CAE Methoden und Strukturoptimierung in der Entwicklung von Bremssystemen

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1 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 157 CAE Methoden und Strukturoptimierung in der Entwicklung von Bremssystemen Joachim Noack TRW Automotive (LucasVarity GmbH), Koblenz 1 Einführung Kurzfassung Die Implementierung von CAE Tools im Entwicklungs- und Designprozess ist keine neue Idee und wurde in den letzten beiden Jahrzehnten oft vorgestellt, propagiert und mittlerweile auch gelebt. Bei TRW ist die Unterstützung der Entwicklung durch CAE Methoden, wie FEM und MKS, seit langem fest im Entwicklungsprozess verankert. Neu in den letzten Jahren ist jedoch zunehmend der Einsatz numerischer Optimierungsmethoden, wie die Gestalt- und Topologieoptimierung. Diese Methoden werden zwar sporadisch eingesetzt, jedoch weitestgehend nicht konsequent und durchgängig in einer kompletten Produktentwicklung integriert. Hier gilt immer noch der Bedarfsfall : erst dann, wenn ein konkretes Problem auftritt werden alternative Werkzeuge eingesetzt. Der wirtschaftliche Druck bei immer kürzeren Entwicklungszeiten die Kosten weiter zu reduzieren macht es mittlerweile zwingend notwendig Optimierungsmethoden in einem sehr frühen Entwicklungsstadium durchgängig einzusetzen. Innerhalb des Forschungsprojekts ELAnO wurde diese Idee komplett umgesetzt. Die in ELAnO von TRW entwickelte Radbremse wurde von Beginn an mit CAE Methoden begleitet und mit Hilfe von Optimierungsanalysen ständig verbessert. Erst ein vielfach optimiertes Design wurde als Prototyp dargestellt und in Prüfstands- und Fahrversuchen validiert. Nur das Zusammenspiel sämtlicher modernen Entwicklungsmethoden ermöglichte es in einem sehr kurzen Zeitraum ein optimales Produkt zu entwickeln, dass in den Punkten Perfomance, Komfort und Design den Marktansprüchen genügt. In dem BMBF Projekt ELAnO hat sich TRW Automotive mit der Entwicklung eines neuen Vorderachs-Radbremsenkonzeptes eingebracht, das unter Berücksichtigung heutiger Kundenanforderungen (geringerer Einbauraum, höhere Leistungsanforderungen, geräuschfreies Bremsen, Kosten- und Gewichtsreduktion) definiert werden musste. Dazu wurden speziell die beiden wichtigsten Baugruppen, Bremsträger und Bremsgehäuse, ebenso wir die komplett neue Bremsenkonzeptionierung herausgehoben. Im Bereich NVH für Radbremsen steckt durch dieses neue Konzept ein hohes Potential in der Entwicklung, wenn man die Möglichkeit hat Einfluss auf bekannte Schwachstellen bestehender Systeme zu nehmen. Leichtbaumaterialien wie Aluminium spielen eine ebenso bedeutende Rolle wie der Einsatz neuer und verbesserter CAE Technologien im Bereich der Strukturoptimierungen. Hier ist auf jeden Fall die Entwicklung von neuen Schnittstellen von TOSCA zu den Standard FE-Codes sowie die Verwendung von Fertigungsrestriktionen in der Topologieoptimierung zu nennen. Da Bremsenbauteile strikt betriebsfest ausgelegt werden ist die Frage der Lebensdauer ein Kernthema. Aus Methodensicht ist neben der Topologieoptimierung mit Fertigungsrestriktionen die Gestaltoptimierung auf Lebensdauergrößen ebenso ein sehr bedeutendes Betätigungsfeld. Bei dem in ELAnO entwickelten Bremssystems wurden konsequent alle notwendigen CAx Disziplinen in der Entwicklung eingesetzt. Von der Konzeptphase über die auskonstruierte Version bis zum ersten Prototyp wurden die Einzelbauteile und Subassamblies berechnet und optimiert.

