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Weiterentwicklung des Konstruktionsprozesses für Führungsgetriebe von beweglichen Karosserieelementen

Komponentenentwicklung im Umbruch

Autoren

  • Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Gust, Bergische Universität Wuppertal
  • Dipl.-Ing. Volker Dürhagen, Kirchhoff GmbH & Co KG, Halver
  • Dipl.-Ing. Eliseo Milonia, info-key GmbH & Co. KG, Wuppertal
  • Dipl.-Ing. Ahmet Gülcan, info-key GmbH & Co. KG, Wuppertal

Kurzfassung

In der Automobilkonstruktion sind Viergelenkscharniersysteme etablierte Lösungen für die Führungsaufgabe zur Öffnung von Heck- und Frontklappen. Die Anforderungen an die Frontklappe sind z.B. eine genügende Aushebe- und Seitensteifigkeit bei gleichzeitig minimalem Bauraum. Aus dem Fahrtwind resultierende Kräfte wirken vor der Frontscheibe aushebend d.h. senkrecht nach oben auf die Fronthaube. Die Elastizität des Systems ermöglicht im ungünstigsten Fall bei hohen Geschwindigkeiten ein Schwingen der Klappenspitzen, das den Fahrtkomfort beeinträchtigen kann.

Um das zu verhindern, muss das Viergelenkscharnier eine genügende Steifigkeit besitzen. Das ist eine der wesentlichen Forderungen an ein Scharniersystem. Grundsätzlich muss der Konstrukteur eine ganze Reihe teilweise gegensätzlicher Forderungen bei der Entwicklung erfüllen. Um diesen Anforderungen bei immer weniger zur Verfügung stehenden Zeit gerecht zu werden, sind neue Strategien zur Entwicklung von Viergelenkscharnieren in einem Gemeinschaftsforschungsprojekt aufgestellt worden.

Der Vortrag stellt diese neuen Methoden, die die Synthese und auch die rechnergestützte Optimierung umfassen, an Hand von Beispielen vor. In einer rechnergestützten Entwicklungsstrategie werden klassische Methoden wie die zwei- und Dreilagenkonstruktion zur Ermittlung von gültigen Scharniervarianten genutzt. Die gefundenen Varianten werden in Bezug auf die Erfüllung eines Anforderungskataloges bewertet und der Konstrukteur erhält abschließend einen Vorschlag für die beste Variante.

Der Entwicklungsprozess konnte so maßgeblich verkürzt werden, wobei zugleich auch die Güte der Ergebnisse verbessert werden konnte.

Warum brauchen wir „neue“ Entwicklungsprozesse für Viergelenkscharniere?

Die Automobilindustrie steht vor immer neuen und gleichzeitig alt bekannten Herausforderungen. Betrug in den späten 80er Jahren die Zeit für eine Fahrzeugentwicklung noch 50 Monate, so ist diese bis zum Jahr 2003 auf 30 Monate - also um 40% - reduziert worden [1]. Mit den verkürzten Entwicklungszeiten ist der Aufwand zur Entwicklung der Fahrzeuge aber auch zeitgleich gewachsen. Fensterheber und automatische Sitzverstellungen gehören in vielen Fahrzeugen schon zum Standard. Es wird erwartet, dass sogar Antriebe für Klappen- und Türöffnungen bis 2015 in Mittel- und Oberklasse zumindest optional breit angeboten werden [2]. Es müssen also Systeme mit steigender Komplexität in kürzerer Zeit entwickelt werden. 

Aus diesen Forderungen ist im Besonderen für Fahrzeugheckklappen die Philosophie entstanden, von den komplexeren Viergelenkscharnieren zur Bügelscharniervariante zu wechseln. Die Auslegung, die Komfortöffnung (also das selbsttätige Aufschwingen bei Öffnung des Schlosses) und die Umsetzung eines Antriebssystems sind beim Eingelenkscharnier i. d. Regel einfacher als für das Viergelenkscharnier.

