Unsere Arbeitskreise – hier schlägt das Herz der FVA.

In der modernen Entwicklung sind die optimale Ausnutzung von Entwicklungsmethoden und die Umsetzung der entsprechenden Lösungen in der Fertigung essenziell. Das innovative Verfahren „Additive Manufacturing (AM)“ bietet hierbei optimale Lösungsansätze und gewinnt daher stetig an Bedeutung. Der Arbeitskreis befasst sich mit allen relevanten Aspekten zum Thema AM, z.B. Funktionsintegration, Festigkeit additiv gefertigter Bauteile bzw. deren Materialien, systematischen Ansätzen zur Nutzung von AM oder spezifischer Anwendung im Bereich der E-Mobilität. Hierbei bilden die Anforderungen der FVA-Mitglieder die Grundlage der Definition, Auswahl und Umsetzung von Projekten, z.B. 3D-gedruckte Sensoren, Leitfaden zur praxisnahen Umsetzung der Funktionsintegration, optimierte / leistungsgesteigerte Komponenten von Antriebssträngen oder Nutzung von AM als alternatives Verfahren zum Ersatz traditioneller Fertigungsprozesse. Die Betrachtung der Projekte erfolgt hierbei fachübergreifend, da die Thematik der additiven Fertigung sich nicht nur auf Aspekte eines Fertigungsverfahrens beschränken lässt.

In der modernen Produktentwicklung kommen zunehmend virtuelle, das heißt rechnerunterstützte Methoden zum Einsatz. Ziel der Industrie ist es, bereits erste Produktentwürfe möglichst perfekt zu gestalten. Der Arbeitskreis gibt FVA-Mitgliedern Werkzeuge an die Hand, um die immer komplexer werdenden Aufgaben bei der Produktentwicklung rechnerisch zu lösen. Das „Ritzelkorrektur - Programm“ zum Beispiel berechnet die Lastverteilung, verbessert Stirnradverzahnungen und beurteilt bzw. korrigiert Graufleckigkeit. Das Programm „STIRAK“ eignet sich für die Auslegung von Stirnradgetrieben. Das Programm „WT plus“ zeigt den Wärmeaustausch dazu an. Auch für Planetengetriebe gibt es entsprechende Programme.

Hier geht es um Fragestellungen zur Abdichtung von bewegten und unbewegten Maschinenelementen. Untersucht werden zum Beispiel Wellendichtsysteme und Gehäuseabdichtungen. Forschungsprojekte zeigen auf, wo die Einsatzgrenzen von Dichtungswerkstoffen und bestehenden Dichtsystemen liegen, erarbeiten Gestaltung- und Auslegungsempfehlungen und entwickeln Grundlagen für neue Dichtungskonzepte. Die branchenübergreifende Zusammenarbeit von Fachleuten aus der Maschinenbau- und Automobilindustrie mit Schmierstoffexperten und Spezialisten von Dichtungsherstellern schafft in diesem Arbeitskreis Synergien, die Innovationen auf dem Gebiet der Dichtungstechnik unterstützen.

Stationäre und mobile Energiespeichersysteme für die Antriebstechnik von Fahrzeugen und mobilen Maschinen sind die Themen dieses Arbeitskreises. Dazu zählen zum Beispiel Batterien, Supercaps und elektromechanische Kreiselspeicher. Im Mittelpunkt stehen die Sicherheit, Lebensdauer und Robustheit von Speichersystemen und deren Nebenaggregaten sowie von Steuer- und Regelungskomponenten und deren Software. Der Arbeitskreis forscht im Bereich Batterie-Zellverständnis und untersucht die Speicherintegration und Schnittstellenanbindung. Er entwickelt Berechnungstools bzw. Simulationsmodelle zum Verhalten im Gesamtsystem. Und er entwirft Systeme, Modelle und Standards für den gesamten Zyklus – von der Produktion bis zum Recycling der elektrischen Speichersysteme.

