Einfluss von Toleranzen auf das Betriebsverhalten von elektromagnetischen Ventilen

Küster, Markus Gerd Heinz GND

Aktuelle Forderungen nach erhöhter Qualität bei gleichzeitig sinkenden Herstellkosten in der Produktion von elektromagnetischen Ventilen machen es notwendig den Entwicklungsprozess dieser effektiver und effizienter zu gestalten. Ein notwendiger Schritt hierzu ist es Toleranzen in der Auslegungsphase zu berücksichtigen. Die vorliegende Arbeit knüpft an diesem Punkt an. Die Auswirkung von praxisrelevanten Toleranzen und die Berücksichtigung dieser in der Auslegungsphase werden anhand von Beispielen dargestellt. Gesondert wird auf Lagetoleranzen, welche unerwünschte Nebeneffekte wie Hysterese und Verschleiß nach sich ziehen, eingegangen. Hierbei werden verschiedene Berechnungsmethoden der ursächlichen Radialkraft dargestellt und mit Messergebnissen verglichen. Mit Hilfe der Netzwerkmethode wird der Einfluss von Toleranzen auf einen polarisierten Aktor betrachtet. Das entwickelte Simulationsmodell wird ferner für weitreichende produktionstechnische Überlegungen verwendet. Abschließend wird aufgezeigt, wie Toleranzen im Entwurfsprozess berücksichtigt werden können.

This paper ties in with the present demands of business and industry for increased reliability and quality in the manufacture of electromagnetic valves. Tolerances that can occur during the production of electromagnetic valves are analyzed, classified and identification ways such as these must be considered in the design process. Particular emphasis is being placed on the position tolerances. These lead to transverse forces on pot magnets with radial flow crossings. Different methods of calculation are analyzed and compared with measured results. Different stochastic methods and state of the art calculation methods are presented and applied first to simple models. The interaction of varying magnetic and geometric properties is considered by way of example on a chosen polarized actuator using the network method. Based on the model, the influence of input distributions and different alignment processes is determined. Finally, the production simulation is compared with a sample production. With reference to the experience gained in the previous studies, a methodology is demonstrated on a pot magnet which allows consideration of tolerances in the design process. The influence of the design point is shown on the sensitivity of the pot magnet. For different design points chosen a cost-tolerance optimization is performed. So that the tolerances can be involved in the design process, an algorithm is implemented. The optimization provides the design engineer with assistance for the definition of tolerances and a tool for active review and reduction of cost in the design process. The real serial production is integrated into the virtual design. At a very early stage of development, it is possible to predict the robustness of the system in terms of serial production. Thereby the entire development process will be more effective and efficient from the very beginning. In addition the distribution measurement which originates from the virtual development can be used for process consideration. The integration of the production process or the manufacturing strategy can take place in an earlier stage of the development process.

Die vorliegende Arbeit knüpft an die aktuellen Forderungen aus Wirtschaft und Industrie nach erhöhter Zuverlässigkeit und Qualität in der Fertigung von elektromagnetischen Ventilen unter zunehmenden Kostengesichtspunkten an. Toleranzen, die bei der Produktion von elektromagnetischen Ventilen auftreten können, werden analysiert, klassifiziert und Wege werden aufgezeigt, wie diese in der Auslegungsphase zu berücksichtigen sind. Ein besonderes Augenmerk liegt auf den Lagetoleranzen, die an Topfmagneten mit radialen Flussübertritten zu Querkräften führen. Es werden verschiedene Berechnungsmethoden untersucht und mit Messergebnissen verglichen. Verschiedene stochastische Verfahren und aktuelle Berechnungsmöglichkeiten werden vorgestellt und zunächst an einfachen Modellen angewendet. Das Zusammenspiel von variierenden magnetischen und geometrischen Eigenschaften wird beispielhaft an einem ausgewählten polarisierten Aktor mit Hilfe der Netzwerkmethode betrachtet. Aufbauend auf dem Modell wird der Einfluss von Eingangsverteilungen und unterschiedlichen Justageprozessen ermittelt. Abschließend wird die simulierte Fertigung mit einer Musterfertigung verglichen. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse wird an einem Topfmagnet eine Methodik aufgezeigt, welche die Berücksichtigung von Toleranzen im Entwurfsprozess ermöglicht. Es wird der Einfluss des Auslegungspunktes auf die Sensitivität des Topfmagneten gezeigt. Für die unterschiedlich gewählten Auslegungspunkte wird eine Kosten-Toleranz-Optimierung durchgeführt. Damit die Toleranzen im Entwurfsprozess mit einbezogen werden können, wird ein Algorithmus implementiert. Die Optimierung bietet dem Konstrukteur Unterstützung bei der Festlegung von Toleranzen und ein Hilfsmittel zur aktiven Bewertung und Reduktion von Kosten im Entwurfsprozess. Die reale Serienproduktion wird in den virtuellen Entwurf miteinbezogen. Bereits in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung ist es möglich, die Robustheit des Systems in Hinsicht auf eine Serienfertigung vorherzusagen. Der gesamte Entwicklungsprozess wird somit von Beginn an effektiver und effizienter. Die aus der virtuellen Entwicklung stammenden Verteilungsmaße können für Prozessüberlegungen genutzt werden. Die Integration des Fertigungsprozesses bzw. der Fertigungsstrategie kann in einer früheren Entwicklungsphase stattfinden.

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Küster, Markus Gerd Heinz: Einfluss von Toleranzen auf das Betriebsverhalten von elektromagnetischen Ventilen. Ilmenau 2017.

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