In the research area of virtual reality, the term haptic rendering is defined as the process of computing and generating the interaction force between the virtual object and the operator. One of the major challenges of haptic rendering is the stably rendering contact with a stiff object. Traditional haptic rendering algorithms performs well when rendering contact with soft objects. But when it is used to simulate contact with objects with high stiffness, the algorithm may cause unstable response of haptic devices. Such unstable behavior (e.g., oscillation of the device) can destroy the fidelity of the virtual environment and even hurt the user.  To address the above stability issues, a new design approach has been proposed in this paper. The proposed approach consists of three main process steps: modeling and linearization in ADAMS, LQR position controller design, verification with co-simulation. In the first step, a simulation model of the system is firstly created in ADAMS/View. Then this nonlinear ADAMS multi-body dynamics model is linearized and exported as a set of linear state space matrices with the help of ADAMS/Linear. In the second step, different from the traditional force-control algorithms, LQR position controller is developed in Matlab Simulink based on the exported matrices to emulate interactions with stiff objects. At last, the verification of control performance is carried out by setting up co-simulation between ADAMS and Simulink.  A case study implementation of this proposed method was performed on the TAU device which was previously developed by Machine Design department at KTH. TAU is an asymmetrical parallel robot with six degrees of freedom for the simulation of surgical procedures like drilling and milling of hard tissues of bones and teeth. The results show that the linear model exported from ADAMS is sufficiently accurate and the proposed controller can render a virtual wall with stiffness at the level of 105 N/m. / Inom forskningsområdet virtuell verklighet definieras termen hatisk återgivning (haptic rendering) som processen för beräkning och generering av interaktiva krafter mellan det virtuella objektet och användaren. En av de största utmaningarna med haptisk återgivning är att stabilt simulera känslan av beröring av styv material för användare. Traditionella algoritmer fungerar när det gäller att simulera känslan av beröring av mjuk material, men när algoritmerna används för att simulera kontakt med materialer med stor styvhet kan det orsaka instabilitet hos haptiska enheter. Sådana instabilitet, bland annat svängning hos enheten, kan förstöra den virtuella miljöns exakthet och till och med skada användare.  Denna uppsats försöker ta itu med det ovanstående problemet genom att föreslå en ny designmetod. Metoden består av tre huvudsteg: modellering och linearisering med hjälp av ADAMS, design av LQR-positionskontroll, och verifiering med samsimulering (co-simulation). I det första steget skapas systemets simuleringsmodell med hjälp av ADAMS/View. Sedan linjäriseras denna icke-linjära ADAMS-multikroppsdynamikmodell. Modellen exporteras som linjära tillståndsmatriser med hjälp av ADAMS/Linear. I det andra steget designas en LQR-positionskontroll med hjälp av Matlab Simulink baserat på de exporterade matriserna tidigare för att simulera interaktioner med styv material, vilket skiljer sig från de traditionella kraftkontrollalgoritmer (force-control algorithms). I det sista steget utförs verifieringen av positionskontrollens prestanda genom att ställa in samsimulering (co-simulation) mellan ADAMS och Simulink.  En testkörning av denna föreslagna metod har utförs på TAU-enheten som tidigare utvecklades av KTH institutionen för maskinkonstruktion. TAU är en asymmetrisk parallellsrobot med sex frihetsgrader för att simulera kirurgiska ingrepp som borrning av hårda vävnader i ben och tänder. Resultaten visar att den linjära modellen som exporteras från ADAMS är tillräckligt korrekt, för den föreslagna positionskontrollen kan framställa en virtuell vägg med styvhet vid 105 N/m.