Die Fertigung antriebstechnischer Komponenten steht aufgrund wachsender Qualitätsanforderungen und kontinuierlich zunehmendem Kostendruck vor großen Herausforderungen. Der Arbeitskreis leistet einen Beitrag zur Verbesserung etablierter Produktionsprozesse und liefert die Basis für die Einführung neuer Fertigungstechnologien. Ziel ist es, die Produktivität zu steigern, die Prozesssicherheit zu erhöhen und die Ressourceneffizienz zu verbessern. Bei der Einführung neuer Fertigungstechnologien bewertet die wissenschaftliche Forschung Bearbeitungsverfahren und untersucht deren Einfluss auf fertigungsbedingte Bauteileigenschaften und das Einsatzverhalten.

Ziel dieses Arbeitskreises ist die weitere Optimierung von Freiläufen. Gegenstand der Forschungsprojekte sind vor allem der Verschleiß von Klemmkörpern und die Abhängigkeit der Lebensdauer von Belastung und Schaltanzahl. Während eines Vorhabens wurde ein Prüfstand entwickelt, der nach Beendigung des Vorhabens an verschiedenen Instituten für weitere Versuche zur Verfügung steht. In dem Vorhaben FVA 137/I-IV wurde zum ersten Mal ein Lebensdauermodell für Klemmkörperfreiläufe erarbeitet. Die allgemeine Gültigkeit wurde durch Experimente bestätigt. Auf dieser Grundlage ist es möglich, schon in der Entwurfsphase Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer zu machen. Neuere Projekte beschäftigen sich mit Freilaufbeschichtungen, Freilaufschmierung und mit dem Freilaufdrehmoment.

Dieser Arbeitskreis befasst sich anwendungsneutral mit allen Aspekten der elektromechanischen Energiewandlung (Motor- und Generatortechnik) und Leistungselektronik (Umrichtertechnik), insbesondere für industrielle Anwendungen. Hierbei geht es zum Beispiel um Verbesserungen der Verfügbarkeit, Kosten-Nutzerrelation, Lebensdauerverlängerung, Energieeffizienz, EMV, Steuer- und Regeltechnik sowie dazu hilfreiche Simulationswerkzeuge. Auch der Einsatz neuer Materialien und Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel dem 3D-Druck werden untersucht. Die erste Machbarkeitsstudie 3D-Druck Elektromotoren zeigt beispielsweise vielversprechende Ergebnisse für den Elektromaschinenbau, die ansonsten in dieser Güte für nicht wirkende KMUs nur schwer erreichbar wären.

Der Trend zu immer größerer Leistungsdichte sowie zu neuen, verbesserten Werkstoffen und Schmierstoffen werfen Fragen auf, die zur Bildung dieses Arbeitskreises Gleitlager geführt haben. Die bisher durchgeführten Arbeiten befassten sich im Wesentlichen mit hydrodynamisch arbeitenden Gleitlagern. Hierbei wurden Untersuchungen durchgeführt, die das gesamte Tribosystem (Schmierstoff, Gleitlagermaterial und Wellen) umfassten. So betreute der Arbeitskreis beispielsweise Untersuchungen, die sich mit der chemischen Verträglichkeit verschiedener Mineralöl-Lagerwerkstoff-Kombinationen und dem Einfluss von Wellen aus nicht rostendem Stahl auf die Tragfähigkeit befassten. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit im Arbeitskreis ist die stetige Verbesserung der Berechnungsgrundlagen, um sichere Vorausberechnungen zu ermöglichen.

Der Arbeitskreis erarbeitet Methoden und Werkzeuge des Innovationsmanagements aus technischer, betriebswirtschaftlicher und organisationspsychologischer Sicht. Ziel ist es, diese für die Mitgliedsunternehmen der FVA zugänglich und nutzbar zu machen. Dabei werden zwei Themenfelder betrachtet: Unter dem Leitgedanken Exploration werden in der Phase der Identifikation kontinuierlich Trends und Technologien mit den Methoden der „Strategic Foresight“ analysiert, bewertet und in Form von Studien angearbeitet.

