Ermittlung der Zuverlässigkeit einer PKW-Getriebewelle

Transkript

1 Ermittlung der Zuverlässigkeit einer PKW-Getriebewelle G.Wehr, D.Roos ZF Friedichshafen AG/ Dynardo GmbH Gliederung - Problembeschreibung - Robustheit - Zuverlässigkeit 1

2 RA einer PKW-Getriebewelle Problembeschreibung Gesamthaftes FE Modell PKW-Getriebe Ausgangspunkt: Komplettmodell für Integrale Getriebeberechnung (Gehäusefestigkeit) Teilmodell: Vorgelegewelle mit Berücksichtigung der Nachgiebigkeit der Lager und Gehäuse für Festigkeitsberechnung Ermittlung der Zuverlässigkeit einer PKW-Getriebewelle TB-1,

3 Problembeschreibung Teilmodell der Vorgelegewelle Überrollungskollektiv Wellenmutter variable Vorspannkraft Lasteinleitung Abtrieb zur Hinterachswelle Widerstandsseite - durch Geometrie und Material definiert, Beanspruchungsseite - durch Radkörperbelastung und Überrollungskollektiv charakterisiert. 3

4 Problembeschreibung Modellaufbereitung für Lebensdauerberechnung Bohrung_B6 Bohrung_B4 Detail_S Detail_X Detail_Z Bohrung_B1 Detail_L Detail_Y Detail_K Bohrung_B3 Detail_P mit B2 Detail_R Bohrung_B5 Details_T/U Detail_W 4

5 Selektion lebensdauerrelevanter Einflüsse Selektion lebensdauerrelevanter Einflüsse der Vorgelegewelle 5

6 Selektion lebensdauerrelevanter Parameter Rauhigkeit Fertigung aller Einstiche mit gleicher Vorschubgeschwindigkeit Mittelwert/ Streuung der Rauhtiefe ist für alle Kerben konstant Rauhtiefen der einzelnen Kerben korrelieren jedoch nicht Randeigenspannungen Ableitung des Mittelwertes der Randeigenspannungen für jede Kerbgeometrie nach Messungen an Referenzkerben Annahme: gleiche Streuungen für jede Kerbe Einstichgeometrie Streuungen entsprechend Zeichnungsangaben Ableitung der Verteilung nach Toleranzband und cp-wert Wellenmuttervorspannkraft Streuung entsprechend Versuchsergebnissen Animation des Morphings 6

7 RA einer PKW-Getriebewelle Robustheit Ermittlung der Robustheit / Systemempfindlichkeiten Æ Kopplung von FEA, LTP und Shape-Morphing erforderlich Ermittlung der Zuverlässigkeit einer PKW-Getriebewelle TB-1,

8 Robustheit Fragestellungen 1) Sind die gewählten Toleranzbänder bzgl. der Rauhtiefe, der Kerbgeometrie und den Eigenspannungen) im Hinblick auf die Lebensdauer hinreichend dimensioniert? (Bewertung Istzustand) 2) Können die geplanten Toleranzbänder der untersuchten Parameter vergrößert werden, ohne Einfluss auf Bauteilzuverlässigkeit zu nehmen? (Kostengünstigere Fertigung) 3) Welchen Einfluss hat die Wahl des Vorspannverfahrens der Wellenmutter auf Robustheit / Zuverlässigkeit? (Wahl des Vorspannverfahrens) 8

9 RA einer PKW-Getriebewelle [N/mm²] σres,2 res,2 [mm] R3 [-] Rz3 [N/mm²] σres,3 res,3 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s1 2s2 2s3 s4 2s5 2s6 s7 2s8 2s9 s10 s1/2 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 Ermittlung der Zuverlässigkeit einer PKW-Getriebewelle Randspannungen [-] Rz2 Rauhtiefe (Shiftfaktor) [mm] R2 Kerbradius Randsigma = +/-10kN spannungen [N/mm²] σres,1 res,1 sigma = +/-5kN [-] Rz1 Kerbradius [mm] R1 Randspannungen [kn] Fpre,m Rauhtiefe (Shiftfaktor) Rauhtiefe (Shiftfaktor) 1) Bewertung Istzustand 2) Günstigere Fertigung 3) Exakteres Anzugsverfahren Kerbradius Mittelwert Streuungen Wellenmuttervorspannkraft Robustheit TB-1,

