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Ausgewählte Ausgabe: 07-08-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Realitätsnahe Komponententests zur Unterstützung der Produktentwicklung bei der Validierung von Power-Tools

Realistic Component Tests to Support the Product Development in the Validation of Power Tools


Inhalt: Die Dynamik des Antriebsstrangs eines Power-Tools auf die unterschiedlichen Anwendungsfälle abzustimmen ist schwierig. Beispielsweise wird die Dynamik über die Eigenschaften der Lagersitze, wie Elastizität und Dämpfung, stark beeinflusst. Der Lösung dieser Herausforderung widmet sich dieser Beitrag, der eine Methode beschreibt, wie exemplarisch am Winkelschleifer die Antriebsstrang-dynamik für die unterschiedlichen Anwendungsfälle optimal bestimmt werden kann. Dies ist früh im Entwicklungsprozess möglich, noch bevor das zu entwickelnde Gerät prototypisch komplett vorliegt. Gleichzeitig wird mit diesem Ansatz das Frontloading im Entwicklungsprozess unterstützt, da hiermit früher Erkenntnisgewinn provoziert werden kann. Parallel zur Methode entsteht die Prüftechnik, mit der die Erkenntnisse erzeugt werden können. Das Vorgehen wurde so entwickelt, dass es auf andere Power-Tools und deren Fragestellungen übertragbar ist.
Abstract: It is a challenge to adjust the dynamic behaviour of the drive train of a power tool to the different applications. For example, the dynamics are strongly influenced by the properties of the bearing seats, such as elasticity and damping properties. The solution to this challenge is addressed by this article, which describes a method by which the drive train dynamics can be optimally determined for the different applications. This is already possible in the early stages in the development process even before the device to be developed is prototypically available. The method is shown at the case of the angle grinder dynamics. At the same time, this approach supports frontloading in the development process, since earlier knowledge gains can be provoked. Parallel to the method, the test technology is created, with which the results can be extracted. The method has been developed in such a way that it can be transferred to other power tools.

1 Einleitung

Bei der entwicklungsbegleitenden Validierung, die unter anderem zur Systemabstimmung und Auslegung der Komponenten während des Produktentwicklungsprozesses genutzt wird, ist der frühe Erkenntnisgewinn zur Verkürzung der Entwicklungszeit entscheidend. Dabei ermöglichen die Verifikations- und Validierungsaktivitäten Entscheidungen, indem sie die Entscheidungsgrundlage in den Entwicklungsaktivitäten bilden [1]. Die entwicklungsbegleitenden Validierungsaktivitäten führen zu neuen Erkenntnissen, die wiederum als Entscheidungsgrundlage genutzt und zu einer neuen Entwicklungsiteration führen können. Dabei ist besonders der Zeitpunkt in der Produktentwicklung, in denen eine Entwicklungsiteration durchlaufen beziehungsweise ein Prototyp getestet wird, ausschlaggebend [2]. Für die Validierung dieser Produktiterationen sind sowohl reproduzierbare Randbedingungen, als auch realitätsnahe Versuchsbedingungen erforderlich [3]. Dies gilt auch für Iterationen, die früh in der Entwicklung stattfinden. So ist es beispielsweise bei der Entwicklung von Winkelschleifern wünschenswert, dass das Verhalten und die Belastung der Bauteile beim Schweißnahtschruppen auf der Baustelle (Bild 1) untersucht werden kann, auch wenn der Winkelschleifer noch nicht fertig entwickelt ist.

