Toleranzanalyse und Toleranzsynthese abweichungsbehafteter Mechanismen
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit wendet sich an Ingenieure und Wissenschaftler, die sich mit der optimalen Vergabe von Fertigungstoleranzen beschäftigen. In der Arbeit wird ein durchgängiger Prozess des Toleranzmanagements vorgestellt, der sowohl für statische als auch bewegte Systeme (sog. Mechanismen) anzuwenden ist. Mit der Toleranzanalyse können die Auswirkungen zufälliger und systematischer Abweichungen auf das Bewegungsverhalten eines Mechanismus statistisch beurteilt werden. Die Visualisierung mit dem Walter-Hiller-Diagramm zeigt ungenutzte Potentiale zur Aufweitung von Toleranzen und damit zur gezielten Kosteneinsparung auf. Schlussendlich lassen sich die kostenoptimalen Bauteiltoleranzen des Mechanismus anhand einer statistischen Toleranz-Kosten-Optimierung berechnen. Am Beispiel eines abweichungsbehafteten Ventiltriebs wird die praktische Anwendung aufgezeigt.
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Schlagworte
- I–XVI
- 1–6 1 Abweichungen und deren Begrenzung durch Toleranzen in der Produktentwicklung 1–6
- 1.1 Problemstellung
- 1.2 Aufgabenstellung
- 1.3 Der Toleranzingenieur
- 7–62 2 Stand der Forschung und Technik 7–62
- 2.1 Geschichte des Toleranzmanagements
- 2.1.1 Das Streben nach der vollständigen Austauschbarkeit von Einzelteilen
- 2.1.2 Die Begrenzung von Abweichungen durch Toleranzen (1840-1920)
- 2.1.3 Der Einzug der Statistik in die Toleranzrechnung und der Aufstieg des Automobilbaus (1900 – 1960)
- 2.1.4 Die Rechnerunterstützung in der Toleranzrechnung (seit 1960)
- 2.1.5 Toleranzforschung im geeinten Deutschland
- 2.1.6 Neue Aspekte und Trends im Toleranzmanagement (Stand 2015)
- 2.2 Die drei Kernaktivitäten der rechnerunterstützten Toleranzsimulation
- 2.3 Toleranzanalyse
- 2.3.1 Statistische Toleranzanalyse
- 2.3.2 Bestimmung der Beitragsleister
- 2.3.3 Diskussion des Standes der Forschung zur statistischen Toleranzanalyse
- 2.4 Toleranzsynthese und Toleranzoptimierung
- 2.4.1 Toleranz-Kosten-Modelle
- 2.4.2 Bestimmung der optimalen Tolerierung
- 2.4.3 Diskussion des Standes der Forschung zur Toleranzsynthese
- 2.5 Meta-Modelle
- 2.5.1 Response Surface Methodology
- 2.5.2 Kriging Interpolation
- 2.5.3 Support Vector Regression
- 2.5.4 Künstliche Neuronale Netze
- 2.5.5 Evaluierung der Prognosegüte von Meta-Modellen
- 2.6 Kommerzielle Software-Werkzeuge zur Toleranzanalyse
- 63–72 3 Ableitung des Handlungsbedarfs 63–72
- 3.1 Die akademische Sicht: Diskussion des aktuellen Standes der Forschung und Technik
- 3.2 Die industrielle Sicht: Eine Erhebung unter deutschen Unternehmen
- 3.2.1 Vorbereitung und Durchführung der Erhebung
- 3.2.2 Auswertung und Diskussion
- 3.3 Handlungsbedarf zur Toleranzanalyse und Toleranzsynthese abweichungsbehafteter Mechanismen
- 73–128 4 Konzept zur Toleranzanalyse und -synthese abweichungsbehafteter Mechanismen 73–128
- 4.1 Klassifikation von Abweichungen technischer Systeme
- 4.1.1 Charakterisierung systematischer Abweichungen anhand der Periodendauer
- 4.1.2 Klassifikation möglicher Wechselwirkungen zwischen Abweichungen
- 4.2 Vorgehensweise zur statistischen Toleranzanalyse und -synthese des Betriebsverhaltens abweichungsbehafteter Mechanismen
- 4.2.1 Die Idee hinter der Toleranzanalyse-Methode zur Berücksichtigung der vollständigen Betriebsdauer eines Mechanismus
- 4.3 Vollständige Beschreibung der Aufgabe
- 4.4 Die Schließmaßgleichung: Gemeinsamer Kern von Toleranzanalyse und -synthese
- 4.4.1 Formulierung der Schließmaßgleichungen mittels Vektorketten
- 4.4.2 Bestimmung der systematischen Abweichungen unter Berücksichtigung von Wechselwirkungen 3. und 4. Art
- 4.5 Statistische Toleranzanalyse
- 4.5.1 Anwendung der modifizierten Toleranzanalyse-Methode
- 4.5.2 Bestimmung, Repräsentation und Interpretation der Ergebnisse
- 4.6 Wirtschaftliche Beurteilung anhand des WALTER-HILLER-Diagramms
- 4.7 Statistische Toleranzoptimierung
- 4.7.1 Formulieren des Toleranz-Optimierungsproblems
- 4.7.2 Lösung des Toleranz-Optimierungsproblems
- 4.8 Ergebnisvisualisierung und Dokumentation statistischer Toleranzsimulationen abweichungsbehafteter Mechanismen
- 4.8.1 Tol/Mech – insight
- 4.8.2 Erläuterung der Umfänge von Tol/Mech – insight
- 129–156 5 Anwendungsbeispiel: Abweichungsbehafteter Ventiltrieb 129–156
- 5.1 Vorstellung des Demonstrators
- 5.1.1 Aufbau und Funktionsweise des Ventiltriebs
- 5.2 Beschreibung des Toleranzproblems
- 5.3 Formulieren der Schließmaßgleichung
- 5.4 Statistische Toleranzanalyse
- 5.5 Wirtschaftliche Beurteilung der Tolerierung
- 5.5.1 Festlegung der Toleranz-Kosten-Modelle
- 5.5.2 WALTER-HILLER-Diagramm der bestehenden Tolerierung des Ventiltriebs
- 5.6 Statistische Toleranzsynthese
- 5.6.1 Formulierung des Toleranz-Optimierungsproblems
- 5.6.2 Lösung des Toleranz-Optimierungsproblems
- 5.6.3 Diskussion der erzielten Ergebnisse
- 157–160 6 Beurteilung durch Experten aus der industriellen Praxis 157–160
- 161–163 7 Zusammenfassung und Ausblick 161–163
- 164–192 8 Anhang 164–192
- 8.1 Fragebogen
- 8.2 Beschreibung des Ventiltriebs und dessen Einzelteile
- 8.3 Vollständige Formulierung der Schließmaßgleichung
- 8.3.1 Vektorkette des Hauptsystems
- 8.3.2 Vektorkette des Nebensystems
- 8.3.3 Details zur Berechnung ausgewählter systematischer Abweichungen und relevante Kenngrößen
- 8.4 Mehrkosten durch Mittelwertverschiebungen zufälliger Abweichungen
- 8.5 WALTER-HILLER-Diagramm der bestehenden Tolerierung
- 8.6 Weitere Ausführungen zur Toleranzsynthese des Ventiltriebs
- 8.7 Zusammensetzung der resultierenden Fertigungskosten
- 8.8 Eingesetzte Hard- und Software
- 193–236 9 Literatur 193–236