Eine neuere Aussage von Brancheninsider Helmut Becker lautet: "Die deutsche Autoindustrie setzt nur auf absurde Leistungssteigerung und Hightech. Für einfache, bezahlbare und verbrauchsgünstige Modelle ist man sich im Land der Autobauer zu schade" [3]. Der alleinige Trend in Richtung Komfort reicht also nicht aus. Gleichzeitig ist ein Trend hin zu in der Anschaffung und im Verbrauch günstigeren Fahrzeugen entstanden. Damit gewinnt das Viergelenkscharnier als leichtere und kleinere Variante wieder an Bedeutung. Jedoch muss die Entwicklung des Scharniersystems den gestiegenen Anforderungen gerecht werden. Die Entwicklung muss schnell erfolgen und die Kundenforderungen mit ausreichender Sicherheit erfüllen. Daher reichen die konventionellen Entwicklungsmethoden nicht mehr aus und es müssen Erweiterungen, eine Optimierung und die Automatisierung bestehender Prozesse erfolgen.

Im Folgenden werden die Anforderungen an Scharniersysteme und der konventionelle Entwicklungsprozess dargestellt. Dann wird eine neue Methodik zur Entwicklung von Viergelenkscharnieren vorgestellt. Diese Erweiterung ist in eine eigens erstellte Software integriert worden. Die Software und die Anwendung im Entwicklungsprozess werden in Anschluss kurz vorgestellt. Ein Fazit und ein Ausblick bilden den Abschluss. 

Anforderungen an KFZ- Scharniersysteme

Da die unterschiedlichen Hersteller von einander abweichende Forderungen haben, wird hier nur eine Übersicht über die wesentlichen Forderungen zusammenfassend dargestellt (Alle angegebenen Zahlenwerte stellen Größenordnungen dar und sind bewusst verfälscht, um keine konkreten Kundeninformationen preiszugeben). Vor allem ist es nicht möglich, ein vollständiges Lastenheft aufzuführen. Daher werden nur die Forderungen vorgestellt, die auch direkt durch die vorgestellte Entwicklungsmethodik beeinflusst werden. An Scharniersysteme werden die folgenden Anforderungen gestellt: 

Kinematik; Erfüllung der klassischen Führungsaufgabe, d.h. die Bewegung bzw. Führung der Klappe aus der geschlossenen Stellung in die geöffnete Position. Dabei darf kein Tropfwasser in den Gepäckraum tropfen. Weiterhin darf die Bewegungslinie des Kopfes eines Nutzers, der sich in den Kofferraum beugt, nicht mit der Klappenkante kollidieren.

Mechanische Eigenschaften

Aushebesteifigkeit; Aufgrund von Windlasten während der Fahrt wirkt eine Last an den Klappenspitzen (vor der Windschutzscheibe) aushebend nach oben. Die Scharnierkinematik muss dieser Bewegung geeignet entgegen wirken.

Seitensteifigkeit; In geöffneter Stellung muss das Scharnier in seitlicher Richtung eine genügende Steifigkeit aufweisen.

Bedienung; Beim Öffnen und Schließen dürfen im Scharnier selbst keine zu großen Reibungskräfte  auftreten, sodass üblicherweise Gleitlagerbuchsen eingesetzt werden. Das Scharnier muss über ca. 6.000 Lastwechsel für Fronthauben und ca. 30.000 Lastwechsel für Heckklappen spielfrei zu bedienen sein. Dabei soll die Klappe ab einem definierten Winkel zwischen 14° und 25° in der Regel durch Hilfe einer Gasdruckfeder selbstständig öffnen. Beim Schließvorgang müssen die Bedienkräfte unterhalb von 14° so gering sein, dass die Haube selbstständig ins Schloss fällt.

Bauraum; Zusätzlich zu allen Detailforderungen an die Festigkeit und die Kinematik muss das Scharnier in einen vorgegebenen Bauraum passen. Meist wird kein pauschaler Bauraum mit „Höhe x Breite x Länge“ angegeben. Es wird vielmehr der spezifische Bauraum, der für das Scharnier zur Verfügung steht, mit allen angrenzenden Bauteilen als CAD-Modell zur Verfügung gestellt. So muss der Konstrukteur „sein“ Scharnier in diesen Bauraum hinein konstruieren. Bei Kollisionen mit den angrenzenden Bauteilen beginnt ein iterativer Abstimmungsprozess mit dem Kunden, ob zusätzlicher (oder anderer Platz) zur Verfügung gestellt werden kann.

