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Erschienen in: Forschung im Ingenieurwesen 3/2019

01.09.2019 | Originalarbeiten/Originals

Automated requirements-driven design synthesis of gearboxes with graph-based design languages using state of the art tools

verfasst von: Kevin Holder, Stephan Rudolph, Ralf Stetter, Corinna Salander

Erschienen in: Forschung im Ingenieurwesen | Ausgabe 3/2019

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Abstract

In order to best match individual customer requirements in gearbox applications, customer-tailored gearboxes are a desirable solution. That leads to the demand for a truly individualized product development. In order to keep costs down despite an increasing product variability, novel digital design methods which automate the design process and avoid redundant manual work need to be developed and deployed. Graph-based design languages in UML (Unified Modeling Language) use a central data model to guarantee model consistency and to generate automatically multi-disciplinary models and simulations thereof.
The paper shows the use of graph-based design languages for automated gear synthesis and the automated three dimensional arrangement of gearset parts. The aim of this language is to generate the gearset including the gear calculation. The calculation automation is supported with the domain-specific synthesis tool GAP (‘Getriebe Auslegungs Programm’). The resulting gearset is then packaged into a given design space provided as one of the customer requirements. The package problem is the subject of several boundary conditions and for this reasons normally multiple solutions do exist. Therefore, optimization methods are used in the following to select the final three-dimensional arrangement. The current state of the gear system model also includes a fully parametric CAD housing.
The approach shown in this paper can be extended to the entire product life cycle, also including domain-specific and already established software solutions. Finally, the opportunity is present to include further product assessments like a cost calculation and a first reliability check of the system.
The authors are aware of the fact that this fully automated process is currently still restricted to a specific class of product design problems such as gears and gearbox design.

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Fußnoten
1
mostly employing open, standardized or proprietary data formats in files or databases
 
2
Efficiency in the sense of ‘doing the right thing’
 
3
Effectiveness in the sense of ‘doing the thing right’
 
4
Software manufacturers like Dassault begin to offer such end-to-end process chains with platforms such as 3D Experience. However, the proprietary data format is not disclosed to the customer, so it remains difficult to exchange data with software systems of other manufacturers outside the limited number of standardized data formats (e.g., STEP, DXF, STL, etc.).
 
5
All these program systems have in common to represent only the \(n+1\)-th aspect of a gear system in form of \(n+1\)-th program. A comprehensive integration platform for a comprehensive holistic modeling and simulation of gear systems cannot be offered.
 
6
Specifications: only spur gear stages (SP), bevel gear stage (BE) and spur gear stages, required safety margins, desired compromise in the target conflict of moment of inertia, gearset mass and utilization of strength; complete information in [21].
 
7
For spur gears according to the design method of Niemann / Winter [19] or according to a method derived from DIN 3990 [4] / ISO 6336 [13]. For bevel gear and hypoid stages, the design is carried out in accordance with ISO 23509 Annex B [15] or by a method according to FVA 411 [33].
 
8
Data format of the FVA Workbench, thus manually generated gearsets can be imported
 
9
if center distances are enabled as optimization variables
 
10
and vice versa for transmissions with a ratio i < 1
 
11
‘fminsearch’ from the Optimization Toolbox of Matlab or alternatively the ‘PowellOptimizer’ from the Apache Commons Math libray with comparable results
 
12
A gear wheel does not have to be checked against its partner wheel, likewise all bearings and gears do not have to be checked against their own connected shaft
 
13
such a structure of bevel gear stages and spur gear stages usually has little practical relevance, accordingly, such a structure is not proposed by the gearset synthesis in GAP
 