2 158 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 2 Entwicklungszyklus einer Scheibenbremse Development Cycle FB1 Brake with CAE Methods Optimization Idea 1 st FEA Defined Design Concept Production? Proofed with FEA Standard Tests Vehicle Installation First Prototype Sample Noise Test and Stability Analysis Stereolithography Sample Der klassische Entwicklungs-Loop eines Produkts unter Zuhilfenahme von CAE Werkzeugen wie Finite Elemente Berechnungen und numerischer Optimierung ist schon oft von verschiedensten Firmen für die verschiedensten Produkten gezeigt und propagiert worden. In ELAnO hat TRW Automotive diesen Loop konsequent mit Leben gefüllt und von der Konzept- bis zur Prototypenphase mit Simulationen begleitet. Beginnend mit den ersten Konzepten wurden begleitende Berechnungen durchgeführt, um die Entwicklung von Beginn an zu unterstützen. Nach der detaillierten Festlegung des finalen Konzepts sind alle Bauteile per Topologieoptimierung den Zielvorgaben entsprechend verbessert worden. Erst ein komplett untersuchter Konzeptvorschlag wurde als detailliertes CAD-Modell ausgeführt. Dieses finale Modell wurde nochmals analysiert um etwaige konstruktionsbedingte Veränderungen festzustellen. Parallel wurde ein Mock-Up per Stereolithographie erstellt, um ein maßstäbliches Hardwareteil zu weiterführenden Untersuchungen zur Verfügung zu haben. Im folgenden wurden statische Berechnungen und Stabilitätsanalysen am Gesamtsystem durchgeführt, um das Konzept hinsichtlich der Komforteigenschaft Geräusch zu untersuchen und zu verbessern. Die mit den ersten Prototypen durchgeführten Standardtests zeigten sehr gute Funktionswerte, ebenso wie die ersten Fahrzeugtests. Letztendlich fehlt in diesem Zyklus lediglich der Schritt in die Serie. 3 Konzeptionierung und Optimierung Zu Beginn von ELAnO wurde in konsequenter Teamarbeit und Brainstorming-Sitzungen über verschiedenste Konzeptmöglichkeiten nachgedacht. Da bei Beginn des Projekts schon klar war, dass die mit dieser Bremse zu bedienenden Fahrzeuge eine hohe Bremsleistung benötigen, aber auch ein klares Gewichtsziel vorgegeben war, hat man sich für einen Kompositansatz für die Baugruppe Bremssattel entschieden. Für die so genannte Brücke wurde Sphäroguß als Material vorgesehen, für den Hydraulikkörper, dem Gehäuse, Aluminium. Die Ideen reichten über verschiedene Anzahl und Größen der Hydraulikkolben über verschiedene, teilweise exotische Ideen die Bauteile Brücke und Gehäuse zu montieren. In der Konzeptionsphase wurden die verschiedenen Ideen analysiert und prinzipiell bewertet. Erst die Erfolg versprechenden Varianten wurden dann bezüglich Steifigkeit optimiert.

3 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 159 FB1, Result of Topology Optimisation (Aluminium Body) material reduction 25% 4 material reduction 50% material reduction 75% Finales Design Erst das bis ins Detail optimierte System wurde durch ein finales CAD Modell abgebildet. Dieses letzte, auskonstruierte Modell wurde nochmals nachgerechnet, um sicherzustellen, dass bislang nicht beachtete (da teilweise nicht bekannt) konstruktive Randbedingungen und die Transferverluste (von der Optimierung zur CAD Geometrie) keine entscheidenden Veränderungen bewirkt haben. Zu den CAE Methoden gehört entfernt auch das Abbilden eines Mock-Up mittels Stereolithographie. Dies gibt den Entwicklern die Möglichkeit, schnell und kostengünstig ein Stück Hardware zu bekommen, mit dem beispielsweise Einbau- oder Montagestudien betrieben werden können. Weiterhin wird das Gefühl für die entstandene Geometrie geschärft, eventuelle Fehler oder Unstimmigkeiten können vor einer teuren Prototypenbestellung beseitigt werden. First Prototype Samples First Prototype Sample Stereolithography Sample Die neue FB1 Bremse lag nach ziemlich genau 2 Jahren Entwicklungszeit als Prototyp vor. Die erste Generation von Prototypen diente hauptsächlich zur ersten Begutachtung der Entwicklung und wurde mit einer definierten Anzahl von Versuchsreihen verifiziert und bewertet. Nach Abschluss der ersten

