Im Rahmen des Exzellenzclusters MERGE an der TU Chemnitz erfolgt die Entwicklung eines kontinuierlichen großserientauglichen Verfahrens zur Herstellung komplexer geschlossener Strukturbauteile. Hierbei werden vorimprägnierte faserverstärkte thermoplastische Halbzeuge (thermoplastische Tapes) in einem Kombinationsverfahren aus thermoplastischen Tapelegen und Tapewickeln verarbeitet. Für dieses kontinuierliche Orbitalwickelverfahren wurde ein spezieller Technologiedemonstrator entwickelt mit dessen Hilfe Machbarkeitsstudien zur Erbringung des Funktionsnachweises durchgeführt werden. Die oben genannte Versuchsanlage ermöglicht die Erzeugung rotationssymmetrischer Profile, die zudem einen inkonstanten Querschnitt aufweisen können. Für die Anlagenkonzeptionierung wurde ein Beispielprofil eines Strukturbauteils ausgewählt und die Anlagendimensionierung durchgeführt. Basierend auf dem Entwurf werden zur Anlagendimensionierung die Parameter der Einzelantriebe mit Hilfe inverser Kinematik simulativ und analytisch abgeleitet und durch anschließende Simulation in CreoElements/Pro® vervollständigt. Die konstruktive Realisierung erfolgte mittels Solid Works. Die abschließende simulative Validierung wurde wiederum mittels CreoElements/Pro® durchgeführt. Diese Arbeiten entstanden im Rahmen des Bundesexzellenzclusters EXC 1075 "Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.

This work deals with the matter of powertrain vibration reduction, focusing on the transmission. These units, depending on the purpose of utilization, consist of a high number of dimensionally complex components. These need to possess features, selected already in the design phase, which would guarantee smooth and quiet operation. A properly designed tooth profile and the related specified accuracy of manufacturing are one of the most important features. The basic function and the purpose of transmissions application indicate a relatively wide range of operating speeds and transmitted loads. Moreover, combination of both loading with improperly designed string’s parameter can cause a number of various problems. The vibration initiation with related noise from gear mesh belong to the most significant sources of issues. There are multiple mechanisms of oscillation initiation. Even when using the latest trends in the development of teeth, when their shape is upgraded and developed to meet specifically given load range, the above mentioned irregularity of transferred torque cannot be completely eliminated. Therefore, it is necessary, already in the design phase, to eliminate the transmission paths by which are vibrations transmitting to other components. People perceive this action in the form of vibration, noise, or temperature change in the surroundings. With the increasing comfort levels and number of produced vehicles the reduction of vibration and noise of machinery parts becomes stricter, including gears. The experimental approach is primarily used to assess the accuracy of designed gearboxes, but it is a very expensive and a time consuming method. Therefore, it is necessary to develop a process that utilizes both numerical simulation and experimental approach but also combines the advantages of both, particularly time and cost savings and comparability of results. For this purpose, the experimental gearbox is designed and manufactured including the single-stage gear enabling variable configurations in terms of the ratio change. The gearbox is subjected to numerical simulation of different complexity levels, as well as technical experiment. Furthermore, the universal virtual prototype in Multi-Body System ADAMS is created, which reflects the impact of several key parameters for proper functionality, such as axial distance, backlash, gear mesh stiffness, shaft mounting stiffness (bearings) and modal properties of the shafts and gearbox housing. Last but not least, the impact of imbalance or irregularity of input shaft speed is incorporated. The last part focuses on a brief description of the application of the presented methodology – modelling of vibrations on the tractor gearbox.

In slide chain conveyors vibrations often appear. These cause detrimental effects in conveying process and decrease the durability of chains. To study the vibrations, a multi-body simulation model has been developed, in which rheological elements are used to represent the dynamic effects. A focus was determining material values required for the model. These were identified by hysteresis experiments. Finally, the model was verified by comparing simulation results with measurements in the conveyor system. / In Gleitkettenfördersystemen werden häufig Schwingungen der Kette beobachtet, die einen zuverlässigen Förderprozess auf diesen Anlagen beeinträchtigen können. Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung dieser Schwingungen mit Hilfe von einem Mehrkörpersimulationsmodell. Zur Abbildung der dynamischen Effekte wurden rheologische Elemente verwendet. Ein Schwerpunkt lag bei der Ermittlung der für das Modell notwendigen Materialkennwerte. Diese wurden mit Hilfe von Hystereseversuchen herausgefunden. Zum Schluss wurde das Modell über einen Abgleich zwischen Simulation und Messung im Fördersystem verifiziert.

