Bei der Entwicklung von Lenksystemen hat die virtuelle Produktentwicklung" einen hohen Stellenwert. Durch Simulationen und Berechnungen können neue Lenksysteme bereits vor der Herstellung erster Prototypen zu einem frühen Zeitpunkt beurteilt und gegebenenfalls optimiert werden. Neben der Beurteilung von Bauteilen werden im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung konkrete Verbesserungsvorschläge erarbeitet. Hierbei können Strukturoptimierungen aktiv die Entwicklung unterstützen. In dieser Arbeit werden Möglichkeiten für den Einsatz der Strukturoptimierung bei der Entwicklung von Lenksystemen vorgestellt. Ziele sind dabei die Lebensdauersteigerung und die Gewichtsreduktion von Lenksystemen. Angepasst an die jeweilige Anwendung können hierfür die Dimensionierung, Formoptimierung oder Topologieoptimierung angewandt werden. Die Steigerung der Lebensdauer ist insbesondere bei den hoch belasteten Lenksystemgehäusen wichtig, um über das gesamte Fahrzeugleben eine hohe Sicherheit des Lenksystems zu gewährleisten. Daher wird ein automatisierter Prozess zur schädigungsbasierten Formoptimierung entwickelt, der sich zur Lebensdauersteigerung der Lenksystemgehäuse eignet. Er erlaubt die Berücksichtigung von Strukturmodifikationen in der Simulation eines elastischen Mehrkörpersystems. Der Prozess wird vorgestellt und mit seinen Randbedingungen erläutert. Eine weitere Forderung bei der Weiterentwicklung von Lenksystemen ist die Gewichtsreduktion der Systeme. In dieser Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, eine Gewichtsreduktion durch eine hohle Zahnstange zu realisieren. Zur Gestaltung der Innenkontur von Zahnstangen werden Dimensionierungen und Topologieoptimierungen eingesetzt. Die in den Optimierungen verwendeten Berechnungsmodelle zur Analyse von Lenksystemen müssen an besondere Anforderungen der Optimierungsprozesse angepasst werden. Die aufgebauten Modelle zur Finiten Elemente Analyse, zur Mehrkörpersimulation und zur Betriebsfestigkeitsanalyse von Lenksystemkomponenten werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt und weiterentwickelt. Auf Basis des CAD-Modells eines Lenksystems wird ein Finite Elemente Modell des Gehäuses aufgebaut. Daraus wird ein Superelement zur Integration eines elastischen Gehäuses ins Mehrkörpersystem erstellt, wofür die genutzten Methoden und Parameter diskutiert werden. In einer elastischen Mehrkörpersimulation werden Lastfälle simuliert, welche die Belastungen während eines Fahrzeuglebens realitätsnah beschreiben. Durch diese Simulationen werden die Lasten auf das Lenksystemgehäuse berechnet und mit diesen Lasten eine Betriebsfestigkeitsanalyse durchgeführt. Vereinfachungen im Mehrkörpersystem zur Rechenzeitverkürzung und deren Auswirkungen auf die Betriebsfestigkeitsanalyse werden in dieser Arbeit untersucht. Die Analyseergebnisse, insbesondere die berechneten Schädigungswerte, werden durch den Vergleich mit Versuchsergebnissen überprüft, um einen Bezug der Analysen zur Realität herzustellen. Aufbauend auf diesen realitätsnahen Analysen können nun Optimierungen von Lenksystemgehäusen und Zahnstangen durchgeführt werden. Diese werden anhand von Beispielen an einem aktuellen Lenksystem demonstriert. Damit wird belegt, dass die automatisierten Optimierungsprozesse für komplexe industrielle Anwendungen geeignet sind. Die Ergebnisse der Optimierungen sind verbesserte Designvorschläge für die Lenksystemkomponenten. Diese zeichnen sich im Vergleich zum Ausgangsdesign durch eine erhöhte Lebensdauer oder ein geringeres Gewicht aus. Dadurch tragen sie zur Steigerung der Sicherheit und Verminderung des Verbrauchs bei modernen Automobilen bei.

    Virtual product development is of central importance in the development of steering systems. Through simulations and calculations, new steering systems can be evaluated and, if necessary, optimized at an early stage, even before the first prototypes are manufactured. Virtual product development allows both the evaluation of components and concrete suggestions for improvement, whilst structural optimization actively supports the development process. In this thesis, possibilities for the use of structural optimization in the development of steering systems are introduced. These aim to increase the durability and reduce the weight of steering systems. To attain this objective, the techniques of sizing optimization, shape optimization or topology optimization may be utilized, depending on the relevant application. The increase in durability is particularly important in the case of steering system housings, which are subject to high forces, so that a high level of safety with regard to the steering system for the whole lifetime of the vehicle is ensured. For this reason, an automated, durability-based shape optimization process, adapted to the requirements made by an increase in the durability of steering system housings, has been developed. It allows structural modifications in the simulation of an elastic multibody system to be taken into account. The process is presented and explained in the context of its constraints. A further challenge in the further development of steering systems is the weight reduction of the systems. In this thesis, the possibility of attaining a weight reduction by means of a hollow rack is explored. Sizing optimization and topology optimization techniques are used to create the inner contour of the racks. The calculation models used in the optimization processes for the purposes of steering system analysis must be adapted to the special requirements of these processes. Finite element analyses, multibody system simulations and durability analyses of steering" systems components created to this end are presented and further developed in this thesis. In particular, the generation of an elastic multibody system requires a high standard of quality of the superelement which is used to create the elastic steering system housing. In an elastic multibody system simulation, load conditions are simulated which describe the loads in the course of vehicle lifetime in a realistic manner. Through these simulations, the loads on the steering system housing are calculated, and a durability analysis is carried out. The possibilities of simplification in the multibody system to achieve a reduction in computation time and its consequences for durability analysis are explored in this thesis. The results of the analysis, in particular the durability figures which have been calculated, are compared with test results in order to provide a close relation to reality. Optimizations of steering system housings and racks may then be carried out, based on these realistic analyses. These are demonstrated using examples from a current steering system. This proves that optimization processes are suitable for complex industrial applications. The results of the optimization are improved design proposals for steering system components. These are characterized by an extended lifetime or reduced weight compared to the original design. This contributes to an increase in the safety and a reduction in the consumption of modern automotive vehicles.


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    Titel :

    Strukturoptimierung zur Lebensdauersteigerung und Gewichtsreduktion von Lenksystemen


    Beteiligte:


    Erscheinungsdatum :

    2011


    Format / Umfang :

    136 Seiten, Bilder, Tabellen, 118 Quellen




    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch






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