This work describes the use of Multi-Body Simulation (MBS) to create a virtual prototype of a geared drive called Power transfer unit (PTU). PTU is a subsystem of the all-wheel drive driveline responsible for transfer of power between front and rear axles in an Automobile. The objective of the developing the prototype is to simulate the dynamic behavior of the PTU. Focus is on predicting the gear transmission error(TE) and gearbox housing vibration level. A Hypoid gear set, bearings, tubular shaft and housing are the major components in the PTU. This work is carried out at GKN Automotive which specializes in development of Automotive All wheel drive systems. When developing such geared systems one important characteristic analyzed is the noise and vibration it generates. And for companies like GKN it is desirable to predict these characteristics as early as possible for two reasons, to avoid late design changes and to speed up the product development cycle. To achieve this, a validated virtual model which is computationally efficient is desired. The methodology followed contains of two facets, development of the MBS model and validation of the developed model with physical testing. An integrated MBS-FEM approach is used, an FE modal reduction technique is used to create flexible components with which a virtual prototype is built and simulated in an MBS tool MSC ADAMS c . Gear contact and bearings are defined using an analytical approach which considers the nonlinear stiffness and damping. A dynamic analysis and system level modal analysis is performed to predict the TE, housing vibrations and PTU modal parameters. Experimental modal analysis and physical testing on test rig are performed to measure the actual values of the above predicted outputs. Parameters like damping, contact stiffness of the model are then tuned to achieve correlation. When comparing test and prediction, close correlation is seen in the TE and for housing vibration a similar trend is observed with some deviations. Predicted TE is heavily dependent on gear contact parameters. On the modal parameter comparison, a correlation of five modes and mode shapes below 2500Hz is seen which shows the validity of the MBS model. Parameter studies are performed to study the effect of bearing damping and preload on housing vibrations and TE. It is observed that an optimum value of preload and damping is essential to avoid unnecessary vibrations. In conclusion, the model with some fine tuning of damping parameters can be used for virtual noise and vibration analysis of the PTU. / Detta arbete beskriver anv¨andningen av beräkningsmetoden Multi-Body Simulation (MBS) för att skapa en virtuell prototyp av en vinkelväxel (Power Transfer Unit, PTU ). PTU är ett delsystem för fyrhjulsdrift som har funktionen att överföra kraft mellan fram- och bakaxlar i en bil. Målet med att utveckla modellen är att simulera PTUns dynamiska beteende. Fokus ligger på att beräkna vinkelväxelns transmissionsfel och vibrationsnivåer på växellådans hus. De vikitgaste komponenterna i PTUn är hypoidväxeln med kronhjul och pinjong, röraxel, lager och hus. Detta arbete har utförts på GKN Automotive som är specialiserade på utveckling av drivsystem för fyhjulsdrivna bilar. Ljud och vibrationer är viktiga egenskaper att ta hänsyn till under utvecklingen. För företag som GKN är det önskvärt att kunna beräkna dessa egenskaper så tidigt i projektet av två skäl: dels för att undvika sena konstruktionsförändringar och dels att påskynda produktutvecklingscykeln. För att uppnå detta behövs en validerad virtuell modell som är beräkningseffektiv. Den metod som använts innehåller två delar: utveckling av MBS-modellen och validering av den utvecklade modellen med fysisk testning. En integrerad MBS-FEM -mettod har använts. Det innebär att en FE-modal reduktionsteknik andvänds för att skapa flexibla komponenter med vilka en virtuell prototyp byggs och simuleras i ett MBS-verktyg (MSC ADAMS (c) ). Lager och kuggkontakt i växeln definieras med hjälp av en analytisk metod som beaktar den olinjära styvheten och dämpningen. En dynamisk analys och modalanalys på systemnivå har utförts för att beräkna TE, husvibrationer och PTUns modala parametrar. Experimentell modalanalys och testning i rigg gjorts för att mäta motsvarande värden som har beräknats. Parametrar som dämpning och kontaktstyvhet har sedan justerats för att uppnå korrelation. Vid jämförelse av test och förutsägelse ses en god korrelation i TE och för husvibrationer observeras en liknande trend, med vissa avvikelser. Beräknat TE är starkt beroende på parametrar för kuggkontakten i växeln. Vid jämförelse av modala parametrar ses en god korrelation under 2500 Hz mellan fem moder i mätning och beräkning vad gäller frekvens och modform, vilket visar MBS-modellens giltighet. Parameterstudier har utförts för att studera effekten av lagerdämpning och förbelastning på TE och husvibrationer. Ett optimalt värde på förbelastning och dämpning är viktigt för att undvika onödiga vibrationer. Sammanfattningsvis kan modellen med viss finjustering av dämpningsparametrar användas i virtuell ljud- och vibrationsanalys av PTU.