Im Vortrag wird die Vorgehensweise zur Modellierung des Ventiltriebs eines Einzylinder-Motorradmotors beschrieben. Dieser setzt sich aus zwei gebauten, wälzgelagerten Nockenwellen zusammen. Die Ventile werden über Schlepphebel betätigt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Pressverbindungen zwischen Nocken und Welle sowie auf den Wälzlagerungen. Um die Belastungszustände zu ermitteln ist eine detaillierte Simulation nötig. Diese Mehrkörpersimulation wird in Mathcad mit Hilfe eines eigenen Lösers durchgeführt.

Swedish forest industry is relying on the cut-to-length method for logging and there has always been a constant quest to make it more efficient and sustainable. Reduction of forest soil damage and operator vibration dosages are crucial steps that could facilitate meeting the above stated targets. In this context Skogforsk- The Swedish Forest Research Institute has decided to explore the potential usage of caterpillar tracks on conventional wheeled forwarders. An efficient way to perform this study is to use multi body simulations to evaluate the performance of the tracked forwarder concept over different terrains. This thesis work aims to model and simulate a tracked forwarder in Adams ATV module. As part of the thesis a conventional wheeled forwarder was selected and a track unit was conceptualised to fit it. The concept was modelled and simulate with Adams ATV for various ground conditions. An effort was also made to identify the performance parameters required to improve traction, handling, and ride performance. Based on this some results were selected and studied and inferences were made. The results from the thesis work could provide a guideline on the methodology to be followed and a a deliverable is also a multi-body dynamics model for future design research. / Svensk skogsindustri jobbar efter kortvirkesmetoden för trädavverkning. Det finns en strävan efter att göra denna metod mer effektiv och samtidigt mer ekologiskt hållbar, exempelvis en minskad markpåverkan reduktion av de helkroppsvibrationer som operatören utsätts för. Motivet till detta examensarbete är att utforska möjligheten att ersätta dagens hjulbaserade skogsmaskiner med banddrivna. Det överordnade syftet för examensarbetet är att utveckla en modelleringsmetodik för dynamiska systemsimuleringar. Metoden för detta är att modellera och simulera en banddriven skotare med Adams ATV-modul och att beskriva ett rekommenderat tillvägagångssätt och möjliga resultat. Som en del av arbetet har en traditionell skotare valts och en konceptuell bandenhet har skapats och anpassats för att passa till skogsmaskinen. Konceptet modellerades och simulerades med Adams ATV för olika markunderlag. Ytterligare arbete lades på att identifiera de parametrar som är viktiga för grepp, fordonskontroll och framkomlighet. Baserat på några av resultaten valdes några för en fördjupad studie. Resultatet från examensarbetet kan ge riktlinjer för val av lämplig metodik för denna typ av prestandastudier. En konkret leverabel från projektet är också en dynamisk flerkroppsmodell, som kan utgöra en bas för fortsatta konstruktions- och prestandastudier.

Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch die breite Anwendung von Schwenkantrieben in vielfältigen konventionellen und neuen Technologiefeldern: In Windenergieanlagen führen Schwenkantriebe die Gondel samt Rotor der momentanen Windrichtung nach. Bei Radioteleskopen erlauben sie die hochpräzise azimutale Ausrichtung der Parabolantenne. Und im Sektor der Baumaschinen kommen sie zum Schwenken der Ausleger von Kranen und fördertechnischen Großgeräten zum Einsatz. Trotz des zunächst einfach erscheinenden Aufbaus der Schwenkantriebssysteme erweisen sich sowohl ihre mechanische Dimensionierung als auch ihre sichere Betriebsführung als herausfordernd. So belegen Messdaten und Betriebserfahrungen die Neigung der Antriebsstränge