Modeling a washing machine leg and its ground contact for the simulation of the walking phenomenon

Abstract

The stability analysis of a walking washing machine is the subject of this thesis. The aim is to simulate the walking behavior, especially its initiation, using a washing machine multibody model that considers the dynamic behavior of the machine's leg and its frictional contact with the ground.First, the fundamentals of walking behavior are studied with a focus on the influence of the leg and contact friction. Analytical correlations based on simplified washing machine models and certain assumptions demonstrate the dependence of the walking start on leg stiffness and friction. This concept is further extended in this work by considering leg damping in the vertical direction, proving its effect on the onset of walking.Two approaches are introduced for the dynamic modeling of the legs along the vertical direction and their frictional contact. Both rely on simple, mechanically similar formulations but are implemented differently into the washing machine multibody model using a given contact function and a user-defined force element.The model parameters are mainly determined experimentally according to standards. The performed experiments are presented together with a stability test for model evaluation, in which the walking phenomenon of a real washing machine was captured.The simulation results of both modeling approaches exhibit good agreement with those of the practical test for predicting the walking start times. The defined concepts can, therefore, be considered suitable for this purpose. With regard to the reproduction of the machine motion, once walking started, however, both concepts show large deviations. Modification of the applied leg and friction models or the parameters is necessary to simulate the walking motion.

Die Stabilitätsanalyse von auftretenden Bewegungen einer Waschmaschine, bezeichnet als „Walking“-Phänomen, ist Gegenstand dieser Arbeit. Ziel ist es, das „Walking“-Verhalten, insbesondere dessen Beginn, mithilfe eines Mehrkörpermodells der Waschmaschine zu simulieren, welches das dynamische Verhalten des Maschinenfußes und dessen reibunsgbehafteten Bodenkontakts berücksichtigt. Zunächst werden die Grundlagen des „Walking“-Verhaltens mit Fokus auf den Einfluss der Füße und der Kontaktreibung untersucht. Analytische Zusammenhänge, welche auf vereinfachten Waschmaschinenmodellen und speziellen Annahmen basieren, zeigen die Abhängigkeit des „Walking“-Starts von der Fußsteifigkeit und der Reibung. Dieses Konzept wird in dieser Arbeit durch die Berücksichtigung der Fußdämpfung erweitert, wodurch deren Einfluss auf den Beginn des „Walkings“ nachgewiesen wird. Für die dynamische Modellierung der Füße in vertikaler Richtung und deren Reibkontakt werden zwei Ansätze vorgestellt. Beide beruhen auf einfachen, mechanisch ähnlichen Formulierungen, werden aber im Waschmaschinen-Mehrkörpermodell in Form einer gegebenen Kontakt-Funktion und eines benutzerdefinierten Kraft-Elements unterschiedlich realisiert. Die Bestimmung der Modellparameter erfolgt überwiegend experimentell nach Norm. Die durchgeführten Versuche werden gemeinsam mit einem Stabilitätstest zur Modellbewertung präsentiert, bei welchem das „Walking“-Phänomen bei einer realen Waschmaschine erfasst wurde. Die in den Simulationen resultierenden Zeitpunkte für den „Walking“-Beginn stimmen gut mit jenen des Praxistests überein. Die definierten Modellierungsansätze können daher für diesen Zweck als passend angesehen werden. Bei der Nachbildung des „Walking“-Verhaltens ab Bewegungsbeginn weisen allerdings beide Konzepte große Abweichungen auf. Für die Simulation dieses Verhaltens ist eine Modifikation der verwendeten Fuß- und Reibmodelle oder der Parameter notwendig.