Entwicklung eines Antriebkonzeptes für einen tribologischen Versuchsstand

Abstract

Die Aufgabe in dieser Arbeit war das Erarbeiten eines Antriebkonzeptes, für einen in Entwicklung befindlichen tribologischen Versuchsstand. Ziel dieses Konzeptes war ein Antrieb größtmöglicher Flexibilität bei geringem konstruktiven Aufwand und verschleißfreier Betrieb.<br />Bei dem anzutreibenden Versuchstand handelt es sich um einen magnetisch gelagerten tribologischen Versuchsstand, welcher einen Versuchskörper in einer linear oszillierenden Bewegung über eine Probe führt. Dabei beträgt der maximal mögliche Hub 100 mm. Die maximale Hubfrequenz soll bei reduziertem Hub bei 50 Hz liegen. Die Verbindung des Versuchsstandes und des Antriebs soll mittels einer Koppelstange erfolgen welche auf beiden Enden über Kugelgelenke gelagert ist um störende Einflüsse durch den Antrieb zu minimieren.<br />Im Zuge der Arbeit wurde ein Überblick über die derzeit industriell verfügbaren Antriebe erstellt und jene, welche sich prinzipiell eignen, genauer analysiert. Bei der Analyse wurden unterschiedliche Faktoren, wie Leistungsfähigkeit, finanzieller und konstruktiver Aufwand, sowie auftretende Betriebskosten betrachtet. Diese Untersuchung ergab, dass eine Linearsynchronmaschine sich für die vorliegende Aufgabe am besten eignet.<br />Da dieser Motortyp über keine integrierte Lagerung verfügt, wurde im Anschluss ein Überblick über unterschiedliche Lagerungstypen erstellt und unter den gleichen Gesichtspunkten wie bei der Antriebswahl ein Lagertyp mit elastischer Lagerung gewählt und ausgelegt.<br />Bei der Auslegung wurde ein analytisches Modell erstellt um eine erste grobe Auslegung durchführen zu können. Im Anschluss wurde die Lagerung mittels FEM nichtlinear betrachtet und eine optimale Geometrie bestimmt.<br />Um die Ergebnisse der FEM Analyse zu verifizieren und unterschiedliche Materialien auf ihre Dauerfestigkeit bei den auftretenden Bedingungen zu untersuchen, wurde ein Versuchsstand konstruiert und aufgebaut.<br />

The aim of this diplomthesis was the development of a drive concept for a tribological experimental rig, which was under construction at the time. The goal of this concept was a propulsion drive with maximum flexibility in combination with low engineering complexity and wear-free employment. Within the experimental rig a magnetically beared translator drives a test item over a sample with a linear oscillating movement. The maximum possible traveling distance is 100mm. The maximum frequency with reduced move is 50Hz. The connection between the experimental rig and the propulsion drive is provided by a coupling bar with ball joints on each end in order to minimize objectionable influences by the drive. In the course of this thesis, an overlook of various commercially available drives was given and the most suitable products were analyzed.<br />Different criteria, like effectiveness, cost, complexity and maintenance effort were considered. In the wake of this analysis, a linear synchronic machine was found to be the best choice for the given task. Since this type of motor doesn't have an integrated bearing, also an overview of different types of bearings was created. Using the same concerns like before, when choosing the drive, a bearing with elastic support was found to be the best choice. In order to create a preliminary design, an analytical model was created. Subsequently, the bearing was examined in a nonlinear FEM analysis and an optimal geometric design was found. To verify the results of the FEM analysis and to examine the endurance limit of different materials under the occuring conditions, a test rig was designed and constructed.<br />