Parametrische Konstruktion mit CATIA V5

Michael Brill

Methoden und Strategien für den Fahrzeugbau

ISBN 3-446-40705-7

Leseprobe

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3.1 Bauteilanalyse

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3.1 Bauteilanalyse

Ziel einer objektorientierten Systemanalyse ist die Ermittlung der Objekte und deren

Abhängigkeiten. Diese objektorientierte Systemanalyse kann nun auch bei der Kon-

struktion von Bauteilen angewandt werden. Die Objekte eines Bauteils sind Bauteil-

bereiche, die eine bestimmte konstruktive Funktion erfüllen. Die Objekte eines Bau-teils werden als Unterstrukturen bezeichnet.

Zur Ermittlung der Bauteilfunktionen existieren nun verschiedene sich ergänzende

Wege:

KonstruktionslastenhefteKonstruktionslastenhefteKonstruktionslastenhefteKonstruktionslastenhefte

Vor jeder Bauteilentwicklung für ein neues Produkt werden Konstruktionslastenhef-

te mit den Anforderungen an die Bauteile angefertigt. Dokumentiert werden neue

Ziele hinsichtlich höherer Festigkeit, geringerem Gewicht und reduzierter Ferti-

gungskosten. Oft werden diese Ziele nur mit neuen Konstruktionskonzepten bezüg-

lich einer Vorgängerversion erreicht, so dass diese geänderten Konzepte auch im Lastenheft dokumentiert werden. Viele kleine Details einer komplexen Konstruktion

sind selbstverständlich, zählen zu den allgemein bekannten Gestaltungsregeln und

werden nicht gesondert dokumentiert. Lastenhefte beziehen sich im Detail oft auf

Vorgängervarianten. Somit liefert ein Konstruktionslastenheft wesentliche und

wertvolle Informationen über die Bauteilfunktionen, aber nicht alle zur CAD-

Konstruktion notwendigen Details. Das Auswerten der Lastenhefte zur Bauteilanaly-se wird durch die Frage geprägt, wie sich die einzelnen Anforderungen auf die ge-

ometrische Gestaltung des Bauteils auswirken.

3 Allgemeine Konstruktionsmethodik

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3.1.1 Form- und Begriffsuche

Existiert eine Vorgängerversion des Bauteils, so kann anhand dessen Form die Bau-

teilfunktionen ermittelt werden. Überall, wo das Bauteil ersichtlich lokal eine be-

stimmte Form annimmt, dient dies zur Erfüllung einer Bauteilfunktion. Anhand

eines Bildschirmabzuges (Hardcopy) des Bauteils können die Bauteilbereiche unter-

schiedlicher Formen markiert und benannt werden. Eine ähnliche Vorgehensweise

findet man oft bei der Einarbeitung in fremde Bauteile.

Eine weitere ergänzende Vorgehensweise zur Bauteilanalyse besteht in der Begriff-

suche bei einer Vorgängerversion. Die einzelnen Bauteilbereiche hat der erfahrene

Konstrukteur entsprechend der Bauteilfunktion benannt. Unbewusst kennt er die

Bauteilfunktionen. Die Vorgängerversion des Bauteils dient eher als Erinnerung und

zum systematischen Vorgehen.

Verprägung Tunnel

Anschluss Querträger

Anschluss Längsträger

Boden

Wartungs-deckel

Anschluss Längsträger

Wartungs-deckel

3.1 Bauteilanalyse

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3.1.2 Direkte Analyse

Eine direkte Analyse setzt Kenntnisse der möglichen Bauteilfunktionen voraus. Für

ein Aufgabengebiet, wie der Konstruktion von Tiefzieh- und Druckgussteilen oder

für Tiefziehwerkzeuge, wiederholen sich die möglichen Bauteilfunktionen und kön-

nen kategorisiert werden.

Die einfachste und sicherste Form der Analyse besteht nun in der Durcharbeitung

eines Kriterienkataloges und der Übertragung auf den konkreten Fall. Fehlende Informationen können bei anderen Prozessbeteiligten in der Konstruktion, Ferti-

gung, im Werkzeugbau, in der Berechnung oder den DMU-/Gesamtkonzept-

Abteilungen erfragt werden.

Kriterienkatalog

Formular verwenden

Bauteilfunktion

Befestigung

von Aggregaten

Bauraum für

Aggregate

Primär-funktion

RaumtrennungTragwerk

Bauteil- Verbindung

3 Allgemeine Konstruktionsmethodik

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PrimärfunktionPrimärfunktionPrimärfunktionPrimärfunktion und Basisstruktur und Basisstruktur und Basisstruktur und Basisstruktur

Jedes Bauteil hat eine markante Funktion, die den größten Einfluss auf die geomet-

rische Form besitzt, die Primärfunktion. Die ihr zugeordnete Unterstruktur wird als

Basisstruktur bezeichnet. Auf ihr bauen alle weiteren Unterstrukturen auf.

