die semantischen Ausdrücke mit Normalisierungsregeln überarbeitet. 3. Die Physische Datenbankstruktur wird entwickelt, z.B. in zweidimensionalen Tabellen. Die Softwarespezifikationen werden mit der „Must – Want – Nice“ Methode festgelegt. Die Hardwareauswahl erfolgt mit Auswahltabellen. Nach der Entscheidung über den Typ des Datenbankmanagementsystems (relational oder objektorientiert) erfolgt die Entscheidung für ein konkretes Softwareprodukt. Das Lastenheft ist Grundlage der Softwareentwicklung. Ein beispielhaftes Informationssystems für die Projektierung der Zuverlässigkeit wurde entwickelt. Zentraler Bestandteil ist die „Datenbank Zuverlässigkeitsprojektierung“, die folgendes enthält: · einen maus-sensitiven Baum der Maschinenelemente · Identifizierungsdaten · Belastungsdaten (Kräfte, Momente, Umgebungseinflüsse) · Belastbarkeitsdaten (Geometrie-, Material- und Fertigungsangaben) · Parameter der Weibull-Lebensdauerverteilung · Reparatur- und Austauschparameter (6 verschiedene Instandhaltungsstrategien: Austausch nach Ausfall; Austausch nach einer bestimmten Lebensdauer der Maschine oder des Teils – jeweils abhängig oder unabhängig von seinem Zustand; permanente Zustandsüberwachung). Die Lebensdauer- und Instandhaltungsdaten werden von der Datenbank an die Systemzuverlässigkeitssimulation „Reliability of Serviceable Systems“ (ROSS) übergeben. ROSS berechnet Dichtefunktionen des vorbeugenden Austausches, der Ausfallhäufigkeit und des Ersatzteilbedarfs. Diese Kurven werden wiederum in der Datenbank gespeichert. Wenn das Verhalten aller beteiligten Elemente berechnet wurde, wird ein Seriensystem aus ihnen generiert und dessen Ausfallhäufigkeit und die der beteiligten Elemente gemeinsam dargestellt. Dies wird wiederum in der Datenbank Zuverlässigkeitsprojektierung zur Dokumentation gespeichert. Zusätzlich können auch angenommene Daten simuliert werden – ein spezieller Parameter erlaubt die Unterscheidung von realen Daten. Am Beispiel einer Ackerschlepper-Abgasanlage ist die Anwendung dargestellt.Item Open Access Zur Minimierung der Losteilgeräusche von Fahrzeuggetrieben(2001) Dogan, Süreyya Nejat; Lechner, Gisbert (Prof. Dr.-Ing.)Verbrauchs- und emissionsoptimierte Verbrennungsmotoren führen zu Drehzahlungleichförmigkeiten und folglich zu Torsionsschwingungen des gesamten Antriebsstrangs. Die Ursache der Klapper- und Rasselgeräusche in Fahrzeuggetrieben sind Torsionsschwingungen von nicht unter Last stehenden Getriebekomponenten, die sich innerhalb ihrer funktionsbedingten Spiele hin- und herbewegen. Diese Geräusche heben sich von den übrigen Lärmquellen ab und fallen infolge ihres lästigen Charakters auf. In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse von Betriebs- und Konstruktions-parametern auf das Klapper- und Rasselverhalten von Getrieben an einem bestehenden und weiterentwickelten Klapper- und Rasselprüfstand untersucht. Der Prüfstand wurde so erweitert, daß die Einbaulage des Getriebes im Fahrzeug nachgebildet werden kann. Es wurden rechnerische Berechnungsansätze eingesetzt und mit den experimentellen Untersuchungen verglichen. Zur Reduzierung dieser Geräusche wurden getriebeinterne Maßnahmen entwickelt. Aus den gewonnenen Erkenntnissen konnten Konstruktionshinweise für die Auslegung von klapper- und rasselarmen Getrieben abgeleitet und in Form eines Datenbanksystems mit einer grafischen Benutzeroberfläche visualisiert werden. Das vorhandene EKM-Näherungsverfahren (Einfachst-Klapper-Modell) zur Ermittlung des Klapper- und Rasselgeräuschverhaltens einstufiger Zahnräder mit zwei Freiheitsgraden in Umfangs- und Axialrichtung wurde auf komplette Getriebe beliebiger Bauweise und Schaltzustände