KEM Konstruktion 09.2017

Bild: ARRK Engineering
Bild: ARRK Engineering
Da insbesondere die Steifigkeiten erheblichen Einfluss auf Lebensdauer
und Akustik des Getriebes haben, lag hier der Fokus der Überlegungen
bezüglich der Geometrie
Für das Design des Bauraums wurden über eine Topologieoptimierung –
unter Berücksichtigung von Zug- und Druckbereichen – die Lastpfade
im Gehäuse ermittelt
Bild: ARRK Engineering
Bild: ARRK Engineering
Akustik des Getriebes haben, lag hier der Fokus der Überlegungen
bezüglich der Geometrie. Die Entwicklung wurde mit intensiver
Nutzung von Simualtionsmethoden vorangetrieben. Alle Lösungswege
wurden auf diese Weise überprüft und Lösungskonzepte
virtuell auf ihre Funktionalität und ihr Potenzial hin untersucht.
„Aufgrund der kurzen Zykluszeiten und damit verbundenen hohen
Stückzahlen entschieden wir uns für einen thermoplastischen Werkstoff,
der mit kurzfaserverstärktem Kunststoff umspritzt werden
sollte“, beschreibt Kreutzmann den grundsätzlichen Ansatz. Die unterschiedlichen
Szenarien sowie ihre Machbarkeit wurden jeweils in
Press- bzw. Spritzgusssimulationen bewertet und optimiert. „In die
Entwicklung flossen außerdem unsere Erfahrungen im Umgang mit
Thermoplasten bzw. deren Kombination mit anderen Materialien
„In die Entwicklung flossen
unsere Erfahrungen im
Umgang mit Thermoplasten
bzw. deren Kombination mit
anderen Materialien ein.
Auch die Kenntnis der relevanten
Versagensmodelle
sowie das Know-how zum
Einsatz von Spritzgussverfahren
waren hilfreich.“
Monika Kreutzmann, Leiterin des
Center of Competence (CoC) Composites
bei ARRK Engineering
Um die geforderten Steifigkeiten zu erreichen, wurde das Modell
durch gekreuzte UD-Tapes verstärkt. Daneben tragen auch Spritzgusselemente
im Rippen-Flansch-Bereich zur Optimierung bei
ein. Auch die Kenntnis der relevanten Versagensmodelle sowie das
Know-how zum Einsatz von Spritzgussverfahren waren hilfreich“, so
Kreutzmann. Anders sah es hingegen beim Umformen des Organoblechs
aus. Hier war kaum Vorwissen zu den Zykluszeiten oder den
Temperaturen vorhanden. Schwierigkeiten für die Umsetzung er -
gaben sich zudem aus der eingeschränkten Verfügbarkeit des
gewünschten Gewebes sowie des Matrixwerkstoffs. Hier musste
zunächst ein Hersteller gefunden werden, der in der Verwendung
von Karbonfaserverbundstoffen ebenfalls die Zukunft der Automobilindustrie
sieht – was jedoch schließlich gelang.
Topologieoptimierung: UD-Tapes sorgen für
lokale Verstärkung
Für das Design des Bauraums wurden zunächst über eine Topologieoptimierung
– unter Berücksichtigung von Zug- und Druckbereichen
– die Kraftverläufe im Gehäuse ermittelt. Der daraus abgeleitete
Entwurf diente als erster Anhaltspunkt dafür, wo das Material platziert
bzw. wie die Lagen des Organoblechs optimiert werden müssen,
um die erforderliche Steifigkeit zu erreichen. Weiterhin wurden
in umfangreichen Simulationen die möglicherweise unter Last auftretenden
Verformungen untersucht. Dabei erwies sich die Torsion
des Gehäuses als dimensionierende Größe, der mit 45°-Lagen begegnet
wurde. Zudem galt es lokale Schwachstellen zu identifizieren,
um diese gezielt zu minimieren bzw. die auftretenden Dehnungen
zu reduzieren. „Neben der FEM-Optimierung wurde daher manuell
nach Möglichkeiten einer punktuellen Verstärkung gesucht, die
mit möglichst wenig zusätzlichem Gewicht einhergeht“, schildert
Raik Rademacher, Teilprojekleiter Engineering, die Vorgehensweise
der Entwickler. Gekreuzte unidirektionale (UD)-Tapes zeigten dabei
einen besonders positiven Einfluss. Die Dicke der eigentlichen
Organobleche konnte daraufhin von 5 auf 4 mm reduziert werden,
was nicht nur Gewicht spart, sondern auch den Umformprozess des
Organoblechs in der Presse begünstigt.
K|E|M Konstruktion 09 2017 107