Das sind die für die Kinematik wesentlichen Anforderungen. Es gibt schon, wie beschrieben, eine Menge weiterer Forderungen z.B. an die Korrosionseigenschaften oder auch spezifische Anforderungen für das Verriegeln des Scharniers in geöffneter Stellung.

Eine weitere wesentliche Anforderung für die Fronthaube, auf die kurz eingegangen werden soll, ist der Fußgängerschutz. Es gibt die Forderung, dass bei einer Kollision mit einem Fußgänger die Haube so weich sein muss, dass eine tödliche Verletzung weitestgehend ausgeschlossen werden kann (Gemessen durch den HIC-Wert – Head Injury Criterion) . Da allerdings hoch motorisierte Fahrzeuge meist nicht mehr über genügend freien Deformationsraum verfügen, muss das Scharnier bei der Detektion eines Aufpralls eines Fußgängers auf den Stoßfänger die Haube anheben. In Bild 1 ist ein solches Scharnier dargestellt, das die Haube durch die Speicherung mechanischer Energie in einer Drehfeder aufstellen kann. Die Drehfeder ist an einen zusätzlichen Hebel angebunden, der bei Auslösung das Scharnier nach oben drückt. Der Vorgang vollzieht sich in weniger als 12 ms und ist vollständig reversibel.

Prototyp eines Fußgängerschutzscharniers mit mechanischem Auslösehebel und Drehfederantrieb von der Firma Kirchhoff GmbH & CO KG

Bild 1: Prototyp eines Fußgängerschutzscharniers mit mechanischem Auslösehebel und Drehfederantrieb von der Firma Kirchhoff GmbH & CO KG

Es ist direkt ersichtlich, dass die Erweiterung um den Fußgängerschutz einen weiteren wesentlichen Einfluss auf die Scharnierkinematik hat.

Scharnierentwicklung

Der Entwicklungsprozess

In Bild 2 ist ein grundsätzliches Modell für die Produktentwicklung in Anlehnung an die VDI- Richtlinie 2221 dargestellt. Diese ist aber um zwei weitere Ebenen erweitert worden. Ebene 1, die Prozessebene, ist weiterhin um die zwei wichtigen Bausteine Qualitäts- und Fertigungsentwicklung erweitert worden. Innerhalb dieser Bausteine sind exemplarisch drei wichtige Meilensteine eingetragen, die in der Fahrzeugentwicklung üblicherweise Anwendung finden. SOP steht dabei für „Start of Production“, den Start der Serienproduktion, ein Termin der „nie“ verschoben werden kann, zumindest nicht von Seiten eines Lieferanten.

Ebenenmodell für das methodische Konstruieren

Bild 2: Ebenenmodell für das methodische Konstruieren

In Ebene 2, der Methoden- und Toolebene, sind verschiedene Methoden und Tools dargestellt die innerhalb der Produktentwicklung - zugeordnet zum jeweiligen Prozessabschnitt - Anwendung finden. Die 3. Ebene stellt die Kompetenzebene dar, die verdeutlicht, dass für den Einsatz von spezifischen Methoden und Werkzeugen, insbesondere für den Einsatz von komplexen Softwaresystemen, entsprechend spezifisches Know-how aufgebaut werden muss. 

Die hier vorgestellte Scharnierentwicklung bezieht sich auf die beiden klassischen Prozesse des Entwerfens und Ausarbeitens, wobei der Entwurf des Scharniers den Schwerpunkt bildet. Aufgrund der Forderung, einen spezifischen Bauraum einzuhalten, findet in der Praxis meist ein Iterationsprozess zwischen beiden Abschnitten statt. 

Der „konventionelle“ Scharnierentwicklungsprozess

In Bild 3 ist der konventionelle Prozess der Scharnierentwicklung dargestellt. Solch eine Prozessabfolge entsteht immer dann, wenn keine Gelegenheit gegeben ist, die Prozesse spezifisch an ein Produkt anzupassen. In Schritt 1 wird zu Beginn der Bauraum im CAD eingelesen und bewertet, wie viel Platz zur Verfügung steht. Im nächsten Schritt wird geprüft, ob ein bestehendes Scharnier (oder Teile davon) für das neue Scharnier Verwendung finden können. Wenn auch nur einzelne Teile eingesetzt werden können, ergeben sich Synergieeffekte und eine entsprechende Einsparung von z.B. Werkzeugkosten. Aufgrund der spezifischen Bauraumsituation können meist keine Komponenten für das neue Scharnier übernommen werden. Bei gleichen Blechstärken können meist die Gelenkbolzen und die Lagerbuchsen als Gleichteile übernommen werden. 