erweitert. Die näherungsweise Geräuschberechnung an einem kompletten Koaxialgetriebe und an einem kompletten Front-/Quergetriebe im Leerlauf und geschaltetem Gang wurden mittels zahlreicher Messungen überprüft. Die Einflüsse des Klapper- und Rasselpegels von den Betriebs- und Konstruktionsparametern am Prüfstand zeigten eine gute Korrelation zu den berechneten Geräuschpegeln. Desweiteren wurde das rechnerisch ermittelte Schleppmoment mit Prüfstandsmessungen verglichen.Item Open Access CAD-integrierte Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung(2002) Ruppert, Heiko; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)Die Zuverlässigkeit beschreibt unmittelbar die Funktionsfähigkeit eines Produkts. Sie ist als zeitabhängige, d.h. dynamische Komponente der Qualität anzusehen und daher ein entscheidendes Verkaufsargument im Wettbewerb. Um zuverlässige Produkte auch unter sich verschärfenden Randbedingungen, wie z.B. größerer Komplexität und höherer Funktionalität entwickeln zu können, müssen vermehrt Methoden der Zuverlässigkeitstechnik eingesetzt werden. Die funktionalen Eigenschaften eines Produkts werden, ausgehend von den Kundenforderungen, weitgehend durch die konstruktive Entwicklung bestimmt. Selbst eine ausgereifte Konstruktionsmethodik führt nur durch den Einsatz von Zuverlässigkeitsmethoden zu einer hohen Produktzuverlässigkeit. Jedoch erfolgt die Ermittlung der Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen meist spät im Produktentstehungsprozeß sowie isoliert vom rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß. Im Sinne einer CAD-integrierten, frühen und konstruktionsphasenübergreifenden Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung soll die vorliegende Arbeit einen Beitrag leisten. Basierend auf dem Stand der Konstruktionsmethodik und dessen Abbildung im CAD-System wurde die Anwendung von qualitativen und berechnenden Zuverlässigkeitsmethoden entlang des Produktentstehungsprozesses untersucht. Beginnend mit der Abbildung der Konzeptphase im CAD-System können mittels des Lebensdauermanagers zuverlässigkeitsrelevante Daten zu den geometrischen Objekten in einer Datenbank abgelegt werden. Darauf aufbauend können gängige Zuverlässigkeitsmethoden, wie z.B. Fehlerbaumanalyse und Boolesche Methode, ausgeführt werden. Eine inter-aktive Zuverlässigkeitsanalyse mit dem CAD-System, bereits in der frühen Phase, kann in der weiteren Entwicklung fortgeschrieben und verfeinert werden. Dadurch soll der Konstrukteur die geforderte hohe Produktzuverlässigkeit früher und genauer erreichen können, verglichen mit einem „CAD-isolierten“ Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden. Das Software-Werkzeug KOSYMA wurde hinsichtlich einer konstruktionsphasenbezogenen Datenablage weiterentwickelt. Bereits das Konzept in der Entwicklungsphase kann im Skizzenmodus des CAD-Systems abgebildet und mit dem Lebensdauermana-ger gekoppelt werden. Den erstellten geometrischen Objekten können somit Zuverlässigkeitsdaten zugewiesen werden, auf deren Basis die Zuverlässigkeitsanalyse erfolgt. Die Ergebnisse werden phasenbezogen und strukturiert in einer Datenbank abgelegt. In späteren Phasen der konstruktiven Entwicklung werden die Resultate als Basis für die weitere Zuverlässigkeitsanalyse verwendet und kontinuierlich verbessert und ergänzt. Diese Durchgängigkeit einer CAD-integrierten Zuverlässigkeitsanalyse wurde anhand der Fehlerbaumanalyse und anhand der Booleschen Methode gezeigt. Die Kopplung des CAD-Systems mit qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden wurde am Beispiel der FMEA vorgestellt. Anhand des Beispiels Stellglied des elektromechanischen Kupplungssystems