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1Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
20.02.2015KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
IPEK – Institut für Produktentwicklung
Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
Simulationsunterstützte Entwicklung und Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer
Sabrina Vogel, Albert Albers
2Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Gliederung
Institutsvorstellung
Grundlagen und Motivation
Physisches Modell des Prüfstandes
Mathematischen Modelle
Validierung
Zusammenfassung und Ausblick
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3Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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IPEK Institute of Product Engineering KarlsruheFacts
2 professors and 1 managing director
8 research fields5 chief engineers65 scientists20 administration & technical staff
educationsince 1996 over 60 Ph.D.21 lecturesover 300 student assistants~1700 coached students
equipmentautomotive test labshigh performance computingtest vehiclesmech. & elec. workshops
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IPEK ForschungsansatzForschungsfelder
Research Designs the Future.
AntriebssystemeKupplungen und Bremsen in AntriebssystemenTribologische SystemeEntwicklungsmethoden für mechatronische SystemeMethoden und Prozesse der ProduktentwicklungValidierung und NVH technischer SystemeLeichtbauSystemische Mensch-Maschine-IntegrationKompetenzbasierte Lehre
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5Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Gliederung
Institutsvorstellung
Grundlagen und Motivation
Physisches Modell des Prüfstandes
Mathematischen Modelle
Validierung
Zusammenfassung und Ausblick
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6Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Grundlagen
Schlanke hochtourige Rotoren neigen zu unwuchterregeten Schwingungen sowie hohen dynamischen Kräften.
Dämpfung der Kräfte durch geeignete Maßnahmen
Maschinenelemente zur äußeren Lagerdämpfung
ElastomerelementeSchwimmende (mitrotierende oder stillstehende) ölumspülte Büchsen. Turbolader
Quetschöldämpfer[1], [2]
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7Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Quetschöldämpfer (QÖD)Realsystem Prüfaufbau
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8Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Zielsetzung
Optimierung von Quetschöldämpfernbessere Dämpfung bei geringerem ÖlbedarfVorhersagbarkeit verbessernRichtlinien für die GestaltungRichtlinien für die BerechnungUnterschiedliche Bauarten bzw. KonfigurationenKosten
umfangreiche experimentelle Parameterstudien an einem neuartigen Prüfstand und theoretische Untersuchungen notwendig
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Gliederung
Institutsvorstellung
Grundlagen und Motivation
Physisches Modell des Prüfstandes
Mathematischen Modelle
Validierung
Zusammenfassung und Ausblick
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Physisches Modell - Prüfstand
AnregungFrequenz: 150…250 HzAmplitude: 0,02…0,12 mmKraft: 0,4…11 kN
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11Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Physisches Modell - Prüfstand
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Anregung – Shaker-ReglerZwei Sinus-Signale mit verstellbarer Frequenz, Phase, Amplitude und MittellageUnabhängig einstellbarRegelgröße ist der Schwingweg, der mittels zwei induktiverWegaufnehmer sehr nahe am Innenring gemessen wird
Physisches Modell - Prüfstand
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13Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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AbstützungMessung der resultierenden Kräfte am AußenringDrei piezoelektrische Kraftsensoren um den Umfang des Außenrings
Physisches Modell - Prüfstand
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Auslegung Ankopplung Shaker/PrüflingProblem: Starr gekoppelte Shaker üben wechselseitigeQuerkraftbelastung aus.
• Starrer Flansch, Hohe Axialkräfte, Geringe Querkraftaufnahme• Hohe Kräfte/Dynamik, Abbildung der Kinematik• Eigenfrequenzen und Festigkeit
Lösung: Biegeweiche Elemente und zusätzliche Lagerung in Querrichtung, um die Querkraft auf den Shaker zu minimieren.
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Auslegung Ankopplung Shaker/Prüfling
Gewünschte Eigenschaften der Koppelstangen:Biegeweich in QuerrichtungEigenfrequenzen sollen Messung nicht/wenig beeinflussen
Genaue Abstimmung der Koppelelemente nötig Simulation
FSH1QSH2
FB FA
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16Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Topologieoptimierung Gabeln
Bauraummodellund Lastfälle
Optimierte Struktur
Reale Gestalt
Fertigungszeichnung Nachrechnung [2]
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17Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Teilsystem Anregung – CAD Modell
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18Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Orbitale Bewegungen der Welle
Teilsystem Anregung
[2], [3]
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19Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Gliederung
Institutsvorstellung
Grundlagen und Motivation
Physisches Modell des Prüfstandes
Mathematischen Modelle
Validierung
Zusammenfassung und Ausblick
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20Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Ziel: Werkzeug zur Validierung des Gesamtprüfaufbaus
Parallel zur Prüfstandsentwicklung
Mathematische Modelle
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21Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Co Simulation
Annahmen bei Dimensionierung richtig?Dynamisches Verhalten wie angenommen?
[2]
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22Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Grundlagen und Motivation
Physisches Modell des Prüfstandes
Mathematischen Modelle
Validierung
Zusammenfassung und Ausblick
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23Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Validierung des Prüfaufbaus
Vorgehen:
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24Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Prüfaufbau mit Polytec3D Scanning Vibrometer
Verifikation der Prüfstandskomponenten
Darstellung der EigenformenHier: Biegeform bei ca. 1880 Hz [2]
M.Sc. Steffen Jäger - Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer mittels rechnerbasierter Methoden
25Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Mechanisches Verhalten bestätigt
Abgleich Betriebsschwingversuch/MKS
MKSPrüfstand [2]
M.Sc. Steffen Jäger - Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer mittels rechnerbasierter Methoden
26Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Systemübergreifende und durchgängige Validierung technischer Systeme
X-in-the-loop Ansatz
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27Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Systemübergreifende und durchgängige Validierung technischer Systeme
X-in-the-loop Ansatz
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28Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Systemverhalten
QÖD-in-the-loop
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Validierung
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30Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie
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Zusammenfassung
Rechnergestützte Prüfstandsentwicklung mittelsModalanalyseTopologieoptimierungStrukturmechanische AnalyseMehrkörpersimulationNumerische Strömungsmechanik
Parallel Aufbau einer Validierungsumgebung
Verifizierung und Validierung des Prüfaufbaus
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Ausblick
Weiterentwicklung der Shaker-Regelung
XiL-UntersuchungenIndividuelle Prüfaufbauten weiterer Systeme aus der Automobil- und Luftfahrttechnik
Abbilden von TaumelbewegungenRotatorische Anregung in Kombination mit 3-dimensionalen translatorischen Bewegungen
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IPEK – Institut für Produktentwicklung
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Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitDipl.-Ing. Sabrina VogelFür weitere Informationen kontaktieren Sie [email protected]+49 (0)721 608 48420
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20.02.2015
[1] http://www.dlr.de/DesktopDefault.aspx/tabid-4799/7959_read-23960/gallery-1/gallery_read-Image.1.14239/
[2] A. Albers, S. Jäger, R. Blutke, „Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer mittels rechnerbasierter Methoden“ gehalten auf der 2. VDI-Fachtagung – Schwingungsdämpfung, 2011
[3] S. Jäger, „Eine Studie zur Validierung in der Produktentstehung am Beispiel der Entwicklung einer neuartigen Untersuchungsmethode für Quetschöldämpfer“ Forschungsbericht, IPEK, Karlsruhe, 2014
Quellen
Sabrina Vogel – Simulationsunterstützte Entwicklung und Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer