Simulation von Antriebssystemen

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Die ständig steigenden Anforderungen an dynamisch beanspruchte Antriebselemente in Maschinen, Anlagen und Fahrzeugen zwingen zu neuen Denkund Vorgehensweisen bei der rechnerischen Analyse. Das konstruktive Knowhow reicht in der Regel nicht aus, urn die zeitabhängigen Beanspruchungen von Maschinenkomponenten (z.B. Kupplungen, Getrieben, Kardanwellen) unter Berücksichtigung der vorhandenen Erregerquellen (z.B. elektrische Motoren, Kolbenmaschinen, spezielle ProzeBvorgange) qualitativ und quantitativ ermitteln zu können.

Andreas Laschet

2. Anwendung von Simulationstechniken

Zusammenfassung

Eine abstrakte Definition für Simulation lautet /2.0-1/: Simulation ist die Untersuchung des Verhaltens eines physikalischen Systems „im Zeitbereich, wobei hier der Begriff physikalisch im Gegensatz zu mathematisch gemeint ist.“

Andreas Laschet

3. Schwingungssimulation — Übersicht, Anforderungen, Einsatzmöglichkeiten

Zusammenfassung

Die rechnerunterstützte,digitale Simulation dynamisch beanspruchter Systeme-hier kurz Schwingungssimulation gennant-kann auf verschiedene Art und Weise softwaremäßig realisiert werden. Basis der zeit kontinuierlichen Rechnersimulation ist die Lö sung von linearen oder nichtlinearen Bewegungsdifferentialgleichungen, die das Verhalten schwingungsfähiger Strukturen mathematisch abbilden. In der Literatur werden die Grundlagen der Schwingungstechnik ausführlich beschrieben /3.1-1, 3.1-2/, so daß im folgenden nur die wesentlichen Details, die im Rahmen der Schwingungssimulation zu sehen sind, behandelt werden.

Andreas Laschet

4. Vorgehensweise bei der Modellgenerierung für die Simulation von Torsionsschwingungen

Zusammenfassung

Da die meisten Maschinen und Anlagen aus rotierenden Antriebselementen bestehen, ist die dynamische Beanspruchung deratiger mechanischer Systeme meist durch Drehchwingungen (Torsionsschwingungen) zu beschreiben. Die Statistik der im Maschinen- und Anlagenbau auftretenden Schäden zeigt die drehschwingungsmäßigen Beeninflussungen. Aus diesem Grunde wird auch im folgenden die Vorgehenweise bei der Erstellung von reinen Torsionsschwingungsmodellen detailliert vorgestellt. Eine Erörterung von Ansä tzen fü die Berechnung von Biegechwingungssytemen bzw. gekoppelten Torsion-Biegechwingungsystemen erfolgt im Kapitel 11.

Andreas Laschet

5. Lösungverfahren für die Bewegungsdifferentialgleichungen

Zusammenfassung

Die mathematische Beschreibung von Schwingungsvorgängen erfolgt mit Hilfe von Bewegungsdifferentialgleichungen 2. Ordung. Dabei unterscheidet man verschiedene Klassen von Differentialgleichungen, die in Bild 5.1-1 tabellarisch zusammengefaßt sind. Weitergehende Informationen und vertiefte Betrachtungsweisen der jeweiligen Differentialgleichungstypen sind der einschlägigen Literatur zu-entnehmen /5.1-1 bis 5.1-8/. Im folgenden wird kurz auf einige analytische Ansätze zur Lösung von Bewegungsdifferentialgleichungen eingegangen.

Andreas Laschet

6. Erregerelemente

Zusammenfassung

Um transiente Vorgängen mit Hilfe einer Simulationsrechung nachbilden zu können, sind ôußere Anregungfunktionen und den Arbeitprozessen zuzuorden sind. Diese analytisch besschriebenen Funktionen werden aunch Lasteingangsfunktionen gennant. Die zugehörigen Antribselemente werden hier als „Erregerelemente" Bezeichnet, die nach Bild 4.1-1 eine Untergruppe der Drehmasse-Elemente darstellen.

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7. Übertragungselemente

Zusammenfassung

Das Übertragungsverhalten dynamisch beanspruchter Antriebsstränge wird bestimmt durch die Wirkungsweise und Anordung der zwingchengeschalteten Antriebselemente, die sich grob in die folgenden beiden Haupygruppen aufteilen lassen:

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8. Ermittlung von Belastungskollektiven und Abschätzung der Lebensdauer

Zusammenfassung

Aufgrund unterschiedlicher, betriebsabhängiger Beanspruchungen werden Bauteile mehr oder weniger stark dynamisch belastet. Gerade bei Anfahrvorgängen oder prozeßbedingten Stoßbeanspruchungen kann die Dauerfestigkeit der einzelnen Maschinenteile kurzfristig überschritten werden. Im Rahmen einer Betriebsfestigkeitsrechung werden die dynamischen Einflüśse und die werkstoffspezifischen Kennwerte systematisch untersucht /8.0-1, 8.0-2/. Mit Hilfe von verschiedenen mathematischen Ansätzen läßt sich eine Lebensdauerberechnung anschließen, die jedoch stets auf empirisch gewonnene Festigkeitdaten des betreffenden Bauteils basieren. Die Problematik einer näherungsweisen Berechnung der Bauteil-Lebensdauer besteht darin, daö die WöHLER-Linie aus sogenannten „Einstufenversuchen" ermittelt wird (d.h. konstante Mittelspanung σm).

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9. Schwingungsanalyse im Frequenzbereich

Zusammenfassung

Das hier beschriebene Verfahren zur Simulation von Tiorsionsschwingungen in Antiebssyteme bezieht sich auf die Untersuchung dynamischer Vorgänge im Zeitbereich. Zur Interpretation der Zeitverläufe ist es erforderlich, die wichtigsen Signalkennfunktionen im Frequenzbereich zu analysieren. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den Informationsgehalt eines Signals besser zu erfassen. Dabei kann durchaus die gezielte Beschränkung auf wenige, aber qualitativ bessere und öbersichtlichere Information zu einer klaren und präzisen Sytemanalyse föhren /9.0-1/. Dies ist vor allem wichtig, wenn Berechnungsund Meßergebnisse miteinander verglichen und jeweils für sich bewertet werden sollen.

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10. Inverse Schwingungssimulation

Zusammenfassung

Bisher wurde bei rechnerischen Schwingungsuntersuchungen immer davon ausgegangen, daß ein Antriebrsstrang aufgrund geometrischer und „physikalischer" Eigenschaften sind hier insbesondere die erregerspezifischen Eigenarten eines Schwingungssystems zu verstehen. Unter Zugrundelegung berechneter Eigenfrequenzen und Schwingungsformen läßt sich in Verbindung mit dem Erregerspektrum die Frage der Anregbarkeit im Rahmen einer Voruntersuchung beantworten.

Andreas Laschet

11. Erweiterung des Torsionsschwingungsmodells auf ein Torsion-Biegeschwingungsmodell

Zusammenfassung

Neben reinen Torsionsschwingungen treten in mit rotierenden Antriebselemente oftmals Biegeschwingungen auf, die insbesondere in Bereichen kritischer Drehzahlen durch ausgeprägte Resonnanzzustände zu beobachten sind. Gerade bei hochtourigen Maschinen und Anlagen (z.B. Turbomaschhinen) können zusätlich sogenannte „gyrokopische Momente" (Kreiselmomente) das dynamische Verhalten beeinflussen. Biegeschwingungen sind beispielsweise durch Zahneingriffe, Unwuchten und Fluchtungsfehler anregbar.

Andreas Laschet

12. Struktur der Software für die Schwingungssimulation

Zusammenfassung

Die Software für die Schwingungssimulation ist nach einem dreistufigen Konzept entwikelt worden /12.0-1 bis 12.0-4/:

• Preprozessoren für die Modellstrukturierung und Datenaufbereitung (SIMGEN, PRESIM)
• Prozessor für die Simulationsberechnung im Zeitbereich (SIM)
• Postpozessoren für die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse (POSTSIM, FANLYS, KLASS).

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13. Beispiele für Schwingungssimulationen mit Überlagerung mehrerer Erreger- und Übertragungselemente

Zusammenfassung

Im Rahmen der folgenden Beispiele werden verschiedene Praxisfälle durhdiskutiert. Es stellt sich heraus, daß die rechneruterstützte Schwingungssimulation mit den zahlreichen Konbinationsmöglichkeiten unterschiedlicher Effekte eine notwendige Voraussetzung darstellt, un derartige Problemfälle rechnerisch beherrschbar zu machen. Parallel durchgeführte Messungen bestätigen die Richtigkeit der gewählten Modelle und zeigen gute Übereinstimmung mit den Berechnungsergebnissen.

Andreas Laschet

14. Zusammenfassung

Zusammenfassung

Der Einsatz der Schwingungssimulation nimmt während der rechnergestützten Konzipierung und Detailkonstruktion von Antriebssystemen sowie bei der Schadensanalyse von Anlagen gekoppelt mit meßtechnischen Untersuchungen eine bedeutende Stellung ein. Das hier vorgestellte Verfahren zur Simulation von Torsionsschwingungen in Antriebssträngen basiert auf einem strukturdiskreten Drehschwingungsmodell aus Massen– und Federelementen, denen bestimmte Anregungs– bzw. Übertragungseigenchaften zugeordnet werden. Hierbei kommt der praxisgerechten Modellabstimmung im Hinblick auf die Erzielung einer möglichst hohen Modellqualität eine zentrale Bedeutung zu.

Andreas Laschet

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