Vinkelväxlar och slutväxlar spelar en viktig roll för kraftöverföringen mellan motor och hjuli fyrhjulsdrivna bilar. Med en ökande konkurrens finns en efterfrågan för att ständigt förbättraeffektivitet, ljudgenereringegenskaper och hållfasthet. För att uppnå detta krävs en bättreförståelse av systemets dynamiska egenskaper. En detaljerad numerisk dynamisk modell ärdock ofta beräkningsmässigt tung och tidskrävande. Verktygen för den dynamiska modelleringenbehöver bli mer effektiva och i vissa fall kan en kombinationen av två verktyg vara ett bättrealternativ. Denna integrerade plattform kan användas för att effektivt modellera dynamiken ochfå en bättre inblick i systemts beteende.Vinkelväxlen är en enhet vars funktion är att fördela kraften mellan fram- och bakaxel. De viktigastekomponenterna i vinkelväxeln är en hypoid-drevsats och en klokoppling, som aktiveras närkraft ska överföras till bakaxeln via kardanaxeln. Detta arbete modellerar dynamiskt beteendei vinkelväxeln och har sytftet att beräkna transmissionsfelet i systemet och dess effekt somexciteringskälla av ljud och vibrationer i systemet. MSC ADAMS har använts för Multi-Bodyberäkningsverktyg för modelleringen.Det beräknade transmissionsfelet har jämfört med testresultat. Dessutom har en co-simuleringmed både ADAMS och SIMULINK genomförts för att skapa en bas för tillämpa optimeringsalgoritmer.Bultarna i bultförbandet samt deras styvhet och förspänning har inkluderats i modellenoch studerats med avseende på effekten på vibrationer i kopplingspunkter, samt algoritmerför optimering har föreslagits. Korrelationen mellan test och beräkning var mycket god, ochdessutom har förslag på hur denna typ av beräkning kan förbättras ytterligare givits. / Automotive drive units play an important role in transmitting power from an engine to the wheels.In today’s competitive world, there is an increasing demand for these devices to be more efficient,quiet, and reliable at the same time. In order to achieve this, a better understanding of system’sdynamic behavior is necessary. A detailed dynamic model of a system is often computationallyintense to solve and time consuming. This demands more efficient tools to be developed and insome cases integrating two or more tools would be a better option. The integrated platform can beused to effectively model the dynamic behavior of a system and get better insights on the systembehavior.Power Transfer Unit (PTU) is a device whose function is to distribute power between a front axleand rear axle. This unit basically includes hypoid gear set and a dog clutch that is engaged whenthere is a requirement to transfer power to the Rear Drive Unit (RDU) through prop shaft. Thismaster thesis describes modeling the dynamic behavior of a PTU with a goal of predicting thetransmission error in the system and its effect as a source of excitation on the entire unit followedby studying system response to this type of excitation. MSC ADAMS was used as a Multi-BodySimulation tool to model the dynamic behavior of the PTU.The transmission error predicted by the simulation was compared with the test results, a cosimulationbetween SIMULINK and ADAMS was established in order to create a platform toapply optimization algorithms. The bolt and bearing stiffness were incorporated in the model andtheir effect on the mounting point accelerations and bearing point accelerations were studied. Itwas found that the bolt stiffness affects the acceleration levels at the coupling points and suitablealgorithms could be applied in order to find an optimum value. As a result of the good correlationbetween test and simulation data, some other useful conclusions have been derived in order todevelop this approach of modeling.