wurde die praktische Anwendung der Vorgehensweise durchgeführt. Abschließend wurde die Möglichkeit einer Kostenreduzierung eines Systems basierend auf der Weibullanalyse am Beispiel der Komponente Lager gezeigt. In einer Fortsetzung dieser Arbeit soll die Unsicherheit der Zuverlässigkeitsdaten, die sich beispielsweise in den Vertrauensbereichen ausdrückt, berücksichtigt werden. Da-bei ist zu prüfen, wie die Datenunsicherheit der einzelnen Komponenten die Zuverlässigkeitsermittlung des Systems beeinflußt. Dabei ist auch auf die Durchgängigkeit der Zuverlässigkeitsinformationen zu achten. Weitergehende Untersuchungen sollen, aufbauend auf der vorgestellten weibullbasierten Kostenanalyse, hinsichtlich einer früheren Berücksichtigung des Kostenaspekts erfolgen. Mit dem Aufwand der Zuverlässigkeitstechnik kann ein Kosteneinsparpotential einhergehen, so daß ein Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden direkt gewinnbringend ist.Item Open Access Zuverlässigkeitsorientiertes Erprobungskonzept für Nutzfahrzeuggetriebe unter Berücksichtigung von Betriebsdaten(2007) Maisch, Matthias; Bertsche, Bernd (Prof.-Dr. Ing.)Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines zuverlässigkeitsorientierten Erprobungskonzepts am Beispiel eines Nutzfahrzeuggetriebes für Stadtbusse. Berücksichtigt wird die Verwendung von Betriebsdaten des Getriebes zur Zuverlässigkeitsberechnung. Zur Optimierung des Erprobungsprozesses werden mit der im ersten Teil der Arbeit entwickelten Erprobungsmethodik die Möglichkeiten zur Berücksichtigung aller notwendigen Randbedingungen zur Zuverlässigkeitstestplanung von Komponenten und Gesamtgetriebe verdeutlicht. Betrachtet werden insbesondere mechanisch und hydraulisch leistungsführende Komponenten des Getriebes. Anhand der Problematik der Beanspruchungsstreuung mechanischer Komponenten im Betrieb, hervorgerufen durch unterschiedlichste Einsatzcharakteristiken der Getriebe, wird aufgezeigt wie die Beanspruchungsverteilung von Komponenten mittels Fahrsimulationen ermittelt werden kann. Die weitere Gliederung des Erprobungsprozesses wird zeitlich in die Phase der Komponenten- und Gesamtgetriebeerprobung vorgenommen. Zur Zuverlässigkeitstestplanung von Komponenten und Getriebe werden attributive und variable Testplanungsmodelle unter Einbeziehung des Raffungsfaktors und Lebensdauerverhältnisses optimiert. Die Berücksichtigung der Beanspruchungsverteilung der Komponenten im Betrieb ermöglicht es, die Unterschiede des Zuverlässigkeitsnachweises bezüglich eines definierten Quantils der Beanspruchungsverteilung oder der Berücksichtigung der gesamten Beanspruchungsverteilung zu analysieren. Um die Höhe der Zuverlässigkeitsanforderung von ökonomischen Kriterien abhängig zu machen, wurde ein Modell zur kostenoptimalen Zuverlässigkeitstestplanung entwickelt, welches die zu erwartenden Gesamtkosten minimiert. Für den Sonderfall des Dauerfestigkeitsnachweises mechanischer Komponenten werden die Erprobungsmethoden systematisch hinsichtlich der Anzahl der Prüfhorizonte eingeteilt und analysiert. Die Analyse von Dauerfestigkeitsversuchen auf einem Lasthorizont erfolgt hinsichtlich des Einflusses der Verteilungsart der Dauerfestigkeitswerte. Zur Auswertung von Dauerfestigkeitsversuchen auf mehreren Lasthorizonten wird die Maximum-Likelihood-Methode angewendet und die Möglichkeit zur Berücksichtigung von Vorkenntnissen mittels der Bayes-Methode verdeutlicht. Anhand des Treppenstufenverfahrens wird diese Vorgehensweise gezielt untersucht. Die Anwendung der Monte Carlo Simulation ermöglicht es Treppenstufenfolgen zu simulieren und unter Berücksichtigung von Vorkenntnissen über den Mittelwert und die