Universität Stuttgart
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Item Open Access Systematisches Toleranz Design unter Berücksichtigung von Funktions- und Kostenaspekten nach der robusten Zuverlässigkeitsmethode SMAR²T(2015) Kemmler, Stefan; Fuchs, Alexander; Leopold, Tobias; Bertsche, BerndTendenzen für heutige Herausforderungen zur effizienten Produktentwicklung verlagern sich in Richtung von simulativ gestützten virtuellen Herangehensweisen. Hierfür werden in der industriellen Entwicklung komplexer Produkte zunehmend Methoden angewandt, die unter Einsparung von notwendigen Ressourcen umfassende realitätsnahe Ergebnisse liefern. Diese Ergebnisse werden zielgerichtet an die jeweilige Anforderung unter Berücksichtigung deren Robustheit, technische Realisierbarkeit sowie Kosten bezüglich variierender Toleranzeinstellungen, optimiert. Zur Veranschaulichung der methodischen Vorgehensweise zum Gestalten robuster und zuverlässiger Produkte unter Berücksichtigung von Funktions- und Kostenaspekten wird die Vorgehensweise zur Bestimmung eines Kostenmodells im Toleranz Design nach SMAR²T (Systematic Method for Axiomatic Robust Reliability-Testing Method) anhand eines einfachen technischen Systems (Überlastkupplung) diskutiert.Item Open Access ERA - Energy-based reliability analysis - Energiebasierte Zuverlässigkeitsanalyse(2014) Kemmler, Stefan; Koller, Oliver; Bertsche, BerndDa die Wechselwirkungen zwischen mechatronischen Komponenten in Systemen eine entscheidende Rolle auf ihre Belastung einnehmen, ist die Betrachtung dieser Wechselwirkungen un- verzichtbar. Zur Identifikation solcher Wechselwirkungen ist eine ergänzende Methode zur den bisher klassischen Systemanalysen von Nöten. Dies wird bei der vorgestellten energiebasierten Zuverlässigkeitsanalyse (engl. Energy-based Reliability Analysis - ERA) berücksichtigt, indem die stationären Energie- beziehungsweise die dynamischen Leistungsflüsse mechatronischer Systemen in Form von Energieflussdiagrammen dargestellt werden. Mit der Modellierung des Energieflusses und damit das Ansetzen des ERA-Verfahrens kann der Nutzer Wirkzusammenhänge und Schwachstellen erkennen, eine exaktere Bestimmung der Zuverlässigkeit durch Berechnung der Belastung erreichen und folglich Komponenten zuverlässigkeitsbasiert auslegen.Item Open Access Rasselgeräuschprüfstand zur Untersuchung von Fahrzeuggetrieben(2011) Fietkau, Peter; Baumann, Axel; Bertsche, BerndIn diesem Aufsatz wird der Klapper- und Rasselgeräuschprüfstand am Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart vorgestellt. Der Prüfstand wurde speziell entwickelt, um die bei Fahrzeuggetrieben auftretenden Losteilgeräusche (Klapper- und Rasselgeräusche) untersuchen zu können. Neben der Beschreibung des allgemeinen Prüfstandsaufbaus wird genauer auf das Regelungskonzept sowie die verwendete Messtechnik eingegangen. Diese zeichnet sich unter anderem durch eine hochgenaue Erfassung der Drehschwingungen aus. Dadurch ist es möglich, Relativbewegungen im Betrieb von im Eingriff stehenden Zahnrädern hochauflösend aufzuzeichnen. Abschließend werden einige exemplarische Messungen dargestellt.Item Open Access Comparison of Taguchi Method and Robust Design Optimization (RDO) : by application of a functional adaptive simulation model for the robust product-optimization of an adjuster unit(2015) Kemmler, Stefan; Fuchs, Alexander; Leopold, Tobias; Bertsche, BerndCurrent research and development have been trending towards approaches based on simulation and virtual testing. Industrial development processes for complex products employ optimization methods to ensure results are close to reality, simultaneously minimizing required resources. The results of virtual testing are optimized in accordance with requirements using optimization techniques. Robust Design Optimization (RDO) is one established approach to optimization. RDO is based on the identification of an optimal parameter set which includes a small variance of the target value as a constraint. Under most circumstances, this approach does not involve separate optimization of the target value and target variance. However, the basic strategy of the optimization approach developed by Taguchi is to first optimize the parameter sets for the target value and then optimize and minimize the target variance. According to an application example , the benefit of Taguchi's approach (TM) is that it facilitates the identification of an optimal parameter set of nominal values for technical feasibility and possible manufacturing. If an optimal parameter set is determined, the variance can be minimized under consideration of process parameters. This paper examines and discusses the differences between and shared characteristics of the robust optimization methods TM and RDO, and discusses their shortcomings. In order to provide a better illustration, this paper explains and applies both methods using an adjuster unit of a commercial vehicle braking system. A simulation model is developed including an appropriate work ow by applying optiSLang-modules.Item Open Access Robust Design Methodology for the development of commercial vehicle braking systems(2015) Kemmler, Stefan; Leopold, Tobias; Fricke, Jens; Bertsche, BerndToday’s product requirements demand an ever increasing functionality for the same space and usually the same number of components. Thereby, the quality, reliability and robustness of these products should be preserved or even be increased. This target conflict cannot be solved without compromises. The research community between the Institute of Machine Components (IMA), University of Stuttgart, and the Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH is seeking for new solutions for these