zu niederfrequenten Drehschwingungen. Außerdem treten große Spitzenlasten während der Schwenkrichtungsumkehr in den Getriebestufen auf. In diesem Forschungsbeitrag werden Methoden vorgestellt, mit denen elektromechanische Schwenkantriebssysteme modelliert, dynamisch analysiert und regelungstechnisch optimiert werden können. Dazu wird der schwingungsfähige mechanische Antriebsstrang eines Beispielschwenkwerks als detailliertes Mehrkörpersystem-Simulationsmodell abgebildet. Um auch Wechselwirkungen mit den elastischen Umgebungsstrukturen, der Antriebsregelung und den Betriebslasten zu erfassen, wird ein domänenübergreifendes Modellierungsvorgehen verfolgt. Es erfolgt eine messtechnische Validierung des mechatronischen Gesamtsystemmodells. Mit dem Vorliegen treffsicherer Systemmodelle eröffnet sich die Möglichkeit, ein modellbasiertes Mehrgrößenregelverfahren (LQG) auszulegen und simulativ zu erproben. Im Vergleich zur bisherigen proportional-integralen (PI) Antriebsregelung verspricht dies die aktive Dämpfung von Triebstrangschwingungen bei gleichzeitiger Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit. Um für beliebige elastische Antriebssysteme das Optimierungspotenzial abschätzen zu können, erfolgt ein systematischer Vergleich der beiden Regelstrategien. Anschließend wird ein praxisnahes Vorgehen zur Regelungsauslegung vorgestellt. Besonderer Fokus liegt neben der Robustheit auch auf der begrenzten Anzahl verfügbarer Sensoren bei industriellen Antrieben. Zudem wird auch das oftmals beträchtliche Getriebespiel als signifikante Nichtlinearität der Regelstrecke berücksichtigt. Um eine Reduktion der Spitzenlasten während der Drehrichtungsumkehr des Schwenkantriebes zu erreichen, wird abschließend ein Konzept zur zeit- und belastungsoptimierten Durchquerung des Getriebespiels erarbeitet. Da die konventionelle Drehzahlregelung des Schwenkantriebs hierbei nur um ein Zusatzmodul erweitert wird, bietet sich das Vorgehen insbesondere zur Ertüchtigung bestehender Antriebe an.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Konkretisierte Problemstellung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Forschungsstand 2.1 Modellbildung und Simulation von Antriebssystemen 2.1.1 Mehrkörpersystem-Simulation von Antriebssystemen 2.1.2 Modellbildung von Schwenkwerken 2.2 Anwendungsbereiche von Schwenkantrieben 2.2.1 Turmdrehkrane 2.2.2 Windenergieanlagen 2.2.3 Radioteleskope 2.2.4 Baumaschinen 2.3 Untersuchtes Beispielschwenkwerk 2.3.1 Antriebstechnik 2.3.2 Bisherige Untersuchungen an Schaufelradbaggern 3 Modellbildung und Simulation von Schwenkwerken 3.1 Mechanische Komponenten 3.1.1 Schwenkantriebe 3.1.2 Elastische Tragstrukturen am Getriebeausgang 3.1.3 Weitere Antriebsstränge des Gesamtsystems 3.2 Elektrische und informationsverarbeitende Domäne 3.2.1 Aktorik – Elektrische Antriebsmaschine 3.2.2 Informationsverarbeitung – Antriebsregelung 3.2.3 Informationserfassung – Winkelmesssysteme 3.3 Betriebslasten 3.3.1 Quasistatische Lasten 3.3.2 Simulation der bodenmechanischen Interaktion bei Schaufelradbaggern 3.4 Messdatengestützte Validierung der Systemmodelle 3.4.1 Beschreibung des Messaufbaus 3.4.2 Betriebsschwingungsanalyse 3.4.3 Validierung Schwenkwerk – Reversiervorgang 3.4.4 Validierung Gesamtsystem – Grab-Schwenk-Prozess 3.5 Ableitung eines mechanischen Minimalmodells 3.6 Zwischenfazit 4 Drehzahlregelung elastischer Antriebssysteme 4.1 Allgemeine Grundlagen 4.1.1 Führungs- und Störungsverhalten 4.1.2 Stabilität und Performanz 4.1.3 Singulärwertzerlegung von Frequenzgangmatrizen 4.2 Motor mit elastisch gekoppeltem Abtrieb 4.2.1 Proportional-Integrale Eingrößenregelung 4.2.2 Zustandsregelung 4.2.3 Generalisierter Vergleich der Regelungskonzepte 4.3 Erweiterung auf Mehrmotorenantriebe 4.4 Konzeption und Umsetzung einer Zustandsregelung 4.4.1 Auslegung eines optimalen Zustandsreglers 4.4.2 Rekonstruktion des Zustandsvektors