Bild 3: Konventioneller Entwicklungsprozess für Viergelenkscharniere

Im nächsten Schritt werden nach den Erfahrungen des Konstrukteurs im CAD (in Deutschland ist dies ist in den meisten Fällen das System CATIA von Dassault Systems) die Gelenkpunkte gesetzt. Im CAD ist meist eine Kinematikanalyse möglich, d.h. die Klappengeometrie wird über die gesetzten Gelenkpunkte aufgedreht und der Konstrukteur bewertet, ob die Anforderungen an die Führungsaufgabe wie beschrieben erfüllt sind. Nach dem in einem Iterationsprozess geeignete Gelenkpunktpositionen gefunden sind, kann das Scharnier in seiner räumlichen Gestalt auskonstruiert werden. Nach der Ableitung von Werkstattzeichnungen wird dann ein erster Prototyp erstellt. Im konventionellen Prozess werden die Prototypen durch klassische Verfahren der Blechverarbeitung erstellt. Ein sehr gebräuchlicher Weg ist es, Hilfsbieger zu fräsen und mit diesen dann erste Scharnierteile für das Oberteil, das Unterteil und die beiden Scharnierlenker aus durch Laser zugeschnittenen Platinen zu biegen (siehe Bild 4a). Das hat den Vorteil, dass man auch schon geringe Stückzahlen über die Hilfsbieger fertigen kann. Bis zum Serienanlauf werden oft bis zu 200 Sätze seriennaher Prototypen benötigt. Eine Alternative für erste Prototypen ist das 3D- Fräsen aus Vollmaterial mit dem Nachteil, dass für jeden Satz nahezu der gleiche Aufwand erforderlich ist.

Audi TT Frontklappe

Bild 4a:

Audi TT Frontklappe (für KFZ-Scharniere typische Blechkonstruktion)

VW Phaeton Heckklappe

Bild 4b:

VW Phaeton Heckklappe (Aluminiumschmiede­komponenten)

Mit diesen seriennahen Prototypen können die Anforderungen an das Scharnier wie die Aushebe- und die Seitensteifigkeit gut nachgemessen werden und dann mit den herstellerspezifischen Forderungen abgeglichen werden.

Nach ersten Verbauversuchen beim Kunden folgt meist ein Iterationsprozess zur Ermittlung des finalen Designs, das dann für den Bau der Serienwerkzeuge genutzt wird.

Wesentlicher Nachteil dieses Prozesses ist die rein manuelle Ermittlung der Gelenkpunkte. Eine geringe geometrische Verschiebung der Gelenkpunkte kann bereits ein vollständig neues kinematisches Verhalten des Scharniers ergeben. Als Beispiel kann ein Projekt von der Firma Kirchhoff GmbH & Co. KG für ein angetriebenes Scharnier (also eine automatische Heckklappe) genannt werden. Hier ergab sich durch eine Verschiebung des oberen Gelenkpunktes des langen Lenkers von 1mm in horizontaler und 1,5mm in vertikaler Richtung eine Reduzierung des erforderlichen Antriebsmoments von 50%. Dies ist nur ein Beispiel für den Einfluss der Scharnierkinematik. Es ist also sehr schwer, rein aus der Erfahrung zu bewerten, wie sich eine Änderung tatsächlich auswirkt. Dies erschwert die Bewertung und Optimierung und daraus resultiert ein recht aufwändiger Prozess, der für eine neue Scharnierkinematik schnell bis zu drei Wochen dauern kann.

Der neue Scharnierentwicklungsprozess

Drei Wochen für die Entwicklung einer Scharnierkinematik sind im beschriebenen Kontext der Fahrzeugentwicklung wesentlich zu lang. Daher war eine Überarbeitung des Prozesses zwingend erforderlich. Deswegen entwickelte die Firma info-key GmbH & Co.KG eine neue Software, die mittlerweile in Form einer kommerziell verfügbaren Version des Tools ASOM (Analyse, Synthese und Optimierung von Mehrgelenksystemen) vorliegt.