Um eine Anwendbarkeit und Verwertung zu ermöglichen, werden im zweiten Themenfeld die Methoden und Prozesse des Innovationsmanagements kontinuierlich weiterentwickelt. Ausgehend von den Bedürfnissen der Mitgliedsunternehmen, werden aus Wissenschaft und Praxis neu diskutierte Konzepte aufgenommen und anschließend branchenspezifisch adaptiert.

Der Arbeitskreis erstellt Richtlinien und Softwarewerkzeuge für Entwicklungsingenieure, um die Kegelradverzahnung in Getrieben anforderungsgerecht auszulegen. Dies umfasst Fragestellungen aus allen Bereichen der Produktentstehung und des Produktlebenszyklus eines Kegelrads, darunter Herstellsimulation, Tragfähigkeitsnachweis, Wirkungsgradoptimierung und Geräuschverhalten. Die spezifischen Anforderungen an Werkstoff und Schmierstoff sind ebenfalls Forschungsgegenstand des Arbeitskreises. Die Klärung grundlegender Einflussgrößen und Schadensmechanismen auf Kegelradverzahnungen bildet die Basis für eine spätere Standardisierung.

Der FVA-Arbeitskreis Kostenmanagement erarbeitet Instrumente zur Kosteninformation und Kostengestaltung. Es werden Techniken entwickelt, die in der Produkt- und Prozessentwicklung zum Einsatz kommen. Da dies überwiegend in den frühen Phasen der Entwicklung ist, werden erhebliche Einsparpotenziale realisiert. In den Forschungsvorhaben der vergangenen Jahre wurden Kostenwachstumsgesetze, umfangreiche Relativkostenkataloge, Kurzkalkulationsformeln und Gestaltungsregeln für das kostengünstige Konstruieren erstellt. In jüngerer Zeit wurden mit Forschungsprojekten zur verursachungsgerechten Kostenrechnung, zur Prozesskostenrechnung, zum Target-Costing, zum Benchmarking und zum konstruktionsbegleitenden Beschaffungscontrolling Meilensteine gesetzt. Die Vorhaben unterstreichen den Anspruch des Arbeitskreises, rechtzeitig und effektiv unnötige Kosten zu vermeiden.

In der Antriebstechnik kommen immer mehr Lösungen zum Einsatz, die Polymerwerkstoffe verwenden. Der Arbeitskreis Kunststoffe in der Antriebstechnik erarbeitet über Forschungsprojekte werkstoffliches Grundlagenwissen für die Auslegung von Antriebselementen aus Polymerwerkstoffen. Die werkstoffspezifische Auslegung von Bauteilen für die Antriebstechnik erfordert zum Teil veränderte Lösungswege und Methodiken. Mit den für diese Werkstoffgruppe verfügbaren Verarbeitungsverfahren ergeben sich neue Lösungsansätze, um Bauteile und deren Funktionen zu realisieren. Die enge Verknüpfung von Material-, Verarbeitungs- und Auslegungswissen wird im Arbeitskreis durch die vertretenen Fachleute repräsentiert und findet in der dort vorangetriebenen Vorwettbewerblichen Grundlagenforschung seinen Ausdruck.

Leistungselektronik beeinflusst maßgeblich die Funktionalität, Effizienz und Leistungsfähigkeit elektrischer Antriebssysteme.

Ziel des Arbeitskreises ist, innovative Technologien voranzutreiben und den Einsatz, die Effizienz und die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik in Elektromobilität und der industriellen Antriebstechnik durch vorwettbewerbliche Projekte zu fördern.

Die Arbeitsbereiche des Arbeitskreises sind vielfältig und reichen von den Eigenschaften von Halbleitermaterialien, Aufbau- und Verbindungstechnologien, aktiven und passiven Bauelementen und Schaltungstechniken und Topologien bis hin zu kompletten leistungselektronischen Geräten und Systemen. Ebenso gehört die Interaktion mit den internen und externen elektrischen Netzen zum Aufgabengebiet. Darüber hinaus werden Themen der Regelung und Steuerung genauso behandelt wie Modellierung, Simulationstechnologien sowie Monitoring und Diagnose.

