Entwicklung einer Telehandlerachse mit Einsatz von CAE-Methoden schon in der Konzeptphase

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1 133 Entwicklung einer Telehandlerachse mit Einsatz von CAE-Methoden schon in der Konzeptphase Bernd Harter ZF Friedrichshafen AG, Zentrale Forschung und Entwicklung, TB-1 Karl-Hermann Katzoreck ZF Friedrichshafen AG, Zentrale Forschung und Entwicklung, TB-1 1 Einleitung Kurzfassung Bei Neuentwicklungen läßt sich durch den frühen Einsatz der Topologieoptimierung zur Unterstützung der Konstruktion schon in der Konzeptphase, insbesondere bei Gußbauteilen, ein deutliches Verbesserungspotential realisieren. Am Beispiel einer Telehandlerachse wird der gesamte Entwicklungsprozeß mit integrierter Optimierung beschrieben. Ausgangspunkt ist die Bauraumerzeugung durch eine Kinematiksimulation. Mit Hilfe der Topologieoptimierung wird die optimale Materialverteilung im Bauraum gefunden. Nichtlinearitäten durch Kontakt werden bei der Optimierung berücksichtigt. Außerdem wird durch die Definition einer Auszugsrichtung die Interpretierbarkeit des Optimierungsergebnisses verbessert. Bei der Umsetzung in die endgültige Konstruktion sind neben dem Optimierungsergebnis auch die, bei der Optimierung bisher noch nicht überprüfbaren Anforderungen durch die Herstellung als Gußbauteil, wie z.b. Vermeidung von Wärmezentren und Ermöglichen einheitlicher Füll- und Fließgeschwindigkeiten, sowie weitere Randbedingungen zu berücksichtigen. Dies ist nur durch direkte Zusammenarbeit von Berechner, Konstrukteur und Gießexperten möglich. Bei der neukonstruierten Achsbrücke können dadurch gegenüber der Ausgangsversion 19kg (22%) Gewicht eingespart werden. Außerdem können an den kritischen Stellen die Spannungen um 10 % reduziert werden. Bei der Neukonstruktion einer Achse für einen Telehandler (Abbildung 1) sollte, um das Gewichtseinsparungspotential voll auszuschöpfen zu können, die Topologieoptimierung schon vor Beginn der Konstruktion zur Konzeptfindung eingesetzt werden. Um in die bestehende Fertigungsstruktur integriert werden zu können, sollte die Achse als Gußkonstruktion ausgeführt werden, somit waren bei der Umsetzung der Optimierungsergebnisse auch die sich daraus ergebenden Restriktionen zu beachten. Abbildung 1: Telehandler

2 134 Typisch für einen Telehandler ist Allradantrieb, wodurch auch bei der gelenkten Achse der Freigang für die Antriebselemente notwendig wird. Außerdem ist bei den in der ZF-Achsenbaureihe verwendeten Außenplanetenachsen das Reaktionsmoment aus der Untersetzung zu übertragen. Um eine gute Manövrierfähigkeit zu gewährleisten, sind große Lenkwinkel erforderlich. 2 Bauraumerzeugung Der Bauraum für die Topologieoptimierung wird durch die Lenkkinematik und damit durch die Anordnung der Lenkung an den Achsteilen, den geforderten maximalen Lenkeinschlag und die Dimensionierung der Lenkung bestimmt. Felge und Lenkstange (Abbildung 2, linke Seite) begrenzen den Bauraum der Achsbrücke bei maximalem Lenkeinschlag. Außerdem begrenzen sich Gelenkgehäuse und Achsfaust im Bauraum gegenseitig (Abbildung 2, rechte Seite). Eine weitere Einschränkung des Bauraums ergibt sich durch die Störkontur der umgebenden Bauteile (z.b. Rahmen) und den geforderten Freigang für die in der Achse verlaufende Gelenkwelle. Der zur Verfügung stehende Bauraum wurde im CAD-Modul generiert und direkt ins FEM-Modul übernommen. Abbildung 2: Bauraumbegrenzung durch Lenkkinematik 3 Bauraum und Randbedingungen für die Topologieoptimierung Da das FE-Modell der gesamten Achshälfte für die Optimierung zu groß gewesen wäre, mußte der Bauraum in einzelne Module aufgeteilt werden. Getrennt wurde am Flansch zum Mittelteil und an der Federauflage, wo durch Restriktionen die Geometrie schon vorgegeben war und am Kegelrollenlager zwischen Gelenkgehäuse und Achsfaust, wo nur Kräfte übertragen werden. Die einzelnen Module sind in Abbildung 3 dargestellt. Die fixen Bereiche (Non-Design-Space) sind rot dargestellt. Der Bauraum (Design-Space), in dem das Optimierungsprogramm die Materialverteilung verändern kann, ist orange dargestellt. Die Hauptbelastung für die Achse ergibt sich aus der Radaufstandskraft. Außerdem müssen noch die aus der Kurvenfahrt resultierenden Seitenführungskräfte, sowie die Zug- bzw. Bremskraft und das Reaktionsmoment aus der Untersetzung des Planetengetriebes übertragen werden. Die Krafteinleitung am Lager von Gelenkgehäuse und Achsfaust wurde über Kontaktelemente modelliert. Die äußeren Kräfte werden über ein Rigid (MPC) eingeleitet. Dadurch kann die Bestimmung der Kontaktkräfte im Lagersitz durch eine Vorabrechnung entfallen und die Umlagerung der Krafteinleitung durch die Steifigkeitsänderung verursacht durch die Änderung der Materialverteilung während der Optimierung ergibt sich automatisch.

