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48 sich zwischen der Kurbelwelle und den Pleueln Lagerschalen befinden, deren Toleranzen ebenfalls in die Gesamtanalyse einfließen. Beachtet werden müssen auch die Kurbelwellenlager, deren Toleranzverhalten die Position der Kurbelwelle im Motorblock bestimmt. > Monte-Carlo-Simulation Sind alle Kontaktbedingungen mit der Software erfasst, erfolgt die abschließende Gesamtbewertung aller Toleranzen, die sich zum gesuchten Abstand zwischen Kolben und Ventilen summieren. Allerdings handelt es sich dabei nicht einfach um das simple Zusammenzählen aller einzelnen Toleranzwerte, die auf hunderttausendstel Millimeter genau berechnet sind. „Wir führen vielmehr mit Hilfe so genannter Monte-Carlo-Simulationen eine statistische Betrachtung der Toleranzverteilung bei Tausenden von virtuellen Motoren durch; dies liefert realitätsnahe und belastbare Ergebnisse“, erläutert Watrin. Bei einer Monte-Carlo-Simulation an einem virtuellen Motor greift das Softwaretool per Zufallsauswahl für jede der Kontaktstellen einen möglichen Zahlenwert aus dem vom Konstrukteur zuge- Ventiltrieb: Auch beim Berechnen der optimalen Ein- und Auslässe in den Zylinderraum hat sich die Toleranzanalyse bewährt. So lässt sich mit ihr schon in der Konstruktionsphase eines Motors die notwendige Tiefe der zukünftigen Ventiltaschen festlegen. Kurbeltrieb: Für das perfekte Zusammenspiel zwischen Kolben, Pleuel und Kurbelwelle müssen zahlreiche Toleranzwerte definiert werden. Ob diese Spielräume zu weit oder zu eng fest– gelegt sind, zeigt die Toleranzanalyse. lassenen Toleranzspektrum heraus und registriert die jeweilige Abweichung vom geplanten Nennmaß. Dieses Software-Roulette spielt der Rechner für alle relevanten Kontaktstellen des virtuellen Motors durch und ermittelt so den für diesen Motor gültigen Minimalabstand zwischen den Kolben im oberen Totpunkt und den Ventilen. „Wiederholt man diese Berechnung an 1000 virtuellen Motoren, ergibt sich aus den 1000 Abstandswerten eine bestimmte Verteilungskurve. Diese kann eine so genannte Gauß’sche Normalverteilung ergeben, also eine typische Glockenkurve. Manchmal entstehen jedoch auch linksoder rechtsschiefe Kurven“, erklärt Christian Glöggler. Dieses Vorgehen entspricht der Realität – auch bei 1000 echten Motoren würde man beim genauen Nachmessen eine ähnliche Häufigkeitsverteilung der Messungen zwischen Kolben und Ventilen feststellen. Den Toleranzanalysten liefert die berechnete Verteilungskurve zahlreiche Hinweise. So können sie den Konstrukteuren genaue Angaben zur notwendigen Tiefe der Ventiltaschen machen, um sicherzustellen, dass die künftigen Motoren sämtlichen Alltagsanforderungen gewachsen sind. Zudem trägt ein Abgleich von Simulationskurven mit realen Messwerten dazu bei, kritische Punkte in der Konstruktion aufzuspüren und zu verbessern. Drittens zeigt das Softwaretool an, welche Toleranz welchen Einfluss auf die Qualität der Messung hat. Außer statistischen Kennwerten gibt das Tool die Toleranzen aus, die den jeweils größten Einfluss haben. > Zu enge Toleranzen sind teure Toleranzen Beim Festlegen von minimal und maximal zulässigen Abweichungen müssen Konstrukteure darauf achten, dass die Bauteile wirtschaftlich herzustellen sind. Je genauer ein reales Bauteil dem Nennmaß entsprechen soll, umso höher fallen die Herstellungskosten aufgrund zusätzlicher beziehungsweise genauerer Fertigungsschritte aus. Toleranzen, die zu eng gewählt sind, also sehr nah am Nennmaß liegen, sind teure Toleranzen. Werden sie andererseits zu weit gewählt, sinken zwar die Herstellungskosten, aber es kann passieren, dass sich dann zwei Bauteile nicht mehr montieren lassen. Fällt zum Beispiel der Durchmesser einer Welle wegen zu hoher Toleranzwerte zu groß aus, passt sie nicht mehr in die vor-
