Software

Mehrfacharbeit ade (1)

Bei der Getriebeentwicklung kann sich der Konstrukteur vom CAD-System und spezieller Getriebeauslegungssoftware unterstützen lassen. Nachfolgend wird an ausgewählten Anwendungsszenarien gezeigt, wie sich Berechnungsmodelle, die mit bewährten Branchenlösungen erarbeitet wurden, assoziativ mit parametrischen CAD-Modellen verknüpfen lassen, so dass eine Mehrfacheingabe von Getriebestrukturen und gestaltbestimmenden Größen entfällt. Widersprüche zwischen Berechnungs- und CAD-Modellen werden vermieden. Hier zunächst Teil 1, Teil 2 folgt in der kommenden Ausgabe.
Am Beispiel eines Zahnrades und einer Welle ist hier eine Auswahl an Berechnungsparametern zu sehen, die für einen durchzuführenden Festigkeitsnachweis nötig sind. Diese sollten dann letztendlich auch als geometrische oder technische Parameter im CAD-Modell vorhanden sein. Ohne eine programmtechnische Verknüpfung sind jedoch noch Mehrfacheingaben von Daten erforderlich.

Ausgangspunkt der Getriebekonstruktion ist oftmals ein Lasten- beziehungsweise Pflichtenheft, in dem die Anforderungen wie etwa Eingangs- und Ausgangsdrehzahl, Lage der Antriebs- und Abtriebswelle oder die zu übertragende Leistung definiert sind. Nach der klassischen Vorgehensweise sind mit Hilfe dieser Vorgaben Getriebekomponenten zu bestimmen und Entwurfsberechnungen durchzuführen. Dazu zählen die Auswahl, Anordnung und Grobdimensionierung einzelner Maschinenelemente, die Bestimmung der Verzahnungsgeometrie und die Gestaltung von Lagerungssituationen oder die Aufteilung der Gesamtübersetzung auf einzelne Stufen. Auf dieser Basis und mit Hilfe des Erfahrungswissens des Konstrukteurs entsteht ein Grobentwurf, der schrittweise feingestaltet werden muss. Aufgrund funktionaler und/oder technologischer Randbedingungen sind bestimmte geometrische Größen vorgegeben und beeinflussen die Auswahl der Verzahnung. So könnte einerseits ein exakt einzuhaltendes Übersetzungsverhältnis dem Getriebe einen Achsabstand vorgeben, andererseits muss für einen zwingend einzuhaltenden Achsabstand die passende Zahnradgeometrie gefunden werden.

Anzeige

Obligatorisch ist ein anschließender Festigkeitsnachweis der kritischen Komponenten unter Berücksichtigung der Wechselwirkungen (Zahnkräfte sind Lasten der Welle) zu führen. Eine Festigkeitsberechnung kann wiederum eine Änderung der zuvor grob ermittelten Abmaße oder Annahmen nach sich ziehen. Darüber hinaus kann sich eine Variation von einzelnen Geometrieparametern auch auf die Bauweise und Topologie des Getriebes auswirken. So hat beispielsweise eine Änderung der Zähnezahl Einfluss auf die Ausprägung der Welle-Nabe-Verbindung, da ab einem Grenzteilkreis die Verbindung durch eine Ritzelwelle ersetzt werden muss. Eine Getriebekonstruktion ist daher als ein komplexer Vorgang mit wiederkehrenden Iterationsschleifen anzusehen.

Speziell bei der Zahnradberechnung werden oftmals die erprobten und zuverlässigen Berechnungsmethoden (DIN 3990, ISO 6336) gegenüber den numerischen Methoden bevorzugt. Die dazu auf dem Markt zur Verfügung stehenden Berechnungswerkzeuge für Maschinenelemente, wie sie in Zahnradgetrieben vorkommen, sind oftmals modular aufgebaut. Wechselwirkungen zwischen den Komponenten sind dem Programm meist per Hand oder in Form von Verknüpfungsmöglichkeiten einzuprägen. Es ist jedoch eine Tendenz zur ganzheitlichen Getriebeauslegung zu erkennen. Bei Programmen dieser Art kann die Struktur der Getriebe mit abgebildet werden. Auch die automatische Grobdimensionierung, Nachweisrechnung und Optimierung ist teilweise bereits möglich.