Literatur
1.
Zurück zum Zitat Aicher F, Kesenheimer S (2019) Automatisierte Konstruktion eines Getriebegehäuses. Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten (unpublished student work) Aicher F, Kesenheimer S (2019) Automatisierte Konstruktion eines Getriebegehäuses. Hochschule Ravensburg-Weingarten, Weingarten (unpublished student work)
2.
Zurück zum Zitat Bae I, Hyong Chong T (eds) (2007) Development of an automatic design algorithm for multi-stage gear drives with applications Bae I, Hyong Chong T (eds) (2007) Development of an automatic design algorithm for multi-stage gear drives with applications
3.
Zurück zum Zitat Bansemir G (2013) Konstruktionsleitsystem für den durchgängig rechnerbasierten Zahnradgetriebeentwurf. Technische Universität München, Diss. Technische Universität München, München Bansemir G (2013) Konstruktionsleitsystem für den durchgängig rechnerbasierten Zahnradgetriebeentwurf. Technische Universität München, Diss. Technische Universität München, München
4.
Zurück zum Zitat DIN Deutsches Institut für Normung: DIN 3990 Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern (1987) DIN Deutsches Institut für Normung: DIN 3990 Tragfähigkeitsberechnung von Stirnrädern (1987)
6.
Zurück zum Zitat Dyla A (2002) Modell einer durchgängig rechnerbasierten Produktentwicklung. München, Techn. Univ., Diss. Technische Universität, München Dyla A (2002) Modell einer durchgängig rechnerbasierten Produktentwicklung. München, Techn. Univ., Diss. Technische Universität, München
12.
Zurück zum Zitat Hofstetter M, Hirz M, Gintzel M, Schmidhofer A (2018) Multi-objective system design synthesis for electric powertrain development. In: Hofstetter M, Hirz M, Gintzel M, Schmidhofe A (eds) 2018 IEEE transportation electrification conference and expo (ITEC). IEEE, Piscataway, pp 286–292 https://doi.org/10.1109/itec.2018.8450113 CrossRef Hofstetter M, Hirz M, Gintzel M, Schmidhofer A (2018) Multi-objective system design synthesis for electric powertrain development. In: Hofstetter M, Hirz M, Gintzel M, Schmidhofe A (eds) 2018 IEEE transportation electrification conference and expo (ITEC). IEEE, Piscataway, pp 286–292 https://​doi.​org/​10.​1109/​itec.​2018.​8450113 CrossRef
13.
Zurück zum Zitat International Organization for Standardization (2006) ISO 6336 Calculation of load capacity of spur and helical gears International Organization for Standardization (2006) ISO 6336 Calculation of load capacity of spur and helical gears
16.
Zurück zum Zitat Jaroš M (2007) Integration des STEP-Produktmodells in den Getriebeentwicklungsprozess. München, Techn. Univ., Diss 2007. Technische Universität, München Jaroš M (2007) Integration des STEP-Produktmodells in den Getriebeentwicklungsprozess. München, Techn. Univ., Diss 2007. Technische Universität, München
19.
Zurück zum Zitat Niemann G (1989) Maschinenelemente, 2nd edn. Springer, Berlin, Heidelberg, New York Niemann G (1989) Maschinenelemente, 2nd edn. Springer, Berlin, Heidelberg, New York
20.
Zurück zum Zitat Parlow JC (2016) Entwicklung einer Methode zum anforderungsgerechten Entwurf von Stirnradgetrieben. Dissertation. Technische Universität München, München Parlow JC (2016) Entwicklung einer Methode zum anforderungsgerechten Entwurf von Stirnradgetrieben. Dissertation. Technische Universität München, München
21.
Zurück zum Zitat Parlow JC (2016) FVA-Nr. 421 IV Erweiterung Getriebeauslegungsprogramm: Benutzeranletung Getriebeauslegungsprogramm. Forschungsheft. Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) Parlow JC (2016) FVA-Nr. 421 IV Erweiterung Getriebeauslegungsprogramm: Benutzeranletung Getriebeauslegungsprogramm. Forschungsheft. Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA)
23.
Zurück zum Zitat Ramsaier M, Holder K, Zech A, Stetter R, Rudolph S, Till M (2017) Digital representation of product functions in multicopter design. Proceedings of the 21st International Conference on Engineering Design (ICED17), pp 369–378 (Vol. 1: Resource-Sensitive Design) Ramsaier M, Holder K, Zech A, Stetter R, Rudolph S, Till M (2017) Digital representation of product functions in multicopter design. Proceedings of the 21st International Conference on Engineering Design (ICED17), pp 369–378 (Vol. 1: Resource-Sensitive Design)
24.
Zurück zum Zitat Ramsaier M, Stetter R, Till M, Rudolph S, Schumacher A (2017) Automatic Definition of density-driven Topology Optimization with graph-based Design Languages. In: Proceedings of the 12th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation Ramsaier M, Stetter R, Till M, Rudolph S, Schumacher A (2017) Automatic Definition of density-driven Topology Optimization with graph-based Design Languages. In: Proceedings of the 12th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation
25.
Zurück zum Zitat Rudolph S (2006) Know-how reuse in the conceptual design phase of complex engineering products: or: ‘are you still constructing manually or do you already generate automatically’? In: Tichkiewitch S, Tollenaere M (eds) Proceedings of the 6th International Conference on Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering IDMME 2006, Alpexpo-Grenoble, 17.-19. May 2006 AIP-PRIMECA, Grenoble, pp 23–39 Rudolph S (2006) Know-how reuse in the conceptual design phase of complex engineering products: or: ‘are you still constructing manually or do you already generate automatically’? In: Tichkiewitch S, Tollenaere M (eds) Proceedings of the 6th International Conference on Integrated Design and Manufacturing in Mechanical Engineering IDMME 2006, Alpexpo-Grenoble, 17.-19. May 2006 AIP-PRIMECA, Grenoble, pp 23–39
28.
Zurück zum Zitat Schmidt J (2012) Eine Entwurfssprache für Geometrie. Studienarbeit. Universität Stuttgart, Stuttgart Schmidt J (2012) Eine Entwurfssprache für Geometrie. Studienarbeit. Universität Stuttgart, Stuttgart
33.
Zurück zum Zitat Wirth C, Michaelis K (2009) Hypoidtragfähigkeit. Entwicklung eines Berechnungsverfahrens zur Grübchen- und Zahnfußbruchtragfähigkeit von Hypoidrädern: Forschungsvorhaben Nr. 411 I. Abschlussbericht, vol. 887. Forschungsheft. Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA), Frankfurt Wirth C, Michaelis K (2009) Hypoidtragfähigkeit. Entwicklung eines Berechnungsverfahrens zur Grübchen- und Zahnfußbruchtragfähigkeit von Hypoidrädern: Forschungsvorhaben Nr. 411 I. Abschlussbericht, vol. 887. Forschungsheft. Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA), Frankfurt
Metadaten
Titel
Automated requirements-driven design synthesis of gearboxes with graph-based design languages using state of the art tools
verfasst von
Kevin Holder
Stephan Rudolph
Ralf Stetter
Corinna Salander
Publikationsdatum
01.09.2019
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Forschung im Ingenieurwesen / Ausgabe 3/2019
Print ISSN: 0015-7899
Elektronische ISSN: 1434-0860
DOI
https://doi.org/10.1007/s10010-019-00322-z

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