Jedoch ist die Entwicklung einer neuen Software alleine nicht ausreichend, um eine signifikante Verkürzung der Entwicklungszeiten bei einer gleichzeitig angestrebten Verbesserung der Güte der Ergebnisse zu erreichen. Entsprechend des Ebenenmodells der Entwicklung (Bild 2) mussten das neue Tool in den bestehenden Prozess integriert und entsprechende Kompetenzen zur Nutzung des dann neuen Prozesses aufgebaut werden.

In Bild 5 ist der um die neuen Inhalte erweiterte Prozess dargestellt. Nach der Prüfung, ob schon vorhandene Scharniere ggf. genutzt werden können, wird zusätzlich eine Zone für den möglichen Bauraum an der Karosserie und an der Klappe als zweidimensionale Zonen durch Polygonzüge definiert. Diese Bereiche zusammen mit einer analogen Beschreibung von z. B. dem Wasserkanal und den Klappenspitzen werden an die Software ASOM übergeben.

ASOM führt auf Basis der vorgegebenen Restriktionen die Mehrgelenksynthese durch, wobei das entstehende Mehrgelenk - unter Berücksichtigung der Restriktionen und Syntheseparameter -  modifiziert werden kann. Die Spuren ausgewählter Punkte lassen sich anzeigen, um die Einhaltung von Ausschluss- und Gütekriterien zu kontrollieren. Auch Energiespeicherelemente wie Gasdruckfedern lassen sich einfügen bzw. synthetisieren und ihre Eigenschaften benutzerseitig modifizieren. In Diagrammen lassen sich u. a. Kräfte anzeigen und so als Gütekriterien (s.u.) verwenden. Alle Arbeitsschritte sind in Echtzeit durchführbar. Im nächsten Schritt hat der Konstrukteur die Aufgabe, für eine Nutzwertanalyse Gütekriterien zu definieren und zu gewichten. Für die Scharnierentwicklung sind dies z. B. die Lage des Momentan-Zentrums zur Verbesserung der Aushebesteifigkeit und die Höhe des Scharniers, die direkt die Seitensteifigkeit beeinflusst. Ein weiteres, sehr einfaches Kriterium ist z. B. die Summe der Gliedlängen als Maß für die Kompaktheit und das Gewicht des Scharniers.

Diese und andere Kriterien werden in einer Nutzwertanalyse verglichen und so erhält der Konstrukteur einen Vorschlag für das nach seinen Erfahrungen definierten Kriterien „beste“ Scharnier. Das Ergebnis der Analyse hängt also direkt von den Erfahrungen des Konstrukteurs ab. ASOM ermöglicht hierbei durch ein eigenständiges, einfach zu handhabendes Regelwerkmodul die Einbindung vielfältiger Kriterien, mit der frei definierbare einfache, aber auch sehr komplexe Bedingungen berücksichtigt werden können, welche gewissermaßen die Erfahrungswerte der entsprechenden Entwicklungsabteilung abbilden und somit das Kern-Know-How eines Entwicklers sehr individuell berücksichtig werden kann. Ohne seine Erfahrungen über die spezifischen Anforderungen seines Kunden an ein Scharnier kann der Prozess nicht erfolgreich eingesetzt werden. Diese Erfahrungen werden durch das Regelwerkmodul auch zukünftigen Projekten und sogar zukünftigen Mitarbeitern des Entwickelnden Unternehmens nutzbar gemacht.

Neuer, erweiterter Entwicklungsprozess

Bild 5: Neuer, erweiterter Entwicklungsprozess

Durch die Automatisierung des Prozesses, der Tatsache, dass sich der Konstrukteur nur mit gültigen Scharniervarianten auseinandersetzen muss und vor allem der Tatsache, dass mit de Regelwerksystem zunehmend wesentliche Gütekriterien automatisch berücksichtigt und verfeinert werden, konnte der Ablauf zur Scharnierentwicklung wesentlich beschleunigt werden. Durch die rechnergestützte Bewertung der Gütekriterien wird der Prozess wesentlich transparenter und nachvollziehbarer. Dies hat entscheidende Vorteile in der Diskussion mit den Kunden.