Die genannten branchenspezifischen Berechnungsprogramme bieten häufig die Möglichkeit, entsprechende Geometrien zu generieren und zu visualisieren. Die Weitergabe dieser Geometriedaten, die in der Regel über einfache neutrale Datenschnittstellen möglich ist, liefert jedoch keine brauchbaren CAD-Daten, da diese Datenmodelle weder Geometrieparameter noch featurebasierte Modellstrukturen beinhalten. Somit ist es auch nicht möglich, die wechselseitigen Beziehungen der Getriebekomponenten in den Datentransfer zu integrieren.
Aufgrund des hohen Aufwandes ist es aus wirtschaftlicher Sicht nicht zielführend, die Auslegungsprogramme zu vollwertigen CAD-Systemen auszubauen beziehungsweise jedes CAD-System um eigene Routinen zur Getriebeberechnung zu erweitern. Im Kontext mit aktuellen Entwicklungen ist jedoch ein Produktmodellansatz zu favorisieren, bei dem CAD-Datenmodelle eine zentrale Stellung einnehmen. In der nachfolgend vorgestellten Lösung erfolgt daher eine Einbindung von analytischen Berechnungswerkzeugen in eine entsprechende CAD-Applikation, wobei eine bidirektionale Verknüpfung von externen Berechnungsmodulen und CAD-Modellen angestrebt wird. Hieraus ergeben sich Anforderungen an die entsprechenden Softwarewerkzeuge, insbesondere im Bereich der Applikations- und Datenschnittstellen.

Korrespondierende Geometrie- und Berechnungsmodelle

Basis der gesamten Konstruktion sollte ein einheitliches Produktdatenmodell sein, das sich aus verschiedenen, logisch verknüpften Partialmodellen zusammensetzt. Moderne CAD-Systeme bieten die nötige Funktionalität, um Produktlogiken abzubilden und einfache Berechnungen in den Entwurfsprozess zu integrieren. So können unter anderem komplexere Parameterbeziehungen definiert, Tabellenkalkulationen eingebunden oder auch Verknüpfungen mit Mathematik-Software initiiert werden. Über Programmierschnittstellen lassen sich externe Berechnungsprogramme einbinden, um so bestimmte Geometrieparameter und/oder die Modellstruktur zu beeinflussen. Für komplexere Berechnungsprozesse wie die Getriebeberechnung sollten jedoch die bewährten Spezialsysteme genutzt werden. Dadurch lässt sich die bereits vorhandene stabile Wissensbasis integrieren und der Aufwand für die Umsetzung der Berechnungsroutinen entfällt.

Für die Verknüpfung von Gestaltungs- und Berechnungssystem sind auf der Basis geeigneter Modellklassifizierungen korrespondierende Geometrie- und Berechnungsmodelle aufzubauen. Auf der Seite des CAD-Systems ist daher der Einsatz von parametrischen, featurebasierten Ansätzen unabdingbar. Auch auf der Berechnungsseite ergeben sich an die Software Anforderungen hinsichtlich der internen Datenstrukturen und Programmierschnittstellen. Mindestvoraussetzung ist, dass die Berechnungssysteme das Speichern und Aufrufen von Eingabe-Datensätzen sowie das Speichern von strukturierten Ergebnisdateien ermöglichen. Hier bietet sich das XML-Format an, das von einigen Systemhäusern bereits genutzt wird.
Berechnungsparameter, die für einen durchzuführenden Festigkeitsnachweis nötig sind, sollten sich letztendlich auch als geometrische oder technische Parameter im CAD-Modell wiederfinden. Ohne eine programmtechnische Verknüpfung sind jedoch noch Mehrfacheingaben von Daten erforderlich. Mit Blick auf den Getriebeentwurf gilt es daher, zunächst die notwendigen Komponenten unter Beachtung der verfügbaren Berechnungsmodule zu klassifizieren, so dass im CAD-System für jede Komponentenklasse (Zahnrad, Welle, Ritzelwelle, Lager und andere) ein parametrisiertes Basismodell als Kopiervorlage bereitgestellt werden kann. Große Aufmerksamkeit sollte auch den Wertebereichen bestimmter Parameter zuteil werden. Durch die gewählte Modellparametrisierung ist dann sicherzustellen, dass die CAD-Modelle regenerierbar bleiben.

Die Klassifizierung der Getriebebaugruppen gestaltet sich schwieriger, da sich sehr unterschiedliche Modellstrukturen ergeben können. Klassischerweise differenziert man nach Lage der Wellen, Anzahl und Typ der einzelnen Stufen, Größenbereiche oder einer Kombination dieser Kriterien. Eine derartige Klassifizierung vereinfacht dann die Berücksichtigung der Komponentenwechselwirkungen und eignet sich als Basis für eine Anbindung ganzheitlicher Getriebeauslegungsroutinen. In jedem Fall empfiehlt es sich, signifikante Bezugselemente, wie Achsen, Ebenen und Koordinatensysteme als Einbaureferenzen zu definieren und mit entsprechenden Attributen zu versehen, so dass sie später parametrische Änderungen zulassen. Je nach Anwendungsfall kann die Übergabe der Strukturdaten entweder vom Berechnungsprogramm an das CAD-System oder aber auch in entgegengesetzter Richtung erfolgen.