Die Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren ist geprägt von einer Steigerung der Effizienz, optimaler Betriebslaststeuerung, einer Absenkung des spezifischen Verbrauchs und der Erfüllung geltender Abgasemissionsgesetzgebung. Die Optimierung des Ladungswechsels spielt dabei eine entscheidende Rolle. Eine Möglichkeit den Ladungswechsel optimal zu beeinflussen, ist der Einsatz von variablen Ventiltrieben zur Veränderung der Ventilhubbewegung sowie zur Verstellung der Steuerzeiten. thyssenkrupp Dynamic Components entwickelt und stellt Schiebenockensysteme als diskret schaltbare Ventiltriebsysteme her, welche die verschiedenen Ventilhubanforderungen über unterschiedliche Nockenprofile auf dem Schiebeelement nebeneinander abbilden können. Im Entwicklungs- und Auslegungsprozesses kommt eine Simulation des Bewegungs-, Beschleunigungs- und Abbremsverhaltens sowie der Kraftverläufe beim Verstellvorgang mittels einer Mehrkörpersimulation (MKS) in der Software alaska/ModellerStudio zum Einsatz. In diesem Beitrag wird das MKS-Modell des Schiebelements sowie der Abgleich des Modells mit Versuchen vorgestellt. Es folgt eine Darstellung von Optimierungsmöglichkeiten bereits in der Simulationsumgebung, bei denen die Kontaktnormalkräfte und Beschleunigungen in mehreren Iterationsschleifen auf den gewünschten Anwendungsfall angepasst werden können. Unter Berücksichtigung der Fertigungs- und Lagertoleranzen sowie des Verschleißverhaltens kann das System mit diesem Simulationstool bereits virtuell abgeprüft werden. / The advancement of internal combustion engines is characterized by an increase in efficiency, optimum operating load control, a reduction in specific consumption and compliance with applicable exhaust emission legislation. Optimization of the charge change plays a decisive role in this. One way of optimally influencing the charge change is to use variable valve trains to change the valve lift and adjust the timing. thyssenkrupp Dynamic Components develops and manufactures sliding cam systems as discretely switchable valve train systems that can feature the various valve lift requirements side by side via different cam profiles on the sliding element. A simulation of the motion, acceleration and deceleration behavior as well as the force curves during the sliding process by means of a multi-body simulation (MBS) in the alaska/ModellerStudio is applied in the development and design process. This presentation shows the MBS model of the sliding cam and the comparison of the model with test results. Various optimization options in the simulation environment present, how the contact normal forces and accelerations can be adapted in several iteration loops to the desired application. Taking into account the manufacturing and bearing tolerances as well as the wear behavior, this simulation tool allows to virtually check the sliding cam system.

Die Nutzung historisch solider Lastannahmen, wie sie zum Beispiel die VDV Richtlinie 152 in der Fassung von 1992 festlegt, ist für die Festigkeitsauslegung neuartiger Straßen- und Stadtbahnfahrzeuge unzureichend, da die Annahmen und Methoden der Komplexität und insbesondere der Nichtlinearität moderner Fahrzeugkonzepte keine Rechnung tragen. Diese Arbeit zeigt auf, wie sich entstandene Lücken in den Lastannahmen durch Simulation und Messung von Fahrzeug und Gleis analysieren, verstehen und schließen lassen. Den Kern bildet dabei der Einsatz detaillierterer Simulationsmodelle von Fahrzeug und Gleis, deren Eingangsdaten mit Hilfe von Messungen gewonnen und deren Ausgangsdaten mit ihnen verifiziert und ergänzt werden müssen. Hierfür werden Methoden und Werkzeuge entwickelt, die ein ein vielseitiges Baukastensystem für die Fahrzeuganalyse, Modellvalidierung und Datenbewertung bilden, und zu sicheren Lastannahmen für die Fahrzeugauslegung führen.