Robustes Design versus Toleranzmanagement am Beispiel eines KFZ Schließsystems

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1 Robustes Design versus Toleranzmanagement am Beispiel eines KFZ Schließsystems Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage 6.0 Peter Gust // Christoph Schluer f Lehrstuhl Konstruktion (Engineering Design) // Bergische Universität Wuppertal 16. Oktober 2009 Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 1

2 Was erwartet Sie? 1. Motivation 1.11 Aufbau und Funktionsweise des KZF Schließsystems 1.2 Toleranzanalyseverfahren 1.3 Toleranzanalyse mittels Simulation 1.4 These 2. Toleranzanalysetool VisVSA (Methode 1) 2.1 Aufbau des Simulationsmodells 2.2 Ablauf der Simulation und Auswertung 3. ANSYS Workbench und optislang (Methode 2) Prozessdefinition iti 3.2 Bidirektionale Schnittstelle zum CAD (Catia V5) 3.3 Aufbau des Simulationsmodells 3.4 Auswertung der Ergebnisse 4. Zusammenfassung // Ausblick 5. Quellen Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 2

3 1. Motivation Anforderung aus einem OEM Lastenheft: Volle Funktionstüchtigkeit unter ungünstigen Toleranzbedingungen Beispiel: Mikroschalterbetätigung Fahrzeugfrontklappenschloss Quelle ww ww.kico.de µ-schalter, Quelle Quelle Foto IAA Schaltbereich muss eingehalten werden! de Quelle Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 3

4 1.1 Aufbau und Funktionsweise KFZ Schließsystem mit Mikroschalter Schließbolzen Latch Bolt geschlossene Frontklappe Mikroschalter Drehfalle Safety Catch Sperrklinke Ratch geöffnete Frontklappe Betätigung µ-schalter hängt von der Maßhaltigkeit der Einzelteile ab! Daraus ergibt sich die Maßkette der Einzelteile Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 4

5 1.1 Die Maßkette Name Schalter_Nocken_x Schalter_Nocken_y Toleranz mm mm X Schalter_Winkel +- 3 Gehäuse_Schalterbohrung_x mm Gehäuse_Schalterbohrung_y mm Gehäuse_Drehfalle_x mm Gehäuse_Drehfalle_y mm Drehfalle_Radius mm E-Modul +- 5% Kraft N Y Schließmaß Closing Gap Gehäu use Drehfalle x Sch halter Nocke en x Schalter Nocken y Gehäuse Drehfalle y Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 5

6 1.2 Toleranzanalyseverfahren Arithmetische Toleranzanalyse 1 : Die resultierende Schließtoleranz einer Maßkette berechnet sich aus den Einzeltoleranzen der Glieder der Maßkette. Es werden je nach Wirkungsrichtung die Maximal- oder die Minimalmaße eingesetzt. T a 1 T1 2T2 3T3... T T n Sind die Linearitätskoeeffizienten einer Maßkette ausschließlich n = ±1 liegt eine lineare bzw. eine eindimensionale Maßkette vor 2. Durch den Linearitätskoffezienten wird ein nicht linearer Einfluss auf eine lineare Wirklinie projiziert. n n i 1 i i Quelle ww ww.cherry.de e Durch die Auswertung der Maximal- und Minimalmaße ergibt sich eine Worst Case Betrachtung, die kritischer wird, je länger die Maßkette wird! Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 6

7 1.2 Toleranzanalyseverfahren Statistische Toleranzanalyse 1 : Die quadratische Schließtoleranz kann als minimaler statistischer Wert mit den folgenden Bedingungen bestimmt werden: T q T T T T T n n i die Einzeltoleranzen müssen unabhängig voneinander sein die Einzeltoleranzen sind normalverteilt die Mittelwerte der Normalverteilungen entsprechen dem jeweiligem Mittenmaß Einflüsse für die Toleranzrechnung - Maßtoleranzen n i 1 - Form- und Lagetoleranzen - Temperatur - Verformungen aufgrund statischer und dynamischer Lasten Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST i 2