Potenziale zur Optimierung der Auslegungsprozesse

Bei der Auslegung von Getrieben sind grundsätzlich zwei Szenarien denkbar: Entweder verwendet der Anwender im Entwurfsprozess zunächst die Berechnungssoftware und überträgt die festgelegten beziehungsweise ermittelten Geometriedaten an das CAD-System oder er nutzt gleich das CAD-System, um dann die notwendigen Berechnungen anzustoßen. Im traditionellen Entwicklungsprozess erfolgt die Verknüpfung der beiden Wissensdomänen (CAD und Berechnung) personalisiert. Zu klären ist daher, ob hier Automatisierungspotenziale vorhanden sind. Korrespondierende Geometriemodelle sind dafür eine notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung, da technische Zusammenhänge nur unvollständig repräsentiert werden. Bei der Entwicklung wissensbasierter Anwendungslösungen ist vorab zu untersuchen, welche Prozesse wiederkehrend ablaufen und welche Randbedingungen und Informationsflüsse dabei zu beachten sind.

Besonders aus Anwendersicht wäre es ideal, wenn Produktmodelldaten völlig unabhängig vom verwendeten Softwaresystem auch die wechselseitigen Zusammenhänge zwischen den Modellkomponenten und den damit verbundenen regelbasierten Modellaufbau beinhalten würden. Step-Entwicklungen zielen in diese Richtung. Doch bereits die derzeit unbefriedigende Integration von Parametrik und featurebasierten Modellstrukturen zeigt, dass noch erheblicher Entwicklungsbedarf besteht, wobei die Einbindung von XML hier sicher eine wesentliche Rolle spielen wird.
Durch den deutlich erkennbaren Ausbau der CAD-Systeme zu Produktentwicklungssystemen, die neben CAD beispielsweise auch Berechnungs- und Simulationstools als integrierte Lösungen bereitstellen, übernehmen die internen Datenmodelle dieser Systeme auch eine zentrale Rolle bei der Abbildung der Produktlogik. Dem sollte auch bei der Entwicklung wissensbasierter Anwendungslösungen im Bereich der Getriebeentwicklung Rechnung getragen werden. Es macht hier wenig Sinn, die technischen Zusammenhänge eines Getriebes im Berechnungssystem zu kapseln und das CAD-System lediglich zur Visualisierung der Geometriedaten zu nutzen. Damit werden Ausbaupotenziale verschenkt, da die Berechnungsrelevanz bei Änderungen im CAD-System nicht hinterlegt ist.

Eine automatisierte Verknüpfung zwischen dem CAD-Modell und den unter Umständen sehr unterschiedlichen externen Berechnungswerkzeugen gelingt nur, wenn alle einzubindenden Programme über ein API (Application Programming Interface) verfügen. Über entsprechende Programmmodule kann dadurch ebenfalls gesichert werden, dass auf ereignisbezogene Veränderungen in einem der beiden Datenmodelle reagiert werden kann und diese Änderungen im jeweils anderen Modell berücksichtigt werden. Neben der benutzerdefinierten Prozesskopplung über Datenschnittstellen und den korrespondierenden Systemansatz gibt es auch die Option integrierter Systeme, wie sie im Bereich der FEM, der Mehrkörpersimulation oder der CAM-Einbindung schon fast selbstverständlich ist. Auch diese Entwicklung ist für den Bereich der ganzheitlichen Getriebeentwicklung denkbar.

Nachfolgend wird die Integration über entsprechende Programmierschnittstellen (APIs) betrachtet, da bereits hier eine Modularisierung der Wissensdomäne ‚Getriebe‘ erforderlich ist, um den vielfältigen Anwendungsszenarien und einem featurebasierten Modellaufbau Rechnung zu tragen. Eine besondere Herausforderung stellt die problembezogene Kopplung der verschiedenen Wissensmodule dar.