Der Arbeitskreis Mechatronik hat das Ziel, die Funktionalität eines technischen Systems durch eine enge Verknüpfung von mechanischen, elektronischen und datenverarbeitenden Komponenten zu steigern und Kostenvorteile zu realisieren. Neben einer robusten Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) mit dem Ziel einer räumlichen und funktionalen Integration werden Entwurfsverfahren und Betriebsstrategien entwickelt, die die Energieeffizienz und Zuverlässigkeit mechatronischer Systeme steigern. Bedingt durch die zunehmende Elektrifizierung von Antriebssystemen und die fortschreitende Entwicklung der E-Mobilität spielen Leistungshalbleiter und die daraus aufgebauten, komplexen Systeme wie zum Beispiel Wechselrichter auch in der Mechatronik eine zunehmend größere Rolle. Die hierfür eingesetzten Technologien, Topologien und Betriebsalgorithmen erfahren hierbei eine dynamische Weiterentwicklung.

Dieser Arbeitskreis erforscht innovative Messtechnologien, die von allgemeinem Nutzen sind und bei denen es erfolgversprechend erscheint, sie in die industrielle Anwendung zu überführen. Messen dient dabei der Informationsgewinnung und -absicherung in Forschung, Entwicklung und Fertigung. Themenschwerpunkte des Arbeitskreises sind die Fertigungs- und die Versuchsmesstechnik. Folgende Forschungsschwerpunkte werden verfolgt: Die Erforschung neuer Technologien und Verfahren; Die Ermittlung und Reduzierung der Messunsicherheit; Die Beherrschung von Komplexität; Die Erstellung von Normen und Standards; Die Absicherung des geistigen Eigentums an Messtechnik und ihren Methoden.

Lösungen für die sichere und Ressourcenbewusste Auswahl von Kupplungen für den Antriebsstrang sind das Thema dieses Arbeitskreises. Neben metallischen, nicht schaltbaren Kupplungen (Zahnkupplungen, Laschen und Lamellenkupplungen etc.) bilden die elastischen Kupplungen einen Schwerpunkt der Forschungsarbeit. Die Ergebnisse abgeschlossener Forschungsvorhaben machen es möglich, die Abhängigkeit des dynamischen Verhaltens einer elastischen Kupplung (kennzeichnende Eigenschaften: Elastizität und Dämpfung) von den wesentlichen Beanspruchungswerten wie Drehmoment, Wechseldrehmoment und deren Frequenz, Temperatur und Belastungsdauer zu ermitteln. Diese Kennwerte und speziell für elastische Werkstoffe entwickelte Rechnermodelle erlauben es, das Verhalten eines Antriebsstranges in Verbindung mit der elastischen Kupplung ohne aufwendige Versuche sicher auslegen zu können.

Ein Getriebe soll im Idealfall so leise wie möglich laufen. Um das zu gewährleisten, befasst sich dieser Arbeitskreis mit Schallentstehung, Schallübertragung und Schallabstrahlung von Getrieben und Antriebssystemen. Die Schwerpunkte der Forschungsarbeit zielen darauf, die Geräusch- und Schwingungsanregung zu vermindern und die Maschinen-akustischen Eigenschaften in Richtung „Leises Getriebe“ zu optimieren.
Zudem untersucht der Arbeitskreis das akustische Systemverhalten von Motor- und Getriebeeinheiten und deren gegenseitige Beeinflussung. Um den Schall zu dämpfen, werden darüber hinaus Berechnungsverfahren entwickelt, die eine Geräusch-günstige Auslegung ermöglichen.

Die Projekte des Arbeitskreises zu nass- und Trockenlaufenden Lamellenkupplungen und Bremsen umfassen die Bereiche Dimensionierung, Auslegung, Betriebsverhalten, Leistungsgrenzen, Prüfverfahren und Schädigungsmechanismen. Dank der erarbeiteten Erkenntnisse zum Thema Leistungsgrenzen weiß die Branche heute sehr viel mehr über Reib-Mechanismen und Belastungskenngrößen zur sicheren Auslegung von Trockenkupplungen. Dadurch können der Entwicklungsaufwand erheblich reduziert, die Lebensdauer besser eingeschätzt und die Wartungsintervalle verlängert werden. Das Projekt zum Thema Auslegungsrichtlinien liefert den FVA-Mitgliedsfirmen ein hilfreiches Werkzeug, um nasse Lamellenkupplungen und -bremsen sicher auszulegen. Ergänzend dazu wurde die Entstehung von Wärmeflecken auf den Stahllamellen beschrieben. Die neuesten Vorhaben befassen sich mit dem Leerlaufverhalten, dem Zu- und Abschaltverhalten sowie den Leistungsgrenzen bei Dauerschlupf von nassen Lamellenkupplungen.