3 Abbildung 3: Aufteilung des Bauraums in einzelne Module Optimierungsergebnis und Umsetzung Achsfaust Das Optimierungsergebnis für die Achsfaust mit Berücksichtigung des Kontakts ist in Abbildung 4 auf der linken Seite dargestellt. Der untere Lagersitz wird, da hier die Radaufstandskraft übertragen wird, deutlich massiver angebunden als der obere. Außerdem sind die beiden Lagersitze aufgrund der induzierten Axialkraft der Kegelrollenlager, die die Lagersitze gegeneinander drückt, durch eine massive Wand gekoppelt. Im unteren Lagersitz wirkt die Radialkraft nach außen, dadurch wird der Lagersitz über eine Umschlingung angebunden, am oberen Lagersitz wo die Radialkraft Richtung Fahrzeugmitte zeigt, über eine Strebe. Abbildung 4: Optimierungsergebnis Achsfaust Bei Vernachlässigung des Kontakts (Abbildung 4, rechte Seite) werden die Lagersitze nur über axiale Streben angebunden Die induzierten Axialkräfte sind hier nicht aufgebracht. Der Vergleich der beiden Lösungen zeigt, daß das Optimierungsergebnis sehr stark auf eine Änderung der Randbedingungen reagiert und daher hier keine zu großen Vereinfachungen gemacht werden dürfen.

4 136 Abbildung 5: Umsetzung Achsfaust Die konstruktive Umsetzung der Achsfaust ist in Abbildung 5 dargestellt. Links ist ein Schnitt durch das Optimierungsergebnis, rechts durch die ausgeführte Konstruktion dargestellt. Zur Unterstützung der Konstruktion wird das geglättete Optimierungsergebnis direkt ins CAD-Modul zurückübertragen. Die bei der Optimierung aufgetretenen Durchbrüche müssen, um die geforderte Öldichtheit zu gewährleisten, natürlich geschlossen werden. Abgesehen von der Lage der Rippe, die bei der ausgeführten Achsfaust zur Verbesserung des Materialflusses beim Gießen direkt an die integrierten Rails angebunden ist, lehnt sich die Umsetzung im Bereich der Achsfaust sehr stark an das Optimierungsergebnis an. 5 Optimierungsergebnis Gelenkgehäuse Das Optimierungsergebnis für das Gelenkgehäuse (Abbildung 6, linke Seite) entzieht sich durch seine Komplexität einer direkten Umsetzung durch den Konstrukteur bzw. könnte diesen ganz vor der Berücksichtigung der Optimierungsergebnisse abschrecken. Die Beanspruchungskombination aus Torsion und Biegung um die Fahrzeuglängsachse erklärt die sich ergebende Lösung aus massivem Kasten im Inneren und außenliegenden Streben. Abbildung 6: Optimierungsergebnis Gelenkgehäuse Bei zusätzlicher Berücksichtung einer Auszugsrichtung als Fertigungsrestriktion kann die Entstehung von Hinterschneidungen im Optimierungsergebnis verhindert werden. Damit ergibt sich ein für den Konstrukteur leichter umsetzbarer Designvorschlag, der sich aber natürlich weiter vom Optimum