Standardabweichung der Dauerfestigkeitsverteilung mittels der Bayes-Statistik auszuwerten. Für die Phase der Gesamtgetriebe- und Baugruppenerprobung erfolgt die Einbindung der Vorkenntnisse aus den Ergebnissen der Komponentenerprobung ebenfalls mittels der Bayes-Statistik. Am Beispiel eines Seriensystems wird der Einfluss von Komponentenvorwissen auf die Reduktion des notwendigen Prüfaufwands an Gesamtgetrieben dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbindung von Vorwissen beim Zuverlässigkeitstest von Gesamtgetriebesystemen eine erkennbare Reduktion des notwendigen Erprobungsumfangs ermöglicht. Die systematische Analyse von Betriebsdaten wird mittels eines Regelkreises verdeutlicht. Dieser beschreibt die Verwendung von Betriebsdaten, insbesondere von Lastkollektiven mechanischer Komponenten, zum Abgleich der Lastannahmen aus der Simulation und zur Definition von Erprobungskollektiven. Zur Nutzung der Betriebsdaten während der Betriebsphase der Getriebe werden Methoden zur Online-Zuverlässigkeitsberechnung und Lebensdauerprognose mechanischer Antriebsstrangkomponenten aufgezeigt. Diese ermöglichen die Berechnung der Zuverlässigkeit der Antriebsstrangkomponenten unter Berücksichtigung der Streuung der Auslegungs- und Berechnungsparameter. Aus der Prognose des Schädigungsverlaufs durch Zeitreihenmodelle kann schließlich die Prognose der Zuverlässigkeit für den weiteren Betrieb der Getriebekomponenten erfolgen.Item Open Access Gehäusegestaltung im Abdichtbereich unter pulsierendem Innendruck(2005) Fronius, Kuno; Bernd Bertsche (Prof. Dr.-Ing.)Pulsierender Innendruck in Getriebekomponenten führt dazu, dass die Verschraubung zusätzlich gedehnt wird und somit die verspannten Teile entlastet werden. Dieser dynamische Vorgang wirkt sich hauptsächlich auf die Dichtung negativ aus. Sie wird in Bereichen niedriger Flächenpressung zusätzlich entlastet oder möglicherweise ausgetrieben. Gehäuseteile mit einer geringen Steifigkeit verformen sich verstärkt und es kommt hier zu Spaltbildungen und Klaffungen. Im Extremfall führt das zu innerer oder äußerer Leckage. Anwendungsfälle für Flachdichtungen innerhalb der Antriebstechnik, die mit pulsierendem Innendruck belastet werden, sind hydraulische Steuerungen wie z.B. Steuerplatten von Automatgetrieben für Fahrzeuge sowie Pumpen für Nebenaggregate von Getrieben. Um sie oben beschriebene Problemstellung systematisch zu untersuchen, wurden am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart mehrere Prüfzellen für Innendruckuntersuchungen aufgebaut. Parallel dazu wurden Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) durchgeführt. Die Erkenntnisse aus den experimentellen und theoretischen Untersuchungen wurden in einem Konstruktionskatalog mit Gestaltungshinweisen für eine betriebssichere Dichtverbindung unter Innendruckbelastung zusammengefasst. Ferner ist es gelungen den Konstruktionskatalog durch Nomogramme zu ergänzen. Mit diesen Diagrammen kann der Konstrukteur die benötigten Parameter für seine Dichtverbindung ausgehend von ein paar Startwerten graphisch auf einfache Weise ermitteln. Zukünftige Untersuchungen werden sich verstärkt auf die Untersuchung von Flüssigdichtmittel konzentrieren. Die Arbeit an diesem Projekt hat gezeigt, dass das Dicht- und Ausfallverhalten von Flüssigdichtungen deutliche Unterschiede aufweist, je nachdem ob es sich um ein anaerob aushärtendes, filmbildendes oder um ein Dichtmittel auf Silikonbasis handelt. Aktuell wird am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart ein Projekt im Rahmen der FVA zum Thema „Einsatzgrenzen von Flüssigdichtungen“ durchgeführt.
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