Fragen zur Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Schmierstoffen (Öle und Fetten) und Komponenten, der Schmierstoffzuführung und Getriebeverluste sind die Forschungsthemen dieses Arbeitskreises. Ziel ist es, über die richtige Schmierstoffauswahl die Belastbarkeit und den Wirkungsgrad von Getrieben positiv zu beeinflussen. Es werden insbesondere die Auswirkungen auf Zahnräder, Wälzlager, Gelenklager und sonstige Getriebekomponenten erforscht. In den bisherigen Forschungsprojekten wurden Öltests für Zahnräder und Wälzlager entwickelt und es wurde untersucht, inwiefern Schmierstoffe für Alterung (Lebensdauerschmierung), Verschleiß, Pitting, Fressen und Graufleckigkeit verantwortlich sind. Außerdem forscht der Arbeitskreis an biologisch abbaubaren Schmierstoffen und deren Grenzschichtbildung. Vertreter der Getriebe-, Wälzlager-, Schmierstoff- und Additiv-Industrie arbeiten in diesem Arbeitskreis zusammen.

Ziel dieses Arbeitskreises ist es, mit seiner Forschung die Eigenschaften von Schneckengetrieben weiter zu verbessern. In experimentellen Untersuchungen zu Forschungsvorhaben wurden Verschleiß, Grübchenbildung, Fressen und Zahnfußtragfähigkeit ermittelt. Die Ergebnisse dieser Forschung bilden die Basis für die DIN-Norm „Tragfähigkeitsberechnungen von Schneckengetrieben“. In weiteren Projekten geht es um Tragfähigkeitsgrenzen und die Optimierung von Werkstoffen. Dank neuer Erkenntnisse aus Forschungsvorhaben des Arbeitskreises zur Tragfähigkeit und zur Werkstoffoptimierung konnten die Drehmomente der Schneckengetriebe in den vergangenen 20 Jahren schrittweise um rund 50 Prozent gesteigert werden. Aktuellere Projekte beschäftigen sich mit neuen Werkstoffen, Härteverfahren, Fertigungsverfahren, Schmierstoffen und mit der Tragfähigkeitssteigerung bei Schneckengetrieben.

Das Thema Industrie 4.0 ist für die Antriebstechnik von großer Bedeutung. Hierbei müssen Informationen über die Ein- und Ausgangsgrößen von Antriebssystemen sowie über den Maschinenzustand gewonnen werden. Dafür ist eine geeignete Sensorik erforderlich. Antriebssysteme werden jedoch meist in recht kleinen Stückzahlen hergestellt und unterliegen einem hohen Kostendruck. Eine eigene Sensorentwicklung ist insbesondere für KMU zu aufwendig. Der Arbeitskreis „Sensorik für Antriebssysteme“ trägt diesem Bedarf Rechnung. Sein Ziel ist die Entwicklung kostengünstiger Sensorik für die Integration in Produkte. Der Forschungsbereich umfasst Sensoren, Auswerteverfahren, Schnittstellen und Verfahren, Zustandsgrößen von Antriebssystemen zu bestimmen. Das Spektrum der Aktivitäten reicht von der Sensorphysik über die Signalaufbereitung und -auswertung bis hin zu Fertigungstechnologien für Sensoren.