Zur Veranschaulichung dient das eingangs erwähnte Beispiel der Zahnrad-Wellen-Verbindung. Geht man zunächst von einer Verbindung mittels Passfeder aus, ist die gesamte Verbindung nach Unterschreitung eines Grenzteilkreisdurchmessers des Zahnrades durch eine Ritzelwelle zu ersetzen. Diese Fallunterscheidung ist entweder vom Konstrukteur auszuwerten oder über eine entsprechende Logik im automatisierten System zu programmieren. Ferner genügt es nicht, dass sich der Modellaufbau im CAD-System ändert – zusätzlich müssen neue Berechnungsschritte gewählt und ausgeführt werden. Gelingt es, die Strukturmodelle in beiden Systemen einheitlich aufzubauen und auch Möglichkeiten zu deren Abgleich zu schaffen, ist die Abhängigkeit der Komponenten untereinander gesichert. Dabei ist es möglich, diese Abhängigkeiten in einer Beziehungsmatrix festzuhalten.

Sonder- oder Einzelkonstruktionen sind hier aufgrund der hohen Anzahl an Freiheitsgraden nur bedingt von Interesse. Um die Varianz möglichst weit einzuschränken, sollte versucht werden, eine Standardisierung der Produkte beziehungsweise der Komponenten zu erreichen. Dies trägt nicht nur zu einer Vereinfachung der Zusammenhänge im KBE-System bei, sondern reduziert zugleich den fertigungstechnischen Aufwand oder die Lagerhaltungskosten. Auch für den Fall, dass die vom System gefundene Lösung nicht mit der Vorstellung des Konstrukteurs übereinstimmt, müssen Möglichkeiten vorgesehen werden, die einen manuellen Eingriff zulassen, um weiteres Erfahrungswissen des Konstrukteurs zu integrieren.

Teil 2 dieses Beitrags folgt in der November/Dezember-Ausgabe des CAD-CAM-Reports.

Prof. Dr.-Ing. Peter Köhler, Dipl.-Ing. (FH) Christoph Kesselmans

Institut für Produkt Engineering, Universität Duisburg-Essen Tel. 0203/379-1820, http://www.uni-due.de/cae


Literatur:
/1/ Roloff/Matek: Maschinenelemente. 17. überarbeitete Aufl., Wiesbaden, Vieweg Verlag, 2005.

/2/ Lupa, N.: Einsatz wissensbasierter Features für die automatische Konfiguration von Produktkomponenten. Dissertation, Cuvillier Verlag, Göttingen 2009.

Anzeige

Das könnte Sie auch interessieren

Anzeige

Software

Mehrfacharbeit ade (2)

Bei der Getriebeentwicklung kann sich der Konstrukteur vom CAD-System und spezieller Getriebeauslegungssoftware unterstützen lassen. An ausgewählten Anwendungsszenarien wird gezeigt, wie sich Berechnungsmodelle, die mit bewährten Branchenlösungen...

mehr...

Simulation

FluiDyna stärkt Altair

Altair hat die in Deutschland ansässige FluiDyna GmbH, ein auf NVIDIA CUDA und GPU-basierende Strömungsmechanik und numerische Simulation spezialisiertes Unternehmen, übernommen.

mehr...
Anzeige

IT-Solutions

Vereinfachter Konstruktionsprozess

Das neue Engineeringtool von Item ist intuitiv zu bedienen und vereinfacht den Konstruktionsprozess im Maschinen- und Betriebsmittelbau. Die Software unterstützt Anwender dabei von der 3D-Konstruktion über den CAD-Entwurf, die Montageanleitung und...

mehr...

Autonomes Fahren

Neue Simulationslösung von Siemens

Siemens hat auf dem Siemens U.S. Innovation Day in Chicago eine wegweisende Lösung für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge angekündigt. Als Teil des Simcenter-Portfolios verringert die neue Lösung nicht nur den Bedarf an umfangreichen physikalischen...

mehr...

IT-Solutions

Entwicklertools für WMR und HoloLens

Mit der Freigabe des SPP Unitypackag rundet CAD Software Solutions das Spare Parts Place Toolkit ab. Somit steht das schlanke und hochperformante SPP Dateiformat auch Entwicklern für HoloLens und WMR-Apps (Windows Mixed Reality) offen.

mehr...

IT-Solutions

Topologieoptimierung trifft KI

Berechnung und Simulation in unmittelbarer Reichweite des Konstrukteurs, diesen Trend hin zu tief integrierten CAD-CAE-Prozessketten unterstützt Dassault Systèmes Solidworks und DPS Software bereits seit Jahren.

mehr...

Newsletter bestellen

Immer auf dem Laufenden mit dem SCOPE Newsletter

Aktuelle Unternehmensnachrichten, Produktnews und Innovationen kostenfrei in Ihrer Mailbox.

AGB und Datenschutz gelesen und bestätigt.
Zur Startseite