Berechnung und Simulation des dynamischen Verhaltens und der Regelung eines Verschleiß- und Tribometerprüfstandes

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einem Prüfstandkonzept der MAGNA Powertrain AG (MPT) welches zur Reibwertbestimmung und Verschleißmessung bei Hypoidtriebsätzen dienen soll. Ziel des Prüfstandes ist die Optimierung der Triebsätze in Hinblick auf größere Effizienz und geringere Verlustreibung.<br />Als Ausgangspunkt der Arbeit dienen ein CATIA-CAD-Modell des Prüfstandes und alle zugehörigen Überlegungen und Berechnungen.<br />Die erste Aufgabe dieser Arbeit ist die Untersuchung der Struktur des Prüfstandes mit Hilfe einer FEM-Analyse in SOLID WORKS. Ziel der Arbeit ist die Klärung, ob die vorliegende Struktur den Ansprüchen bezüglich Festigkeit und Schwingungsverhaltens genügt.<br />Zuerst wird das vorhandene CATIA-CAD-Modell vereinfacht und in SOLID WORKS übertragen. Dort wird das Modell vernetzt, mit Randbedingungen versehen und simuliert. Dabei werden zwei Punkten der Konstruktion besondere Beachtung geschenkt: dem Hochschwenkrahmen und den beiden Tragarmen. Im Laufe der Untersuchungen zeigt sich ein Schwachpunkt in der Konstruktion für den Verbesserungsvorschläge erarbeitet werden.<br />Die zweite Aufgabe ist die Erstellung eines dynamischen Modells des Prüfstandes um in weitere Folge passende Antriebsmotoren und Motorregelsysteme für den Prüfstand auswählen und testen zu können.<br />Ausgehend von dem CAD-Modell des Systems werden zuerst Ersatzmodelle des gesamten Systems in Form von Mehrmassenschwingern formuliert und diese dann in dem Programm SIMULINK aufgebaut. Eine Herausforderung stellt dabei die richtige Implementierung des Nockentriebes und des Reibkontaktes dar. Das fertige SIMULINK-Modell berechnet aus den Vorgaben der Drehzahlen an den Eingängen das dynamische Verhalten des Systems und gibt an den Ausgängen die benötigten Drehmomente aus. Dies ermöglicht eine Verknüpfung des Modells mit den zu untersuchenden Motor- und Reglermodellen.<br />

This thesis describes an analysis of a concept test rig developed by MAGNA Powertrain AG (MPT). The purpose of the test rig is to determine friction coefficients and to measure wear of hypoid gears.<br />The objective is to use the test rig to optimize efficiency and minimize friction losses of gear sets. The analysis is based on a CATIA CAD-model of the system and all associated considerations and calculations developed by MPT.<br />The first task is to study the structure of the test rig with Finite Element Analysis using SOLID WORKS software. The goal of the analysis is to determine whether the present structure meets all stability requirements.<br />First the CATIA CAD-model is simplified and transferred into SOLID WORKS. Then the model is meshed, provided with boundary conditions and simulated. Two elements of the design are of special interest: the "Hochschwenkrahmen" and the two supporting arms. In the course of the investigation a weak point in the structure is revealed. A recommendation is provided for how to solve this problem and improve the design of the test rig.<br />The second task is to create a dynamic model of the test rig to enable MPT to select appropriate motors and motor control systems for the test rig. Based on the CAD data an analogous model formulated by multi-mass oscillators is created and then built into SIMULINK. One challenge is the proper implementation of the cam drive and the friction contact. The finished SIMULINK model calculates the dynamic behavior of the system and the required drive tourque based on the given speeds as inputs. This enables the connection with the investigated motors and controller systems.