challenges. The new approaches for designing robust and reliable products are being implemented directly in a current development project of an innovative Air Disc Brake (ADB). With “Systematic Method for Axiomatic Robustness-Testing” (SMART), reliability methods and the basic concept of Robust Design methodology are related to the Taguchi Method. SMART is based on three phases: System, Parameter and Tolerance Design; accordingly, the sample phases of VDA (Association of German Automotives) are used as milestones. In the System Design, SMART focuses on the decreasing complexity according to the functional dependences of the DPs, thus precluding early random failures. In the Parameter Design phase, SMART gives the developer an approach for modeling an adaptive simulation model (SIM-SMART). This model also enables the simulation of random and possible fatigue failures in addition to the nominally robust DPs. In the early stage of product development, reliability predictions are possible. In the iterative Tolerance Design phase, the final tolerance limits for robust and reliable products are defined with consideration of compromises in terms of costs, quality and technical feasibility. With the application of SMART, a design concept of a new generation of an ADB with less complexity is created. The extensive functions for flexible function studies are modeled with the objective of SIM-SMART. Accordingly to this model, parameter studies for determination of the nominal adjustment levels can be performed and their random and fatigue failures modeled. In conclusion, more accurate reliability test strategies are recommended using the definition of tolerance limits. The cost aspect and technical feasibility are also taken into account. So far, SMART has not been added to the iterative Tolerance Design phase. With this paper, the method is not only extended to this phase, but also sufficiently validated. In addition, SMART can predict and analyze random failures. With its three coherent and iterative phases, it is an as yet unpublished and unimplemented approach for designing even more robust and reliable products. Robust Design Methodology and reliability methods are fundamental building blocks for products with high quality requirements. SMART presents an approach to support the designing of robust, reliable, highly functional and innovative ADB.Item Open Access Reliability as a key driver for a sustainable design of adaptive load-bearing structures(2022) Efinger, Dshamil; Ostertag, Andreas; Dazer, Martin; Borschewski, David; Albrecht, Stefan; Bertsche, BerndThe consumption of construction materials and the pollution caused by their production can be reduced by the use of reliable adaptive load-bearing structures. Adaptive load-bearing structures are able to adapt to different load cases by specifically manipulating internal stresses using actuators installed in the structure. One main aspect of quality is reliability. A verification of reliability, and thus the safety of conventional structures, was a design issue. When it comes to adaptive load-bearing structures, the material savings reduce the stiffness of the structure, whereby integrated actuators with sensors and a control take over the stiffening. This article explains why the conventional design process is not sufficient for adaptive load-bearing structures and proposes a method for demonstrating improved reliability and environmental sustainability. For this purpose, an exemplary adaptive load-bearing structure is introduced. A linear elastic model, simulating tension in the elements of the adaptive load-bearing structure, supports the analysis. By means of a representative local load-spectrum, the operating life is estimated based on Woehler curves given by the Eurocode for the critical notches. Environmental sustainability is increased by including reliability and sustainability in design. For an exemplary high-rise adaptive load-bearing structure, this increase is more than 50%.Item Open Access Parameter assessment for reliability modeling of machine components using heuristic screening(2023) Arndt, Marco; Dazer, Martin; Raither, Wolfram; Bertsche, BerndFor the investigation of influence of various parameters on properties and outputs of components or systems, Design of Experiments (DOE) offers the most efficient approach to create a comprehensive empirical insight into product performance. However, especially if product lifetime is treated as the investigation objective, the main focus of attention must be placed on the efficiency of testing - if only to comply with the principle of DOE, even before testing begins. Without actual test runs, a pre-selection of relevant factors influencing the target quantity can be performed here and strategically adjusted in scale compared to the subsequent method. In this work, common heuristic tools and methods are analyzed and evaluated with respect to a deliberate preselection of influencing factors versus the challenges in lifetime testing and degradation behaviors. Several factors as well as their interactions are taken into account to achieve this. For this purpose, these methods are partially extended and adapted in their focus in order to finally be made applicable in a suitable procedure. An illustration of this is also provided in a selected use case with limited empirical and experimental prior-knowledge, in which a sample of relevant influences is identified through qualitative heuristic decision making with respect to parameters that influence product lifetime.Item Open Access Gestalten robuster und zuverlässiger Produkte mit der SMART-Methode(2014) Kemmler, Stefan; Bertsche, BerndSMART ist eine adaptive Methode zur