Das Bauteil wird fast immer nach der Primärfunktion benannt. Umgekehrt erhält

man die Primärfunktion bzw. die Basisstruktur aus dem Bauteilnamen. Typische

Beispiele sind alle Bauteile mit dem Namensbestandteil „-träger“ oder „-wand“.

Die Primärfunktion unterscheidet sich in Tragwerks- oder Raumtrennungsfunktion.

Bei einer Tragwerksfunktion dient das Bauteil in erster Linie der Festigkeit des Pro-

dukts und leitet Kräfte weiter. Basisstrukturen mit überwiegender Tragwerksfunkti-

on werden mit Profilen aufgebaut.

Typische Beispiele sind hierfür die Längs- oder Querträger im Fahrzeugrohbau.

Bei einer Raumtrennungsfunktion nimmt das Bauteil zwar auch Kräfte auf, die

wesentliche Aufgabe besteht aber darin, Räume voneinander abzutrennen. Im Fahr-

zeug werden Motorraum, Fahrgastraum und Kofferraum gegeneinander und nach

außen abgeschlossen.

Bauteile, die als Basisstrukturen eine Raumtrennungsfunktion besitzen, werden mit

großen, flachen Flächen aufgebaut.

Typische Beispiele sind hierfür die Stirnwand, Seitenwand, Rückwand, aber auch

Dach und Tür im Fahrzeugrohbau.

Bei allen Trennwänden kann die Basisstruktur vom Konstrukteur entsprechend dem

zur Verfügung stehenden Bauraum frei gestaltet werden. Bei allen Beplankungstei-len entspricht ein großer Bereich des Bauteils den vorgegebenen Designflächen.

Bei Gussteilen tritt für Bauteile mit Raumtrennungsfunktion der Begriff Gehäuse

auf.

Bauteilnamen

Tragwerksfunktion

Raumtrennungsfunktion

3.1 Bauteilanalyse

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Bauraum für ABauraum für ABauraum für ABauraum für Agggggregategregategregategregate

Der Bauraum von Aggregaten, die sich in

der Nachbarschaft befinden, muss berück-

sichtigt werden, indem man im Bauteil

Verprägungen um diese Aggregate kon-struiert. Verprägungen werden von der

Gestalt frei um das Aggregat aufgebaut,

Abhängigkeiten durch eine Verlinkung

zum Aggregat sollten vermieden werden.

Befestigung von AggregBefestigung von AggregBefestigung von AggregBefestigung von Aggregaaaatentententen

Aggregate werden an der Karosserie befestigt.

Hierzu sieht man in der Regel planare Flanschflä-

chen vor. Zur Steuerung der Lage entsprechend der Position des Aggregates wird die Flanschflä-

che in Form einer Verprägung gestaltet.

Verbindung zu den NachbarbauteVerbindung zu den NachbarbauteVerbindung zu den NachbarbauteVerbindung zu den Nachbarbauteiiiilenlenlenlen

Im Fertigungsprozess werden Bauteile zum

Teil durch Punktschweißen, Laserschwei-

ßen, Kleben oder Nieten unlösbar mitein-

ander verbunden. Hierzu sind am Bauteil Flanschflächen vorzusehen. Die Flanschflä-

chen sind die Offsetflächen des Nachbar-

bauteils.

Restliche DetailsRestliche DetailsRestliche DetailsRestliche Details

Details wie Sicken, Löcher und kleinere Verprägungen müssen nicht vor Konstruk-

tionsbeginn analysiert werden, da sich diese später in der Regel problemlos hinzu-

fügen lassen. Analysiert werden müssen nur Bauteilfunktionen, die eine Abhängig-keit oder Auswirkung auf nachfolgende Unterstrukturen oder Nachbarbauteile be-

sitzen. Z.B. wenn eine Verprägung durch eine weitere teilweise überbaut wird. Klei-

nere Verprägungen ohne nachfolgende Überbauung können vernachlässigt werden.

3 Allgemeine Konstruktionsmethodik

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Praktische Auswirkung der BauteilanalysePraktische Auswirkung der BauteilanalysePraktische Auswirkung der BauteilanalysePraktische Auswirkung der Bauteilanalyse

Übersehene grundlegende Bauteilfunktionen führen später zu stärkeren Umstruktu-

rierungen des Bauteils und reduzieren die Zeitvorteile der parametrisch-assoziativen

Konstruktion stark.