8 1.3 Toleranzanalyse mittels Simulation Um verschiedene Verteilungsfunktionen und Einflüsse berücksichtigen zu können werden heute Simulationsprogramme für die Toleranzanalyse eingesetzt: VISVSA, Celtol, Simtol u.a. Durch Monte Carlo Simulationen werden mögliche Maßkombinationen gebildet und das Schließmaß berechnet. Dabei muss weiterhin der Konstrukteur die Maßkette als zentrales Element aufstellen. Die Verformung der Bauteile wird dabei nur als weitere Verteilungsfunktion berücksichtigt. These: Ist das robuste Design (Dynardo Philosophie) eine übergeordnete Methode, die die bisherigen Toleranzanalysen ersetzt? Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 8

9 1.4 These Statistische Toleranzanalyse Elastische TA Robustes Thermische R TA Design Dynamische TA Arithmetische Toleranzanalyse Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 9

10 2.1 Aufbau des Simulationsmodells Workflow für die Durchführung einer Toleranzanalyse mit VisVSA Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

11 2.2 Ablauf der Simulation und Auswertung Visualisierung der simulierten Bauteilpositionen Darstellung der Verteilung Prof. Dr.-Ing. Peter des Gust Schließmaßes bei n=500 Samples Schließmaß zwischen Drehfalle und Mikroschalter Liste der Beitragsleister bezüglich des Schließmaßes Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

12 3.1 Prozessdefinition von Methode 2 Kopplung von Catia V5 mit ANSYS Workbench und optislang Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

13 3.2 Bidirektionale Schnittstelle zum CAD (Catia V5) Vorteile und Möglichkeiten der bidirektionalen Catia V5 Schnittstelle Hohe Prozessintegration durch die direkte Nutzung von CAD Geometrieparametern t Automatisiertes Anpassen der CAD Baugruppe für jedes DOE Design Einfacher Aufbau des Simulationsmodells Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

14 3.3 Aufbau des Simulationsmodells Definition der Input Parameter Output Parameter Name Toleranz Schalter_Nocken_x mm Shl Schalter_Nocken_y mm Schalter_Winkel +- 3 Gehäuse_Schalterbohrung_x +- 01mm 0.1mm Gehäuse_Schalterbohrung_y mm Gehäuse_Drehfalle_x mm Gehäuse_Drehfalle_y mm Drehfalle_Radius mm E-Modul +- 5% Kraft N Name Spalt_DS Schließmaß * Die Streuung der Parameter wird als Normalverteilt angenommen Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

15 3.4 Sensitivitätsstudie in optislang Postprocessing nach DOE mit 120 Samples Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

16 4. Zusammenfassung // Ausblick These: Ist das robuste Design (Dynardo Philosophie) eine übergeordnete Methode, die die bisherigen Toleranzanalysen ersetzt? Der Aufwand zur Simulation der Maßtoleranzen ist mit der Methodik des robusten Designs unverhältmäßig größer als mit klassischen Toleranzanalysesoftwaresystemen (TAS). Die Berücksichtigung g z.b. von Elastizitäten in TAS ist nur ungenügend g möglich und bildet keine Wechselwirkungen ab. Empfehlung/Fazit: Integration der geometrischen TA in das robuste Design Konzept Vorteile des neuen Systems: - Geschwindigkeit der TAS - Potential ti von RD zur Einbindung nahezu beliebiger Simulationsmodelle Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

17 4. Bisherige Methoden Toleranz Analyse Simulation Maßtoleranzen* Schließmaß Formtoleranzen* Schwankungsbreite Lagetoleranzen* Beitragsleister Geometrie- modell physikalisches Modell Parametrisierte Geometrie* Physikalische Parameter* Robustes Design (Dynardo) Funktionsmaß Schwankungsbreite Beitragsleister Korrelationen Robust Design Optimierung Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 * statistische Parameter 17

18 4. Neue Methode: Erweiterung des robusten Designs Maßtoleranzen* Formtoleranzen* Lagetoleranzen* physikalisches Modell Parametrisierte Geometrie* Physikalische Parameter* Robustes Design (Dynardo) Funktionsmaß Schwankungsbreite Beitragsleister Korrelationen Robust Design Optimierung Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST 6.0 * statistische Parameter 18

19 5. Quellen 1. HABERHAUER/BODENSTEIN; Maschinenelemente 13. Auflage MANNEWITZ, F.; Komplexe Toleranzanalysen l einfach durchführen, Zeitschrift Konstruktion, Springer-VDI-Verlag GmbH & Co. KG, Düsseldorf, JORDAN, W.; Form- und Lagetoleranzen, 4. Auflage, Hanser Verlag München Wien, Lehrstuhl Konstruktion der BU Wuppertal // WOST

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