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

20.02.2015

Gliederung

Institutsvorstellung

Grundlagen und Motivation

Physisches Modell des Prüfstandes

Mathematischen Modelle

Validierung

Zusammenfassung und Ausblick

Sabrina Vogel – Simulationsunterstützte Entwicklung und Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer

3Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie

20.02.2015

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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4Institut 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 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

20.02.2015

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

20.02.2015

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

[2]

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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

20.02.2015

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

[2]

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9Institut 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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10Institut 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

AnregungFrequenz: 150…250 HzAmplitude: 0,02…0,12 mmKraft: 0,4…11 kN

[2]

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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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12Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie

20.02.2015

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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14Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie

20.02.2015

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.

3

2

1 1

123

[2]

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15Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie

20.02.2015

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

[2]

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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

[2]

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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

20.02.2015

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

20.02.2015

Ziel: Werkzeug zur Validierung des Gesamtprüfaufbaus

Parallel zur Prüfstandsentwicklung

Mathematische Modelle

[2]

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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

20.02.2015

Co Simulation

Annahmen bei Dimensionierung richtig?Dynamisches Verhalten wie angenommen?

[2]

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20.02.2015

Gliederung

Institutsvorstellung

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

20.02.2015

Validierung des Prüfaufbaus

Vorgehen:

[2]

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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

20.02.2015

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

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Mechanisches Verhalten bestätigt

Abgleich Betriebsschwingversuch/MKS

MKSPrüfstand [2]

M.Sc. Steffen Jäger - Validierung eines Prüfstandes für Quetschöldämpfer mittels rechnerbasierter Methoden

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20.02.2015

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

20.02.2015

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

20.02.2015

Systemverhalten

QÖD-in-the-loop

[3]

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29Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie

20.02.2015

Gliederung

Institutsvorstellung

Grundlagen und Motivation

Physisches Modell des Prüfstandes

Mathematischen Modelle

Validierung

Zusammenfassung und Ausblick

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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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31Institut 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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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 bittesabrina.vogel@kit.edu+49 (0)721 608 48420

33Institut für Produktentwicklungam Kar l s r uhe r I ns t i t u t f ü r Tec hno log ie

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