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Ausgewählte Ausgabe: 07-08-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Ein Vier-Stufen-Prozess zur simulativen Zuverlässigkeitsberechnung von Kurbelgehäusen

Kürzere Entwicklungszyklen sowie zunehmende Komplexität im Fahrzeug- und Motorenbau machen die Verwendung simulativer Methoden unumgänglich, um die hohen Zuverlässigkeitsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Entwicklungskosten für Hardware-Erprobungen zu senken [1, 2]. Im Bereich der Festigkeitsauslegung einzelner Komponenten kommt darüber hinaus der Leichtbau als weitere Anforderung zum Tragen. Zum einen wird gefordert, dass die Fahrzeuge und Motoren leichter werden müssen, zum anderen können die Zuverlässigkeitsanforderungen auf Bauteilebene nur durch eine ausreichende Dimensionierung gewährleistet werden [3]. Dieses Spannungsfeld gilt es mit intelligenten sowie kundenorientierten Auslegungsstrategien aufzulösen. Hierfür kommen überwiegend zuverlässigkeitsorientierte Simulationen zum Einsatz, die den bisherigen Auslegungsprozess um die Betrachtung des realen Feldverhaltens erweitern [4, 5].


Bild 1 Vier-Stufen-Prozess zur simulativen Zuverlässigkeitsberechnung von Kurbelgehäusen

Bild 1
Vier-Stufen-Prozess zur simulativen Zuverlässigkeitsberechnung von Kurbelgehäusen