Insgesamt konnte der Prozess zur Entwicklung einer ersten funktionsfähigen Scharnierkinematik auf ca. fünf Tage verkürzt werden. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil dar.

Als weitere Optimierung des Gesamtprozesses wurden Erfahrungen in der Erstellung der Prototypen in einem generativen Rapid Prototyping (RP-) Verfahren gesammelt. Die Blecheinzelteile werden im RP-Verfahren des selektiven Lasersinterns (SLS) erzeugt und durch einen nachgeschalteten Prozess mit Metall infiltriert. So erhalten die Bauteile nahezu die Güte von Baustahl (wie z.B. ST37) und können so schon zur Probe in ein Fahrzeug verbaut werden. Vorteil des Verfahrens ist, dass die Bauteile meist schon im Zeitraum von einem Wochenende nahezu automatisch aufgebaut werden können. Der Aufwand im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren wie Fräsen und Biegen ist ca. um den Faktor 2 geringer - ein weiterer entscheidender Zeitvorteil. Jedoch muss auch hier, genau wie bei der Anwendung einer neuen Software, Raum für einen entsprechenden Kompetenzaufbau gegeben werden, da erst Erfahrungen mit diesen Bauteilen gesammelt werden müssen. Ohne eigene Erfahrungen sollte man solch neue Bauteile nicht bei einem Kunden vorstellen.

Insgesamt hat sich durch die beschriebene Vorgehensweise der Prozess wie geplant verkürzen lassen, und die Ergebnisse der Entwicklung sind nachvollziehbarer.

Fazit und Ausblick

Das Projekt war für die Beteiligten ein Erfolg und die Erweiterung der Methodik hat sich wie beschrieben bewährt.

Jedoch kann der Prozess noch um weitere Module sinnvoll erweitert werden. Gerade die Ausarbeitung des 3D-Scharniers im CAD muss um den Einsatz der finiten Elemente Methode (FEM) erweitert werden. Diese wird zum virtual testing, also der Nachrechnung der mechanischen Eigenschaften, schon heute genutzt. Eine Vollintegration in den Entwicklungsprozess mit einer entsprechenden Anpassung der Schnittstellen ist jedoch noch nicht erfolgt. Sinnvoll wird auch eine Kombination aus Mehrkörpersimulation und FEM sein. So kann auch die elastische Verformung des Scharniers als Einfluss auf die Scharnierkinematik berücksichtigt werden. Aktuell werden Berechnungen mit dem Softwaresystem Recurdyn (Anbieter und Kooperationspartner FunctionBay GmbH, Infanteriestraße 19, Haus 3, 80797 München) zu dieser Integration durchgeführt und können ggf. kurzfristig präsentiert werden.

Analog ist der Einsatz der Topologieoptimierung sinnvoll. Hier laufen Untersuchungen mit dem System CATOPO (Anbieter und Kooperationspartner CES Eckard GmbH, Hessbrühlstr. 61, 70565 Stuttgart), eine Software, die sich besonders für den konstruktionsnahen Einsatz eignet. Daher ist eine Integration in den beschriebenen Prozess voraussichtlich gut durchführbar.

Letztlich bieten komplexe Entwicklungsprozesse immer Potenziale zur Weiterentwicklung. Im Rahmen dieser Ausführungen können nur kurze Einblicke in die erfolgten Arbeiten gegeben werden.

Literaturangaben

  1. Harvard Business Review Automobilproduktion, Datum leider nicht bekannt.
  2. Markt- und Technologiestudie Automatische Antriebe für Türen und Klappen, Arthur D. Little, München 2004
  3. Fußgängerschutz, Kühn, Matthias; Fröming, Robert; Schindler, Volker; Fachbuch, Springer Verlag 2007

Erschienen in

VDI-Berichte 2050
ISBN 978-3-18-092050-4
Bewegungstechnik 2008 

Koppelgetriebe, Kurvengetriebe und geregelte Antriebe im Maschinen-, Fahrzeug- und Gerätebau Tagung, Fulda, 23. und 24. September 2008 VDI Verlag GmbH Düsseldorf 2008 Seiten 241 ff.

 

 

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