<strong>Daimler</strong>Chrysler Hightech Report 1/2007 > Antriebsstrang 49 Zusammenspiel der Zahnräder: Um ein Getriebe – hier der Innenteil eines Ausgleichsgetriebes – zu optimieren, betrachten die Forscher zunächst die so genannten Winkelabweichungen zwischen zwei Zahnrädern. Diese Erkenntnisse übetragen sie dann auf das ganze Getriebe, um dessen Spiel möglichst klein zu halten. gesehene Öffnung eines Lagers. „Einer der Leitsätze lautet daher: So genau wie nötig und so weit wie möglich“, umschreibt Stephan Watrin den Balanceakt der Toleranzplaner. Die Abteilung von Robert Winterstein beschäftigt sich in Ulm aber nicht nur mit dem Toleranzverhalten von Ventilantrieben. Die Forscher analysierten bei Verbrennungsmotoren auch schon das Kompressionsvolumen, weil dieses einen großen Einfluss auf die Verbrennung und damit den CO 2 -Ausstoß hat. Die Frage dabei lautete: Was verursacht die Streuung des Verdichtungsverhältnisses? Welchen Anteil daran haben die konstruktiv festgelegten Toleranzen und welchen Beitrag liefern die in der Montage auftretenden Abweichungen? „Je weniger das Verdichtungsverhältnis streut, umso genauer lässt sich die Verbrennung steuern und umso bessere Abgaswerte sind zu erreichen“, erläutert Glöggler. Abgase standen auch im Mittelpunkt eines Projekts für den Nutzfahrzeugbereich. Dabei untersuchten die Toleranzplaner, wie eine Anlage zur Abgasrückführung am besten mit einem Truck-Motor verschraubt wird. Ein anderer Forschungsschwerpunkt sind derzeit Zylinderköpfe. Dabei geht es um die Frage, welche Flächen bei der Fertigung des Zylinderkopfs besonders „anfällig“ für eventuelle Geometrieabweichungen sind. Dazu muss der gesamte Fertigungsprozess, in diesem Fall der so genannte Kokillenguss, unter die Lupe genommen werden. Einen wichtigen Aspekt bildet dabei die so genannte Sandform. Diese wird vor dem Gießen in die Kokille eingelegt, um die „Freiräume“ im Zylinderkopf (zum Beispiel für Wasserkanäle) zu erhalten. Sie besteht aus mehreren Einzelformen oder Sandkernen, die zu einem Paket ineinander gesteckt werden. „Aufgrund des Herstellungsprozesses unterliegen diese Sandkernpakete vergleichsweise großen Schwankungen, die sich auf die Geometrie der Abgüsse auswirken“, erläutert Ralf Voß, der das Thema in Glögglers Team bearbeitet. Zudem wirkt sich auch der Zusammenbau der Sandkerne zu einem Paket auf die Geometrieabweichungen aus. Beide Effekte untersuchen die Forscher und vergleichen sie mit realen Messwerten von Abgüssen. Ein weiterer Schwerpunkt des Toleranzmanagements liegt im Bereich Getriebe und Achsen. „Ein Ziel dabei ist es, das Getriebespiel möglichst klein zu halten“, berichtet Stephan Watrin. Welche Effekte das Zu- Eine Toleranzanalyse der Streuung des Verdichtungsverhältnisses kann sogar die Abgaswerte verbessern sammenspiel von Zahnrädern haben kann, ist auch für Laien nicht zu überhören. Das Klickgeräusch beim Einlegen des Rückwärtsgangs entsteht durch das unterschiedliche Ineinandergreifen der Zahnräder innerhalb des jeweils festgelegten Toleranzbereichs. > Optimierte Getriebe Auch hier haben die Forscher ein weites Betätigungsfeld vor sich, da es die unterschiedlichsten Paarungen gibt zwischen großen und kleinen, schräg- oder geradeverzahnten Stirn-, Kegel- und Tellerrädern. Im Rahmen von Toleranzanalysen, die vor allem für Nutzfahrzeuge durchgeführt werden, betrachten die Ingenieure zunächst die „Winkelabweichungen“ beim Zusammenspiel zweier Zahnräder. Diese Erkenntnisse werden dann auf komplette Getriebe übertragen. Neben dem konkreten Ziel, die Schaltvorgänge im Getriebe weiter zu optimieren, verfolgt Robert Wintersteins Abteilung auch eine Vision. „Diese“, erläutert Christian Glöggler, „liegt zwar in weiter Ferne, aber durch Toleranzmanagement die Geräuschentwicklung im Getriebe zu verringern, ist schon eine Verlockung.“>
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