4 160 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen Versuchsreihe, die mit einem positiven Fazit endete, wurden die ersten Fahrzeugversuche durchgeführt 5 Zusammenfassung Die Neuentwicklung eines Bremssystems kann nach der 3jährigen Entwicklungszeit von ELAnO als erfolgreich angesehen werden. Die Entwicklungszeit für die erste Prototypengeneration betrug ziemlich exakt 2 Jahre, die erste Applikation wurde 7 Monate später beendet. Obwohl eine Entwicklung ohne konsequente Anwendung von CAx Methoden keine wesentliche Erhöhung der Entwicklungszeit zur Folge gehabt hätte (man geht von 30 Monaten, anstatt 24 Monaten aus) hatte die Vorgehensweise klar den Vorteil, die erste Entwicklung mit einer Punktlandung zu realisieren, die zu 80-90% der Zielvorgabe entsprach. Statt 3 bis 5 Prototypengeneration kam man mit einer einzigen aus, so dass die Hardware-Kosten natürlich dramatisch gegenüber konventionellen Vorgehensweisen gesunken sind. Finite Elemente Analysen und der konsequente Einsatz numerischer Optimierungswerkzeuge sind unabdinglich, wenn man mit einer, maximal zwei Zyklen auskommen will. Hier darf man allerdings nicht vergessen, dass für solche Aufgaben neue Kosten in Form von Software, Computer-Hardware und vor allem qualifiziert ausgebildetem Personal entstanden sind, dass aber diese Kosten sicherlich geringer als die Prototypenkosten einzustufen sind. Das bei TRW neu entstandene Produkt FB1 wurde mittlerweile den meisten europäischen Automobilkunden vorgestellt. In einer konkreten Angebotsphase ist man bei zwei deutschen Automobilkonzernen und es wird innerhalb der nächsten 5 Monate eine Entscheidung erwartet. 6 Literaturverzeichnis [1] [2] Kaster, T.: Auswirkungen der Gestaltoptimierung auf die Lebensdauer eines Bauteils, ANSYS- USERS-MEETING, Tagungsband, Arolsen, Oktober 1992 [3] Noack, J.: Finite Elemente Methode und Topologieoptimierung als Werkzeuge im Bremsenbau, Veranstaltung: CAD-FEM USER'S MEETING, Sonthofen (Allgäu), Okt [4] Tumbrink, H.J., Bock, H.-C., Noack J.: Vergleich zwischen Rechnung und Versuch am Beispiel eines Bremsengehäuses, Veranstaltung: DVM Arbeitskreis Betriebsfestigkeit 1999 Rechnung oder Versuch, Berlin, Clausthal-Zellerfeld, Oktober 1999 [5] Tumbrink, H.J.: Einfluss des globalen Einkaufs auf die Streuung der Wöhlerlinien und Lebensdauer von Al-Bauteilen, Veranstaltung: DVM-Tag 2000 Leichtbau im Fahrzeugbau, Berlin, Mai 2000 [6] Noack, J.: Finite Elemente Methode und Topologieoptimierung als Werkzeuge im Bremsenbau, Veranstaltung: DVM-Tag 2000 Leichtbau im Fahrzeugbau, Berlin, Mai 2000 [7] Tumbrink, H.J., Bock, H.-C., Noack J.: Vergleich zwischen Rechnung und Versuch am Beispiel eines Bremsengehäuses, Veranstaltung: 1. Deutschsprachige Anwender-Konferenz LMS, Mai 2000 [8] Tumbrink, H.J., H.-C. Bock, J. Noack: Comparison of Fatigue Testing and Fatigue Calculation for an AL Alloy Brake Calliper Housing, Ta-gungsband SAE Colloquium 2000, USA [9] Noack, J.: Finite Elemente Methode und Topologieoptimierung als Werkzeuge im Bremsenbau, Veranstaltung: CATIA FEM Users Meeting 2000, Baden-Baden, Oktober 2000 [10] J. Noack, B. Lauber: Topologie- und Gestaltoptimierung von Bremsen-komponenten mit TOSCA und ANSYS im Rahmen des BMBF-Projektes ELAnO, Veranstaltung: 19. CAD- FEM USER'S MEETING, Potsdam, Oktober 2001

5 Symposium Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung, November 2003, Bremen 161 [11] J. Noack, B. Lauber: ELAnO - Strukturoptimierung auf Spannungs- und Lebensdauergrößen mit ANSYS, Veranstaltung: 20. CAD-FEM USER'S MEETING, Friedrichshafen, Oktober 2002 [12] J. Noack: Topology Optimization with Casting and Machining Restrictions by the Example of Brake Parts, Veranstaltung: 21. CAD-FEM USER'S MEETING, Potsdam, November 2003

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