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 erarbeitet wurden, assoziativ mit parametrischen CAD-Modellen verknüpfen lassen, so dass eine Mehrfacheingabe von Getriebestrukturen und gestaltbestimmenden Größen entfällt und Widersprüche zwischen Berechnungs- und CAD-Modellen vermieden werden können. Hier folgt nun der zweite und abschließende Teil mit dem Anwendungsbeispiel Walzwerkgetriebe.

Die hier betrachten Walzwerkgetriebe lassen sich grob in reine Stirnrad- und reine Kegelradgetriebe sowie Kombinationen aus beiden unterteilen, wobei die Gesamtübersetzung auf bis zu drei Stufen aufgeteilt wird. Es handelt sich um Komponenten aus dem Schwermaschinenbau, die Übersetzungen sowohl ins Schnelle als auch ins Langsame realisieren müssen. Charakteristische Größe der Getriebe ist der Abstand sowie die Lage der zwei Abtriebswellen zueinander. Der Achsabstand der beiden Abtriebswellen wird zwangsläufig vom Abstand des eigentlichen Walzenpaares festgelegt. Aus technologischer Sicht bietet es sich an, die Antriebswelle mit einer der Abtriebswellen zusammenfallen zu lassen. Für den so vorgebenden Achsabstand gilt es, eine geeignete Zahnradkombination zu bestimmen. Bei mehrstufigen Getrieben muss zudem die Aufteilung der Gesamtübersetzung auf die einzelnen Stufen berücksichtigt werden. Der Konfigurationsprozess ist daher durch zusätzliche Module zu unterstützen. Dabei stellt sich dem Entwickler der KBE-Applikation die Frage, wie und wo welche Logik und welches Wissen in geeigneter Weise abgelegt werden können.

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Für das gewählte Anwendungsbeispiel wurde mit Visual Basic .Net eine Applikation entwickelt, die über die Programmierschnittstelle unmittelbar mit dem CAD-System verknüpft wird. Dadurch werden der Datentransfer zwischen den beteiligten Softwaresystemen und Benutzerinteraktionen abgesichert. Die Kommunikation mit den Tabellen zur Grobauswahl der Zahngeometrie erfolgt direkt über die API der Tabellenkalkulation. Auf dieser Basis werden dann Eingabedateien für die Berechnungsmodule erzeugt. Nach erfolgreichem Festigkeitsnachweis enthalten diese Dateien aktuelle, geometrierelevante Größen, die ausgelesen werden können. Die so gesammelten Parameter werden verarbeitet und dienen zur Steuerung und Auswahl der Komponenten sowie deren geometrischer Ausprägung. Der Aufbau einer neuen Getriebevariante erfolgt dann vollautomatisiert, wobei etwa Familientabellen editiert oder Einzelteile umdefiniert und in Baugruppen platziert werden. Bild 1 zeigt schematisch die Organisation der verschiedenen Aufgaben. Die Anbindung an eine Datenbank beziehungsweise ein PDM-System hilft dem Benutzer, bereits gebaute Getriebe mit gleicher Übersetzung oder gleichen Leistungsdaten zu finden – und verhindert auf diese Weise das unnötige Erstellen von Duplikaten.
In einigen Fällen ist die Einbindung zusätzlicher Logikmodule erforderlich. Im gewählten Getriebebeispiel wurden spezielle Anforderungen an die Aufteilung der Gesamtübersetzung untersucht. Um die passenden Zahnradparameter für einen vorgegebenen Achsabstand abzuleiten, lassen sich in einer Tabelle Zähnezahlen gegenüberstellen. Abhängig vom Modul können anschließend der benötigte Schrägungswinkel sowie die resultierende Übersetzung der jeweiligen Kombination bestimmt werden. Da die Schrägungswinkel nur in einem Bereich zulässig sind, entsteht abhängig ein ‚Band‘ fein gestufter geometrisch möglicher Zahnradpaarungen (Bild 2). Automatisiert können Zahnradkombinationen mit unzulässigen Schrägungswinkeln oder ganzzahligen Stufenübersetzungen herausgefiltert werden, um so grob die ersten Zahnradparameter festzulegen. Die Wahl fällt dann auf die Kombination mit der geeignetsten Übersetzung. Dieser Lösungsansatz gilt, da kleine Drehzahlungenauigkeiten zulässig sind und über eine Antriebssteuerung abgefangen werden. Sollte es nötig sein, lässt sich später bei der Feingestaltung mit Hilfe der Profilverschiebung die Verzahnung weiter optimieren.

Zusammenfassung

Die am Beispiel von Walzwerkgetrieben vorgestellten Methoden zur Einbindung von wissensbasierten Berechnungsmodulen in CAD-Prozesse lassen sich auf ähnliche Problemstellungen übertragen. Hauptmerkmal dieses Einsatzszenarios ist das Vorhandensein einer speziellen Wissensdomäne, deren Wissensbasis mit entsprechenden Softwarekomponenten auch unabhängig von der CAD-Kopplung gepflegt werden kann. Im Vorfeld einer solchen Anwendungsentwicklung sollten Kosten-/Nutzenbetrachtungen durchgeführt werden, um den angestrebten Automatisierungsgrad klar herauszuarbeiten.

Da keine einheitlichen Produktdatenmodelle vorliegen, die unabhängig vom verwendeten Softwaresystem die wechselseitigen Beziehungen zwischen den Komponenten und der auf sie anwendbaren Methoden abbilden, haben die Programmierschnittstellen (API) der beteiligten Softwaresysteme bei der Verknüpfung unterschiedlicher Wissensdomänen eine besondere Bedeutung, da zunächst die bidirektionalen Verknüpfungen notwendiger Parametersätze abzusichern sind.

Weitergehende Verflechtungen hängen vom angestrebten Automatisierungsgrad des Entwurfsprozesses beziehungsweise notwendiger Teilprozesse ab. Das Datenmodell des CAD-Systems hat dabei einen besonderen Stellenwert, da hier nicht zuletzt auch Parameter- und Komponentenbeziehungen und die Berechnungsrelevanz von bestimmten ‚Ereignissen‘ (Parameter- oder Topologieänderungen) verankert werden müssen.

Teil 1 dieses Beitrages wurde in der Oktober-Ausgabe des CAD-CAM-Reports veröffentlicht.
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.

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