bei Antrieben mit Verzahnungsspiel 4.4.3 Analyse des Gesamtkonzeptes 4.5 Zwischenfazit 5 Verzahnungsspiel in elastischen Antriebssträngen 5.1 Ursachen 5.2 Modellbildung 5.2.1 Klassische Modellierung als Totzone 5.2.2 Erweitertes Spielmodell nach Nordin 5.2.3 Hysterese 5.3 Auswirkungen 5.3.1 Antriebsstrangbelastung 5.3.2 Folgen auf Gesamtsystemebene 5.3.3 Zwischenfazit 5.4 Regelstrategien für spielbehaftete Antriebe 5.4.1 Lineare Eingrößenregelung 5.4.2 Mehrgrößenregelung – Zustandsraummethoden 5.4.3 Umschaltende lineare Regler 5.4.4 Modellprädiktive Regelung 5.4.5 Invertierung der Nichtlinearität 5.4.6 Zwischenfazit 5.5 Konzeption und Umsetzung einer Strategie zum lastminimierten Spieldurchlauf 5.5.1 Optimaltrajektorie zur Spieldurchquerung 5.5.2 Realisierung der Spieldurchquerung 5.5.3 Simulative Verifizierung 6 Zusammenfassung und Ausblick / The present work is motivated by the wide application of slewing drives and yaw drives in a variety of conventional and emerging fields of technology: In wind turbines, yaw drives track the nacelle and rotor according to the current wind direction. In radio telescopes, they enable high-precision azimuthal alignment of the parabolic antenna. And in the construction machinery sector, they are used to rotate the booms of cranes and bucket wheel excavators. At first glance the design of slewing drive systems seems to be simple, but their mechanical dimensioning as well as their reliable operation turn out to be challenging. Measurement data and operating experience show that the drive trains are prone to low-frequency torsional vibrations. In addition, large peak loads occur during reversals of the slewing direction. In this thesis, methods are presented for the modeling, dynamical analysis and control optimization of electromechanical slewing drive systems. Therefore, the mechanical drive train of an exemplary slewing gearbox unit is represented as a detailed multibody system simulation model. A cross-domain modeling approach is pursued in order to capture interactions with the surrounding flexible structures, the drive control and the operating loads as well. The resulting overall mechatronic system model is validated by measurement. The development of accurate system models enables a model-based multivariable control method (LQG) to be designed and tested by simulation. Compared to conventional proportional integral (PI) drive control, this promises active damping of drive train vibrations while simultaneously increasing the operating speed. To estimate the optimization potential for arbitrary elastic drive systems, a systematic comparison of both control strategies is performed. Subsequently, a practical procedure for designing the control system is presented. In addition to robustness, special focus is placed on the limited number of available sensors in industrial drives. Furthermore, the considerable gear backlash is also accounted for as a significant nonlinearity of the controlled system. To reduce peak loads during the reversal of the rotational direction, a novel approach for time- and load-optimized traversing of the gearbox backlash is developed. Since the conventional speed control algorithm is only extended by an additional module, the method is particularly suitable for retrofitting existing drives.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Konkretisierte Problemstellung 1.3 Aufbau der Arbeit 2 Grundlagen und Forschungsstand 2.1 Modellbildung und Simulation von Antriebssystemen 2.1.1 Mehrkörpersystem-Simulation von Antriebssystemen 2.1.2 Modellbildung von Schwenkwerken 2.2 Anwendungsbereiche von Schwenkantrieben 2.2.1 Turmdrehkrane 2.2.2 Windenergieanlagen 2.2.3 Radioteleskope 2.2.4 Baumaschinen 2.3 Untersuchtes Beispielschwenkwerk 2.3.1 Antriebstechnik 2.3.2 Bisherige Untersuchungen an Schaufelradbaggern 3 Modellbildung und Simulation von Schwenkwerken 3.1 Mechanische