Gestaltung von robusten und zuverlässigen Produkten und kann zu jedem Zeitpunkt des PEP angewendet werden. Die praktische Anwendbarkeit der SMART-Methode zeigt sich bislang erfolgreich an einem komplexeren Produkt in einem Industrieprojekt. Hier wird die Anwendung der SMART-Methode am Beispiel einer Druckfeder durchgeführt und dient ausschließlich zur Erklärung und Veranschaulichung der Methode. Die Vorgehensweise in diesem Anwendungsbeispiel stützt sich größtenteils auf die Vorgehensweise nach Taguchi. Diese wird durch die RD Methode AD erweitert sowie dem PEP angeglichen und um die Musterphasen ergänzt. Zudem wird der Zuverlässigkeitsaspekt früh integriert. Mit AD wird eine Zuverlässigkeitsanalyse in die TM integriert, die sowohl komplexe Funktionsstrukturen als auch funktionale Systemstrukturen analysiert. Es gibt bislang Forschungsarbeiten, die sich mit der Implementierung von RD Methoden in der Praxis beschäftigen. Allerdings sind einige Unterschiede zur SMART-Methode erkennbar. SMART wird zeitlich genauer in den PEP eingeordnet und um die Musterphasen erweitert. Außerdem werden die eingesetzten Methoden AD sowie die drei Phasen nach Taguchi (SD, PD und TD Phase) gekoppelt und detailliert beschrieben. Schwerpunkt zukünftiger Forschungsarbeiten zur SMART-Methode bildet die Vertiefung des Zuverlässigkeitsaspekts. Dazu wird das Thema virtuelle Lebensdauerermittlung (VLE) näher ausgearbeitet und direkt in die Methode implementiert. Grundlage der bisherigen Lebensdauerermittlung von Bauteilen bilden Bauteil-Wöhlerlinien, bei denen die unterschiedlichen Eingangsstreuungen und deren Vertrauensbereiche nicht ganzheitlich berücksichtigt oder sogar vernachlässigt werden. Mit Hilfe der neuen Methode können zu einem frühen Design-Stand diese Aspekte berücksichtigt und das Ausfallverhalten beschrieben werden, beispielsweise eine nominelle Lebensdauer am Ende der PD Phase.Item Open Access Lebensdaueranalyse auf Basis von multidimensionaler Zuverlässigkeits- und Robust Design Simulation : integrale Betrachtung der robusten Zuverlässigkeit(2017) Kemmler, Stefan; Dazer, Martin; Leopold, Tobias; Bertsche, BerndKonventionelle Methoden des Robust Design verfolgen größtenteils Ansätze zur Varianzbetrachtung, die potentiell über der Produkteinsatzzeit auftreten können. Daher geben diese Methoden keine genauen Informationen über das zeitlich funktionale Verhalten der sich verändernden Produkteigenschaften und -anforderungen sowie deren Lebensdauer. Um genaue Lebensdauerprognosen bezüglich dieser Funktionserfüllung zu beschreiben, ist eine kontinuierliche Merkmalsänderung in Form von sogenannten Degradationsmodellen von Vorteil. Diese werden im Allgemeinen durch reale Versuche mit einem hohen Grad an zeitlichem und kostenintensivem Aufwand durchgeführt. Für eine effizientere Ermittlung der Modelle sollten bereits in frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses, virtuelle Degradationsmodelle entwickelt werden. Durch die genaue Kennung von Funktionsausfällen über der Zeit können nicht nur Produkte zielgerichtet ausgelegt, sondern auch unnötige Ressourcen eingespart werden.Item Open Access Coefficient of friction behavior of gear oils and significance for the meshing process of spur gears : lubrication for improved properties(2022) Baumann, Axel; Bertsche, BerndThe mechanical properties of oils are determined using test methods. There are standardized test methods for determining viscosity and density. The characterization of transmission oil based on its dynamic viscosity alone is not sufficient for the physical explanation of different levels of noise emissions in vehicle transmissions. For this reason, the test procedure for determining the coefficient of friction is used in the following to enable a further differentiation between the oils according to mechanical properties. In gear transmissions with involute gear teeth, rolling friction occurs in the gear pair meshing along the line of action due to the variation in the equivalent curvature radii throughout the meshing cycle. This is rolling friction on which a sliding friction component, so-called slip, is superimposed. Pure rolling friction only occurs in the pitch point. From the pitch point to the start and end of the meshing, there is a superimposed sliding friction component that increases with increasing distance from the pitch point. Slip values occur in the range of 5-50% depending on tooth geometry. These friction conditions during tooth flank lubrication can be assessed using the Stribeck curve. The Stribeck curve represents the coefficient of friction as a function of the speed. A mini traction machine from PCS Instruments with a ball/plate measurement setup was used to determine the coefficient of friction behavior of gear oils. This allows the coefficient of friction of an oil to be assessed at low speeds in the range from boundary and mixed friction to elastohydrodynamic fluid friction at high speeds. The investigations show that the coefficient of friction behavior of a gear oil depends on the oil viscosity and above all on the chemical composition. The lower the coefficient of friction, the less energy is required to shear the lubricating film and the lower the power transmission through the fluid. The coefficient of friction is a property that is dominated by the type of base oil and the type of VI improver in the area of mixed and fluid friction, especially with additional sliding in contact. It will be shown in the paper that the use of a gear oil that has been optimized with regard to the coefficient of friction curve can reduce the entry impacts of meshing gear pairs under vibration excitation and the gear transmission thus generates lower noise emissions.