Strukturoptimierung zur Lebensdauersteigerung und Gewichtsreduktion von Lenksystemen

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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 rur 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 hierrur 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 durchgeruhrt. 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 rur komplexe industrielle Anwendungen geeignet sind. Die Ergebnisse der Optimierungen sind verbesserte Designvorschläge rur 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.