Komponenten 3.1.1 Schwenkantriebe 3.1.2 Elastische Tragstrukturen am Getriebeausgang 3.1.3 Weitere Antriebsstränge des Gesamtsystems 3.2 Elektrische und informationsverarbeitende Domäne 3.2.1 Aktorik – Elektrische Antriebsmaschine 3.2.2 Informationsverarbeitung – Antriebsregelung 3.2.3 Informationserfassung – Winkelmesssysteme 3.3 Betriebslasten 3.3.1 Quasistatische Lasten 3.3.2 Simulation der bodenmechanischen Interaktion bei Schaufelradbaggern 3.4 Messdatengestützte Validierung der Systemmodelle 3.4.1 Beschreibung des Messaufbaus 3.4.2 Betriebsschwingungsanalyse 3.4.3 Validierung Schwenkwerk – Reversiervorgang 3.4.4 Validierung Gesamtsystem – Grab-Schwenk-Prozess 3.5 Ableitung eines mechanischen Minimalmodells 3.6 Zwischenfazit 4 Drehzahlregelung elastischer Antriebssysteme 4.1 Allgemeine Grundlagen 4.1.1 Führungs- und Störungsverhalten 4.1.2 Stabilität und Performanz 4.1.3 Singulärwertzerlegung von Frequenzgangmatrizen 4.2 Motor mit elastisch gekoppeltem Abtrieb 4.2.1 Proportional-Integrale Eingrößenregelung 4.2.2 Zustandsregelung 4.2.3 Generalisierter Vergleich der Regelungskonzepte 4.3 Erweiterung auf Mehrmotorenantriebe 4.4 Konzeption und Umsetzung einer Zustandsregelung 4.4.1 Auslegung eines optimalen Zustandsreglers 4.4.2 Rekonstruktion des Zustandsvektors bei Antrieben mit Verzahnungsspiel 4.4.3 Analyse des Gesamtkonzeptes 4.5 Zwischenfazit 5 Verzahnungsspiel in elastischen Antriebssträngen 5.1 Ursachen 5.2 Modellbildung 5.2.1 Klassische Modellierung als Totzone 5.2.2 Erweitertes Spielmodell nach Nordin 5.2.3 Hysterese 5.3 Auswirkungen 5.3.1 Antriebsstrangbelastung 5.3.2 Folgen auf Gesamtsystemebene 5.3.3 Zwischenfazit 5.4 Regelstrategien für spielbehaftete Antriebe 5.4.1 Lineare Eingrößenregelung 5.4.2 Mehrgrößenregelung – Zustandsraummethoden 5.4.3 Umschaltende lineare Regler 5.4.4 Modellprädiktive Regelung 5.4.5 Invertierung der Nichtlinearität 5.4.6 Zwischenfazit 5.5 Konzeption und Umsetzung einer Strategie zum lastminimierten Spieldurchlauf 5.5.1 Optimaltrajektorie zur Spieldurchquerung 5.5.2 Realisierung der Spieldurchquerung 5.5.3 Simulative Verifizierung 6 Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der Arbeit wird eine Simulationsmethodik auf Grundlage der elastischen Mehrkörpersimulation dargestellt, welche eine Prognose des Körperschallverhaltens eines Bahnantriebs in einem Frequenzbereich bis 1 kHz ermöglichen soll. Randbedingung in der Modellbildung ist die Anwendbarkeit des Verfahrens im Entwicklungsprozess. Die vorgestellte Modellbildung der Anregung erfolgt für die mechanische Geräuschanregung aus den Zahneingriffen im Achsgetriebe. Für die Identifizierung dominanter Körperschallquellen wurde der Innenraumschall eines aktuellen Regionalzuges experimentell untersucht und ausgewertet. Weiterhin wurde das Schwingungsverhalten des Antriebsstrangs in einer Prüfstandsumgebung gemessen. Anhand der experimentellen Ergebnisse ist ein systematischer Vergleich zwischen Messung und Berechnung über dem gesamten Betriebsfeld des Antriebsstrangs möglich. Ein umfangreicher Messung-Rechnung-Vergleich der verzahnungsbedingten Anregungsfrequenzen zwischen gemessenen Oberflächenbeschleunigungen am Antrieb und den Berechnungsergebnissen zeigen eine akzeptable qualitative Übereinstimmung über dem Betriebsfeld. Die Anwendung des Berechnungsmodells für die akustische Auslegung des Antriebs ist somit möglich. Im Detail ergeben sich jedoch deutliche quantitative Abweichungen der Schwingwerte für einzelne Betriebspunkte. Sowohl die Analyse verschiedener Modellvarianten als auch eine Sensitivitätsstudie zeigen auf, dass die Modellbildung der Wälzlager, die Modellbildung und Parametrierung der Verzahnungsanregung und die Modellierung der Antriebswelle großen Einfluss auf die Ergebnisse haben und Ansatzpunkte für eine Verbesserung des Modells liefern.:1.1 Motivation 1.2 Problemstellung 1.3 Zielsetzung 1.4 Lösungsansatz und