Die analytische Vorgehensweise verlangt während der Einarbeitungsphase viel Sorgfalt. Ein systematisches Vorgehen anhand eines Formulars ist empfehlenswert.

Mit zunehmender Erfahrung können später die Bauteilfunktionen von kleinen Bau-

teilen direkt erfasst und aufgebaut werden.

Sehr große Bauteile sind bei der Ersterstellung oft unzureichend strukturiert. Nach

entsprechend vielen konstruktiven Änderungen werden diese Bauteile zumeist wie-

der strukturell überarbeit.

Gerade Bauteile mit einer sehr hohen Anzahl an Bauteilfunktionen benötigen

höchste Sorgfalt und genügend Zeit bei der Vorplanung.

Ist der Anwender geneigt, ähnlich wie in CATIA V4, früh mit der geometrischen

Gestaltung zu beginnen, so führt dies zu späterem Mehraufwand durch schlecht

strukturierte Bauteile.

KategorisierungKategorisierungKategorisierungKategorisierung anhand der Benennung anhand der Benennung anhand der Benennung anhand der Benennung

Den Kategorien der Bauteilfunktionen können direkt Namensbestandteile der er-

kannten Bauteilbereiche zugeordnet werden.

Tragwerk Raum-

Trennung

Bauraum für

Aggregate

Befestigung

von Aggrega-

ten

Lokale

Verstärkung

Träger Wand Verprägung Aufnahme Sicke

Verstärkung Gehäuse Mulde Befestigung Versteifung

Säule Deckel Kasten Konsole Rippe

Rahmen Klappe Kanal Flansch

Strebe Tür Raum Anbindung

Stütz Boden Auflage

Profil

3.1 Bauteilanalyse

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3.1.3 Strukturierung

Die Analyse der Bauteilfunktionen liefert die Unterstrukturen des Bauteils. Jedes

dieser Objekte wird als eigenständige Geometrie unabhängig von den Unterstruktu-

ren des restlichen Bauteils aufgebaut.

Die so aufgebauten Flächen werden später in einer übergeordneten Struktur zum

fertigen Bauteil zusammengesetzt.

Der geometrische Zusammenbau der Unterstrukturen erfolgt über Ausrundungs-funktionen.

Tangentiale Ankonstruktionen, die in CATIA V4 üblich waren, sollten vermieden

werden. Tangentiale Ankonstruktionen benötigen den Zugriff auf die Randkurven

eines Flächenverbandes. Die tangentiale Ankonstruktion würde mit Blend und Füll-

funktionen erfolgen. Hierdurch würde die Konstruktion bei Änderungen sehr emp-

findlich auf Knicke in den Randkurven und starke Formänderungen reagieren. Ein Zusammenbau mit nur einer Funktion wäre nicht möglich. Der Zusammenbau wür-

de durch ein formabhängiges Aneinanderstückeln von Einzelflächen erfolgen.

Eine wesentlich stabilere Vorgehensweise liefert hingegen ein Zusammenbau mit

einer Ausrundungsfunktion. Die Teilkonstruktionen in den Unterstrukturen müssen

sich weit genug durchdringen, um miteinander ausgerundet zu werden. Dieser Ü-

berstand sollte groß genug sein, um auch bei parametrischen Änderungen, wie einer Positionsverschiebung, noch sicher eine Lösung bieten zu können. Die Randkontu-

ren einer Fläche spielen hierbei keine Rolle mehr. Der gesamte Flächenverband

muss nur tangentenstetig, d. h. knickfrei, sein.

Unterstrukturen

Zusammenbaustruktur

Zusammenbauen mittels

Verrundungen

3 Allgemeine Konstruktionsmethodik

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3.1.4 Beispiele

Die Geometrie der einzelnen Bauteilfunktionen wurde in den folgenden Beispielen

zur besseren Veranschaulichung ähnlich einer Explosionszeichnung außerhalb des

Bauteils angeordnet.

Struktur HauptbodenStruktur HauptbodenStruktur HauptbodenStruktur Hauptboden

Verprägung Tunnel

Bauteilbeschnitt

Verprägung Kabelkanal

Aufnahme Motorlager

Verprägung Abgasanlage

Auflage Mittelkonsole

Bodenschale

Parametrische Konstruktion mit CATIA V5

Michael Brill

Methoden und Strategien für den Fahrzeugbau

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Vorwort

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Vorwort

Im Laufe der letzten fünf Jahren hat das von Dassault Systemes entwickelte CAD-

System CATIA V5 die Vorgängerversion CATIA V4 im Karosseriebau mehr und

mehr ersetzt. Damit einhergegangen ist eine Umstellung von der reinen geometri-

schen Modellierung auf eine parametrisch-assoziative Konstruktion. Die Vorteile der

nachträglichen Anpassung und Änderung des Bauteils und der Wiederverwendung beeinflusste die gesamte Prozesskette der Fahrzeugentwicklung.