Der Arbeitskreis Stirnräder erstellt Richtlinien für Konstrukteure, um die Stirnradverzahnung in Getrieben anforderungsgerecht auszulegen. Dies umfasst Fragestellungen aus allen Bereichen des Produkt-Lebenszyklus, für alle Anwendungsgebiete und Werkstoffe sowie für alle Stirnradgrößen, -formen, -typen und -anbindungen. Die Aufklärung grundlegender Einflussgrößen und Schadensmechanismen auf Stirnradverzahnungen bildet die Grundlage für eine spätere Standardisierung. Neben der Abschlussdokumentation nehmen die erstellten Softwaretools eine wichtige Rolle ein, um Konstrukteure bei der anforderungsgerechten Auslegung von Getrieben und im Wissenstransfer zu unterstützen. Gegebenenfalls werden die Ergebnisse in der Normung umgesetzt.

Um den ständig steigenden Anforderungen an Wälzlagern gerecht zu werden, wurde der Arbeitskreis gegründet. Zu den behandelten Themen gehören die Lagerkinematik, Wärmeentwicklung, Tragfähigkeit, Schadensmechanismen und Reibung. Die Arbeiten des Arbeitskreises sind in der Regel darauf ausgerichtet, die Auslegung von Wälzlagern zuverlässig zu machen. So konnte unter anderem das Vorhaben FVA 144 „Mikrogeometrie-Spannungsspitzen“ die Kenntnisse über die Beanspruchung bei Partikelüberrollung im Wälzlager deutlich erweitern. Dies trug letztlich dazu bei, den Einfluss von Fremdkörpern im Öl auf die Ermüdungslebensdauer quantifizieren zu können und in die Lagerauslegung mit einzubeziehen. Damit können Lager heute beanspruchungsgerecht dimensioniert werden. Durch den Wegfall unnötiger Sicherheitsreserven wird die Wirtschaftlichkeit der gesamten Lagerung in vielen Fällen deutlich verbessert.

Welle-Nabe-Verbindungen bestimmen maßgeblich Gestaltung und Gesamtverhalten des Antriebsstranges. Wesentliches Ziel der in diesem Arbeitskreis behandelten Vorhaben ist die Erarbeitung von gesicherten Berechnungsgrundlagen und Gestaltungshinweisen für Wellen, Naben und form-, reib- und Stoffschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen aller Anwendungsgebiete und -größen. Vor dem Hintergrund der ständig geforderten Leistungssteigerung sind dabei genaue Untersuchungen über Schädigungsmechanismen, Verformung sowie Verschleißverhalten unter praxisnahen Lastbedingungen notwendig. Die Ergebnisse der Forschungsvorhaben ermöglichen eine sichere und wirtschaftliche Dimensionierung. Sie werden in Form von Software dem Entwicklungsingenieur zur Verfügung gestellt und bilden die Grundlage für eine spätere Standardisierung.

Der Arbeitskreis befasst sich vorrangig mit metallischen Werkstoffen wie Stähle, Guss- und Sinterwerkstoffen oder gradierte Werkstoffen. Zur Einstellung der benötigten Bauteileigenschaften werden thermische, thermochemische und weitere Verfahren zur Ertüchtigung der Bauteile untersucht. Ein weiterer Forschungsfokus liegt auf dem Verständnis von Belastungen gegenüber Belastbarkeit sowie Schadensmechanismen, die bei Maschinenbauteilen der Antriebstechnik wie Verzahnungen, Wellen, Wälzlagern und Gussteilen auftreten. Übergreifendes Ziel der Aktivitäten des Arbeitskreises ist es, Verfahren zu entwickeln und zu optimieren, die dazu beitragen, Werkstoff- und Bauteileigenschaften zu verbessern, um damit Effizienz, Lebensdauer und Betriebssicherheit zu erhöhen.

Der Arbeitskreis Workbench befasst sich mit der kontinuierlichen Aufbereitung, Entwicklung und Qualitätssicherung der FVA-Berechnungsmodule für die Antriebstechnik sowie deren Integration in die übergreifende Softwareplattform FVA-Workbench®. Als Community-Plattform bietet der Arbeitskreis eine Möglichkeit zum konstruktiven Dialog zwischen Softwareentwicklern und Anwendern. Funktionswünsche und Anforderungen aus der industriellen Praxis können hier aktiv in die Softwareentwicklung eingebracht und realisiert werden.