5 137 entfernt. Für das grundsätzliche Verstehen des Problems ist es aber immer auch sinnvoll einen Optimierungslauf ohne Fertigungsrestriktionen durchzuführen. 6 Optimierung Gießprozeß Achsbrücke Die Anforderungen, die sich durch die Herstellung als einteiliges Sandgußbauteil aus GGG ergeben, werden durch ein optimiertes Angußsystem berücksichtigt. In Abbildung 7 ist das verwendete Angußsystem der Achsbrücke vom Flansch aus über drei Speiser dargestellt. Die Speisung des Bauteils über die gesamte Länge erfolgt über integrierte Rails. Dadurch wird das Füllverhalten des gesamten Bauteils wesentlich verbessert. Dieses Konzept unterstützt insbesondere die Formfüllung im Bereich der Achsfaust. So können die dort aus Gewichtsgründen gewünschten, und aufgrund der Belastung dort auch möglichen, kleinen Wandstärken realisiert werden. Die Rails sind in die hochbeanspruchten Bereiche des Bauteils gelegt und sind integraler Bestandteil der Tragstruktur. Diese Funktionsintegration reduziert weiter das Bauteilgewicht. Außerdem sind die aus funktionalen Gründen notwendigen massiven Bereiche wie die Federauflage direkt in die Rails integriert bzw. wie die Lenkanschläge direkt an die Rails angebunden. 7 Auskonstruierte Achse Abbildung 7: Optimiertes Angußsystem Die fertige Achsbrücke mit Gelenkgehäuse ist in Abbildung 8 dargestellt. Die Streben aus dem Optimierungsergebnis des Gelenkgehäuses werden bei der konstruktiven Umsetzung durch einen umlaufenden Versteifungskragen berücksichtigt. An der Achsbrücke treten im Übergang zum Flansch aufgrund des dort maximalen Biegemoments die höchsten Spannungen auf. In diesem Bereich konnte durch die Anwendung von spannungsoptimal ausgelegten Freiformflächen die Maximalspannungen um 10% reduziert werden. Durch weich gestaltete Übergänge werden Steifigkeitssprünge und damit auch Spannungsspitzen vermieden. Bei der Achsbrücke konnte gegenüber der Ausgangskonstruktion mit 85kg Gewicht eine Gewichtseinsparung von 19kg entsprechend 22% erzielt werden. Bei zwei Achsbrücken pro Achse ergibt sich damit eine Gewichtseinsparung von 38kg. Durch die zusätzlichen Hohlräume im Bereich der Achsfaust wurde der Ölhaushalt verbessert. Am Flansch konnten die Spannungen um 10% reduziert werden. Das Gelenkgehäuse muß kinematisch kompatibel zur neuen, verbreiterten Achsfaust sein. Da die Achsbrücke das größere Potential bot, wurden die Optimierungsmöglichen dort umgesetzt. Dadurch war beim Gelenkgehäuse keine Gewichtsreduktion möglich, aber die Spannungen konnten auch hier um 10% reduziert werden.

6 138 8 Fazit Abbildung 8: Auskonstruierte Achse Durch den Einsatz der Topologieoptimierung, die Anwendung eines neuen Gießkonzepts sowie von weiteren optimieren Lösungen wie z.b. der Integration der Federauflage in die Tragstruktur, konnte eine Gewichtseinsparung von 38kg pro Achse realisiert werden. Dabei konnten alle vorgegebenen Restriktionen berücksichtigt werden. An den kritischen Stellen konnte die Spannung um 10% reduziert werden. Um die gesetzten Ziele zu erreichen, war bei der Umsetzung der Konstruktion die konsequente Zusammenarbeit von Berechner, Konstrukteur und Gießexperten notwendig. Es ist gelungen, die Topologieoptimierung durchgängig in den bestehenden Entwicklungsprozeß zu integrieren und die Konstruktion schon in der Konzeptphase zu unterstützen. Der Bauraum konnte direkt aus dem CAD- ins FEM-Modul übertragen werden. Ebenso konnten die Optimierungsergebnisse nach Glättung direkt im CAD-System visualisiert und damit im weiteren Entwicklungsprozeß genutzt werden. Für die Umsetzung der Optimierungsergebnisse bei der Erstellung der endgültigen Konstruktion ist die Akzeptanz durch den Konstrukteur notwendig. Diese kann durch Berücksichtigung von Fertigungsrestriktionen bei der Optimierung und den daraus resultierenden leichter interpretierbaren Optimierungsergebnissen gesteigert werden.