Mit der parametrisch-assoziativen Konstruktion wird aber auch eine bisher nicht da

gewesene Komplexität erreicht. Nur wer diese Komplexität beherrscht, kann die

Vorteile auch wirklich nutzen. Neben der Anwendung der bereitgestellten Funktio-

nen zur Geometrieerstellung sind nun Arbeitsschritte wie Bauteilanalyse, Struktu-

rierung oder Datenqualitätsoptimierung notwendig. Die parametrisch-assoziative Konstruktion führt zu Effizienzsteigerungen, stellt aber gleichzeitig wesentlich hö-

here Ansprüche an den Konstrukteur. Dieses Buch soll bei der Beherrschung der

Komplexität helfen und in der Praxis bewährte Wege aufzeigen. Dabei wird sowohl

dem Berufsanfänger wie dem Profi nützliches Wissen vermittelt. Viele Einzelheiten

können dem Berufsanfänger die Einarbeitung erleichtern, dem nach einer CATIA

V5-Ausbildung oft Kenntnisse über die in der Praxis notwendigen Vorgehensweisen fehlen. Dem erfahrenen CATIA V4-Konstrukteur kann dieses Buch mehr Verständ-

nis im Umgang mit einem parametrisch-assoziativem System bieten.

Dieses Buch setzt tiefere Kenntnisse der Funktionen in CATIA V5 voraus, wie sie

zum Beispiel im Buch von Egbert Brass [1] vermittelt werden. Es ergänzt somit

dessen Buch um weitere spezielle Methoden für den Praxiseinsatz.

Inhaltlich wird, nach einer sehr kurzen Einführung, eine allgemeine Konstruktions-methodik mit dem Schwerpunkt Bauteilanalyse und Strukturierung dargestellt.

Hiernach werden die Themen Datenqualität und Gestaltungsregeln bearbeitet. Diese

Themen werden anschließend mit speziellen Konstruktionsmethoden für Tiefziehtei-

le, Tiefziehwerkzeuge und Gussteile ergänzt. Beim Thema Tiefziehwerkzeuge wurde

der Schwerpunkt auf die Konstruktion der Umformflächen und auf Werkzeuge für

Prototypteile gelegt. Beim Thema Gussteile wurde der Schwerpunkt auf die Kon-struktion von dünnwandigen Gussteilen, wie sie im Fahrzeugbau in der Form von

Kunststoffspritzgussteilen Verwendung finden, gelegt.

Die vorgestellten Methoden stellen von vielen möglichen Vorgehensweisen eine in

der Praxis sehr erfolgreiche Vorgehensweise dar.

Dem Buch ist eine CD mit praxisnahen Beispielen beigefügt. Somit können die vor-

gestellten Methoden praktisch nachvollzogen werden.

Vorwort

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An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Gelingen dieses Bu-

ches beigetragen haben.

Vom Hanser Verlag gilt mein Dank meiner Lektorin Frau Sieglinde Schaerl für die

sehr gute Zusammenarbeit und Organisation sowie meiner Herstellerin Frau Monika

Kraus, die immer freundlich und geduldig so manches technische Problem für mich

löste. Auch für die Unterstützung von Herrn Mayer von der Druckerei Kösel möchte

ich mich bedanken.

Bedanken möchte ich mich weiterhin bei meinem früheren Schulungstrainer Dr. Egbert Brass, dessen Idee es war, dieses Buch zu schreiben. Er hat fachlich die

Grundlagen dazu gelegt.

Herzlichen Dank gebührt auch den vielen Freunden, Bekannten und Kollegen, die

dieses Buch zur Korrektur gegenlasen und mir viele nützliche Verbesserungsvor-

schläge lieferten. Diese Personen gehören selbst zu dem Kreis der Methodenent-

wickler und Konstruktionsspezialisten. Insbesondere möchte ich mich bei Hauke Arndt, Thomas Dietrich, Bertram Hans, Marcus Klug, Siegfried Landes, Uwe Mattes,

Tobias Mech, Sandra Ohmann, Hans-Peter Rehner und Michael Quilitzsch bedan-

ken.

Weiterhin gehört mein Dank den vielen Konstrukteuren, ohne deren bereitwillige

Mitarbeit bei der Methodenentwicklung, deren konstruktive Kritik und Geduld bei

Piloteinsätzen die vorliegenden Methoden nicht entstanden wären.

Michael Brill Sindelfingen, Juli 2006