Grundvoraussetzungen für solche Zuverlässigkeitsprozesse sind neben aussagekräftigen Daten über die Nutzung des Bauteils im Feld auch die Entwicklung effizienter Simulationsmethoden, die mit höchster Präzision die Lasten im Betrieb wiedergeben können. Zusätzlich muss eine tiefgreifende Kenntnis über das Verhalten des verwendeten Werkstoffs vorliegen, um die Beziehungen des Stress-Strength-Interferance [3] möglichst exakt bestimmen zu können.
Im Rahmen von Untersuchungen zu Auslegungsstrategien im Motorenbau, im speziellen beim Kurbelgehäuse, wurde zunächst ein simulativer Zuverlässigkeitsprozess aufgebaut, welcher die oben genannten Anforderungen erfüllt und die Erzeugung statistisch aussagekräftiger Daten zum Zuverlässigkeitsverhalten des Kurbelgehäuses bereits in frühen Phasen der Entwicklung erlaubt. Anhand solcher Daten können die bisherigen (überwiegend empirisch aufgebauten) Auslegungs- und Erprobungskonzepte hinterfragt und ggf. auf das sich geänderte Nutzungsverhalten der Kunden angepasst werden.
Der für das Kurbelgehäuse aufgebaute simulative Zuverlässigkeitsprozess [4] besteht aus vier einzelnen Schritten (Systemanalyse, Statistik, Simulation, Zuverlässigkeit) und ist vergleichbar mit dem Zuverlässigkeitsprozess nach Mutter [5], siehe Bild 1. Kern dieses Prozesses ist zum einen eine leistungsstarke Simulationsmethode, zum anderen die Bestimmung und präzise Berechnung der Bauteildegradation unter Berücksichtigung jeglicher Einflussfaktoren.
Um den Prozess in der Serienentwicklung des Kurbelgehäuses zu etablieren, wurde der bisherige Standardprozess für die Festigkeitsberechnung, welcher auf der Methode der Finiten-Elemente (FEM) beruht, um eine elastische Mehrkörpersimulation erweitert [4, 6]. Diese Erweiterung wurde hauptsächlich durch die steigende Komplexität der Motoren und Antriebsstränge, welche mit einer Zunahme dynamischer Lasten einhergeht, notwendig. Hier stößt die FEM sowohl zeitlich als auch aufgrund der Komplexität der Anforderungen an ihre Grenzen. Die elastische Mehrkörpersimulation hingegen ist deutlich zeiteffizienter und bietet somit die Chance das Kurbelgehäuse nicht mehr nur als „Standalone-Modell“ zu berücksichtigen, sondern es im Gesamtverband von Motor, Getriebe und Triebstrang zu betrachten [4]. Zusätzlich können mittels der Einführung dieser Methode neue integrative Ansätze, zum Beispiel im Zusammenspiel mit der Triebwerksberechnung realisiert werden [6].
Neben hoch präzisen Berechnungsmethoden zur Bestimmung der auftretenden Belastungen ist die Entwicklung ebenso präziser Methoden zur Gestaltfestigkeitsanalyse des Kurbelgehäuses unabdingbar. Hierbei werden die Grenzbelastungen des Bauteils bestimmt um diese später mit denen, im Betrieb auftretenden Belastungen vergleichen und bewerten zu können. Im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Maschinenelemente der Universität Stuttgart wurde ein Verfahren entwickelt, welches der Zunahme von Massen- und Querkräften im Kurbelgehäuse, zum Beispiel durch Kurbelwellen mit Unterausgleich, Rechnung trägt. Durch ein spezielles, winkelverstellbares Aufspannkonzept sowie eine optische Rissdetektion, sind dem Anwendungsbereich dieses Verfahrens kaum Grenzen gesetzt und verschiedenste Belastungszustände können entsprechend nachgestellt werden, um somit eine Vielzahl an Bereichen im Kurbelgehäuse hinsichtlich ihrer Gestaltfestigkeit prüfen zu können. Dies war mit den bisherigen Aufspannungs- und Prüfkonzepten nicht möglich.
Basierend auf den zwei vorgestellten Herangehensweisen zur Bestimmung der auftretenden Belastung (elastische Mehrkörpersimulation) sowie der ertragbaren Belastung (Gestaltfestigkeitsanalyse) lassen sich präziseste Aussagen über die Zuverlässigkeit des Kurbelgehäuses treffen. Eine Erweiterung lässt sich zusätzlich durch Berücksichtigung von Felddaten realisieren. Dadurch kann eine erweiterte und feldspezifische Zuverlässigkeitsanalyse stattfinden, die unter Berücksichtigung jeglicher Streuungseinflüsse sowie des Degradationsverhaltens des Kurbelgehäuses, Aussagen über den zeitlichen Verlauf seiner Zuverlässigkeitskennwerte erlaubt.
Mittels des simulative Zuverlässigkeitsprozess (Bild 1), welcher auf den aktuell leistungsfähigsten und präzisesten Methoden der Festigkeitsauslegung des Fahrzeug- und Motorenbaus basiert, können somit die hohen geforderten Qualitäts- und Zuverlässigkeitsziele tiefgreifend analysieren und realisiert werden.

***
Literatur
[1] Weller, R.: Digitale Systementwicklung moderner Pkw-Antriebe. In: MTZextra 21 (2016), Nr. 2, S. 58
[2] Eder, T.: Frontloading in der Antriebsstrangentwicklung. In: MTZ 76 (2015), Nr. 9, S. 82

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Autoren

M.Sc. Stefan Jetter

Daimler AG, 70546 Stuttgart
Tel.: 07 11/17-3 38 69
E-Mail: stefan.jetter@daimler.com
www.daimler.com

Dipl.-Ing. Frank-Oliver Müller

Daimler AG, 70546 Stuttgart
Tel.: 07 11/17-3 38 69
 www.daimler.com

Dr.-Ing. Ralph Weller

Daimler AG, 70546 Stuttgart
Tel.: 07 11/17-3 38 69
www.daimler.com

Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche

Universität Stuttgart
Institut für Maschinenelemente
Pfaffenwaldring 9
70569 Stuttgart
Tel.: 07 11/6 85-6 61 65
E-Mail: bernd.bertsche@ima.uni-stuttgart.de
www.ima.uni-stuttgart.de

Dipl.-Ing. (FH)  Peter Müller

Universität Stuttgart  
Institut für Maschinenelemente
Pfaffenwaldring 9, 70569 Stuttgart
Tel.: 0711/6 85-6 99 59
E-Mail: peter.mueller@ima.uni-stuttgart.de
www.uni-stuttgart.de

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