10 Robustheit Anwendung des Latin Hypercubesamplings für Bestimmung von Korrelationen 10

11 Korrelationen / Sensitivitäten RA einer PKW-Getriebewelle Robustheit Vorspannkraft = dominanter, lebensdauerbestimmender Einflussfaktor bei Anwendung des exakteren Vorspannverfahrens wird der Einfluss geringer Kerbradius Rauhtiefe (Shiftfaktor) Einflussfaktoren der kritischen Kerbe haben einen untergeordneten Einfluss für den Istzustand und das grobe Toleranzband Kerbradius Rauhtiefe (Shiftfaktor) Kerbradius Rauhtiefe (Shiftfaktor) Exakteres Vorspannverfahren Wellenmuttervorspannkraft Randspannungen Randspannungen Randspannungen Istzustand (Enge Toleranz) Günstigere Fertigung (Grobes Toleranzband) Ansteigender Einfluss der kritischen Kerbe bei Präzisierung Zwei der drei Einstiche sind unbedeutend für die Ermittlung der Ausfallwahrscheinlichkeit des Vorspannverfahrens 11

12 Zuverlässigkeit Ableitung der rechnerischen Ausfallwahrscheinlichkeit Sigmalevel 4, 5, 6 / Rechenaufwand hoch 12

13 Zuverlässigkeit Reduktion der streuenden Einflussvariablen Kerbradius Rauhtiefe (Shiftfaktor) [kn] [mm] [ - ] [N/mm²] [mm] [ - ] [N/mm²] [mm] [ - ] [N/mm²] Mittelwert Fpre,m R1 Rz1 res,1 σ R2 Rz2 res,2 σ R3 Rz3 res,3 σ Streuungen 1) Bewertung Istzustand s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 2) Günstigere Fertigung s1 2s2 2s3 s4 2s5 2s6 s7 2s8 2s9 s10 3) Exakteres Anzugsverfahren s1/2 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 Kerbradius Rauhtiefe (Shiftfaktor) Kerbradius Rauhtiefe (Shiftfaktor) Wellenmuttervorspannkraft Randspannungen Randspannungen Randspannungen Reduktion der Eingangsparameter um die Kenngrößen der vernachlässigbaren Einstiche 13

14 Zuverlässigkeit Ermittlung der Zuverlässigkeit Anwendung von ARSM 14

15 Zuverlässigkeit Visualisierung der Strukturantwort KRITISCH! SCHÄDIGUNG Dominanter Einfluss der Wellenmuttervorspannkraft Einfluss Kerbradius Vorspannkraft Ergebnis der Einzelrechnung als Stützstelle der Antwortfläche Einfluss des Einstiches im Vergleich zur Wellenmuttervorspannkraft auf die Lebensdauer (Schadenssumme) 15

16 Zuverlässigkeit Rechnerische Ausfallwahrscheinlichkeiten der Varianten (Eingangsparameter verzerrt) 1) Istzustand P f = 2,3 E-4 (ARSM) (enges Toleranzband) (Kritisches Sicherheitsniveau) 2) Kostengünstigere Fertigung P f = 1,2 E-3 (ARSM) (grobes Toleranzband) (Unzureichendes Sicherheitsniveau) 3) Exakteres Vorspannverfahren P f = 1,4 E-7 (ARSM) (Verringerung der Ausfallwahrscheinlichkeit um 3 Potenzen) Die Wahl des Vorspannverfahren bietet Möglichkeit zur deutlichen Verminderung des Ausfallrisikos 16

17 Fazit Abgeleitete Erkenntnisse 1) Der Istzustand ist unter Voraussetzung der gewählten Eingangsparameter nicht hinreichend dimensioniert. Haupteinfluss bildet die Vorspannkraft der Wellenmutter. 2) Das exaktere Vorspannverfahren verringert wesentlich die Ausfallwahrscheinlichkeit. Damit verbliebe bei Anwendung Spielraum für kostenreduzierenden Maßnahmen. 3) Die geplanten Toleranzbänder können nur in Zusammenhang mit dem Einsatz eines exakteren Vorspannverfahrens aufgeweitet werden. 17

18 P f = 2,3 E-4 (ARSM), N = 75 Solver evaluations RA einer PKW-Getriebewelle Istzustand P f = 1,0 E-4 (Directional Sampling), N = 551 Solver evaluations Standardabweichung: 4.7 E-5 18