Bild 1  Schweißnahtnachbearbeitung mit einem Winkelschleifer

Bild 1
Schweißnahtnachbearbeitung mit einem Winkelschleifer

Gerade in diesen frühen Phasen der Produkt- entwicklung ist jedoch oft noch kein vollständiges Power-Tool verfügbar, um Komponentenfunktionen zu testen.
Mit Prüfständen, die bereits in den frühen Entwicklungsphasen, in denen das zu entwickelnde Power-Tool prototypisch noch nicht komplett vorliegt, Komponenten und Teilsysteme untersuchen und qualifizieren können, lässt sich das Frontloading intensivieren. Ein Ansatz hierfür ist der XiL-Ansatz, der von Albers und Düser in [4] und [5] maßgeblich vorangetrieben wurde und nach [6] im Fahrzeugentwicklungs-prozess zur Unterstützung des Frontloadings eingesetzt wird. Um die Belastung auf die Bauteile realitätsnah zu gestalten ist es dabei notwendig, die Einbindung des untersuchten Teilsystems in das Gesamtsystem zu berücksichtigen. Hierzu werden realitätsnahe Belastungsfälle benötigt, damit das Verhalten der Komponenten im Gesamtsystem untersucht werden kann.
Die Prüfung von Winkelschleifern erfolgt im Stand der Technik, neben den klassischen handgeführten Versuchen, durch Bremsenprüfstände. Handgeführte Versuche finden zum Ende der Entwicklung statt und sind meist die relevanten Tests für die Marktfreigabe. Dies liegt unter anderem daran, dass realitätsnah getestet wird, denn der Anwender stellt durch seine direkte Beteiligung am Leistungsfluss ein zentrales Element dar [7]. Neben der Wechselwirkung zwischen Anwender und Winkelschleifer ist der Kontakt von Werkzeug und Werkstück für die Prüfung von Bedeutung. Geeignete Messtechnik und Analysetechnik existieren, wie beispielsweise in [8] und [9] dargestellt, zeigen jedoch eine große Streuung der Belastungen in diesem Kontakt. Wegen der großen Unsicherheit in den Randbedingungen, hervorgerufen beispielsweise durch die Streuung von Anwender und Handhabung des Geräts, sind die Versuchsergebnisse oftmals schwer interpretierbar. Bremsenprüfstände hingegen prägen ein reproduzierbares Belastungsmoment an der Werkzeugaufnahme des Winkelschleifers auf. Das Lastprofil kann dabei aus unterschiedlichen Belastungsszenarien zusammengesetzt werden. Mit diesen Tests lassen sich sehr gut unter konditionierten Randbedingungen thermische Schädigungen sowie Verschleißerscheinungen durch das aufgebrachte Drehmoment untersuchen. Der Einfluss von Axial- und Radialkräfte, die während dem Betrieb auf den Winkelschleifer wirken, ist in dieser Art von Prüfstand jedoch nicht abgebildet.
Sowohl handgeführte Versuche, als auch Bremsenprüfstandtests sind erst ab einem Entwicklungsstadium möglich, bei dem ein vollständiges Gerät zumindest als Prototyp vorliegt. Bei dem in [3] vorgestellten Beispiel- entwicklungsprozess für eine Serienentwicklung wäre dies nach mehr als 35 % der Zeit von Projektbeginn bis zur Markteinführung. Um diese Zeit zu verkürzen und damit Frontloading zu betreiben, kommen Komponentenprüfstände oder virtuelle Simulationen zum Einsatz. Komponentenprüfstände werden im Stand der Forschung unter anderem im Bereich der Motor- entwicklung eingesetzt, um die Motorkenndaten zu ermitteln und Motorparameter zu optimieren. Bei diesen Tests werden in der Regel einzelne Parameter isoliert untersucht und die Wechselwirkungen mit anderen Teilsystemen nicht berücksichtigt. Virtuelle Simulationen helfen ebenfalls bei der Optimierung von Bauteilen in frühen Entwicklungsphasen, sind jedoch nur so gut wie die dahinterliegenden Simulationsmodelle.
Für die Intensivierung des Frontloadings in der Power-Tool-Entwicklung besteht daher Bedarf an Prüftechnik, mit deren Hilfe Komponenten hinsichtlich deren Dynamikverhalten im Gesamtsystem untersucht werden können, noch bevor das erste Gerät verfügbar ist.

2 Versuchsaufbau und Methoden

Bild 2 Methode zur Generierung von Erkenntnissen zur Ableitung von Konstruktionszielgrößen mit Hilfe des Teilsystemprüfstands nach [12]

Bild 2
Methode zur Generierung von Erkenntnissen zur Ableitung von Konstruktionszielgrößen mit Hilfe des Teilsystemprüfstands nach [12]

Die im Folgenden eingesetzte Vorgehensweise ist in Bild 2 dargestellt, die Teile aus [10], [11] und [12] aufgreift.

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Autoren

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sven Matthiesen

Lehrstuhl für Maschinen elemente und Gerätekonstruktion Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe
Tel.: 07 21/6 08-4 71 56
E-Mail: sven.matthiesen@kit.edu
www.ipek.kit.edu

M.Sc. Thomas Gwosch

wissensch. Mitarbeiter am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
IPEK – Institut für Produktentwicklung
Lehrstuhl für Maschinenelemente und Gerätekonstruktion
Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe  
www.ipek.kit.edu

Dipl.-Ing. Sebastian Mangold

Oberingenieur am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
IPEK – Institut für Produktentwicklung
Lehrstuhl für Maschinenelemente und Gerätekonstruktion
Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe  
www.ipek.kit.edu

Dr.-Ing. Peter Dültgen

Leiter FGW Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e. V
Papenberger Str. 49, 42859 Remscheid
E-Mail: info@fgw.de, www.fgw.de

Dr. Christian Pelshenke

Institutsleiter am Institut für Werkzeugforschung, FGW Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e. V
Papenberger Str. 49, 42859 Remscheid
E-Mail: info@fgw.de, www.fgw.de

Dr.-Ing. Hans-Jürgen Gittel

wissensch. Mitarbeiter am  FGW Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e. V
Papenberger Str. 49, 42859 Remscheid
E-Mail: info@fgw.de, www.fgw.de

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