Abgrenzung 1.5 Wissenschaftliche Fragestellung und Gliederung der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Historische Entwicklung der Modellbildung 2.2 Entwicklung von Mehrkörperformalismen 2.3 Berechnung von Antrieben mittels Mehrkörpersimulation 2.4 Analyse aktueller Ansätze der Körperschallberechnung mittels EMKS 2.5 Zusammenfassung und Bewertung 3 Modellbildung für die Körperschallberechnung 3.1 Modellbildung dynamischer Systeme 3.2 Finite-Elemente-Methode 3.3 Elastische Mehrkörpersysteme 3.4 Lineare Modellordnungsreduktion 3.5 Zeitschrittintegrationsverfahren 3.6 Sensitivitätsanalyse 4 Grundlagen der Akustik 41 4.1 Einführung 4.2 Akustik des Schienenfahrzeugs 4.3 Akustik von Zahnradgetrieben 4.4 Akustik von elektrischen Maschinen 5 Experimentelle Untersuchung des Versuchsfahrzeugs 5.1 Fragestellungen an die experimentelle Untersuchung 5.2 Versuchsablauf und Messgrößen 5.3 Messunsicherheit und Störeinflüsse 5.4 Untersuchte Fahrzyklen 5.5 Analyse des Innenraumgeräuschs 5.6 Zusammenfassung der Ergebnisse 6 Experimentelle Untersuchung am Antriebsprüfstand 6.1 Fragestellungen an die experimentelle Untersuchung 6.2 Wahl der Beurteilungsgröße zur Körperschallcharakterisierung 6.3 Aufbau des untersuchten Antriebsstrangs 6.4 Versuchsaufbau und Messgrößen 6.5 Wendebetrieb und Drehrichtungsdefinition 6.6 Messunsicherheit und Störeinflüsse 6.7 Untersuchte Betriebsszenarien 6.8 Analyse der instationären Betriebszustände 6.9 Analyse der stationären Betriebszustände 6.10 Resonanzerscheinungen der Verzahnungsanregung bis 1000 Hz 6.11 Zusammenfassung der Ergebnisse 7 Aufbau des Berechnungsmodells 7.1 Zielstellung der Modellbildung 7.2 Anmerkung zur Wahl der Simulationsumgebung 7.3 Mehrkörpersimulation im erweiterten Frequenzbereich 7.4 Erläuterungen der Modelltopologie und Submodelltechnik 7.5 Modellierung der Wuchtgüte 7.6 Modellierung der Verzahnungsanregung 7.7 Modellierung der Elastomerelemente 7.8 Modellierung der Wälzlager 7.9 Modellierung der Wellen 7.10 Erstellungsprozess eines elastischen Körpers 7.11 Modellierung des Antriebsgehäuses als Finite-Elemente Modell 7.12 Experimentelle Modalanalyse am Antriebsgehäuse und Modellkorrelation 7.13 Anbindungsmodellierung am Beispiel des Antriebsgehäuses 7.14 Modellordnungsreduktion am Beispiel des Antriebsgehäuses 7.15 Verwendete Eigenmoden für die elastischen Körper 7.16 Dämpfungsparameter der elastischen Körper 7.17 Modellierung der Hohlwelle 7.18 Anmerkung zur Lasteinleitung und zum Prüfstandseinfluss 8 Analyse des Berechnungsmodells 8.1 Fragestellungen an die Analyse des Berechnungsmodells 8.2 Referenzmodellierung und Referenzlastfälle 8.3 Eigenschaften des Systemverhaltens und Plausibilitätskontrolle 8.4 Parametereinfluss der Zeitschrittintegration 8.5 Ausgewählte Sensitivitätsanalysen 9 Vergleich von Messung und Simulation 9.1 Vorgehen in der Beurteilung 9.2 Untersuchte Modellvarianten 9.3 Qualitativer Vergleich des Betriebsverhaltens 9.4 Quantitativer Vergleich stationärer Betriebszustände 9.5 Quantitativer Vergleich instationärer Betriebszustände 9.6 Zusammenfassung und Beurteilung 10 Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen des Exzellenzclusters MERGE an der TU Chemnitz erfolgt die Entwicklung eines kontinuierlichen großserientauglichen Verfahrens zur Herstellung komplexer geschlossener Strukturbauteile. Hierbei werden vorimprägnierte faserverstärkte thermoplastische Halbzeuge (thermoplastische Tapes) in einem Kombinationsverfahren aus thermoplastischen Tapelegen und Tapewickeln verarbeitet. Für dieses kontinuierliche Orbitalwickelverfahren wurde ein spezieller Technologiedemonstrator entwickelt mit dessen Hilfe Machbarkeitsstudien zur Erbringung des Funktionsnachweises durchgeführt werden. Die oben genannte Versuchsanlage ermöglicht die Erzeugung rotationssymmetrischer Profile, die zudem einen inkonstanten Querschnitt aufweisen können. Für die Anlagenkonzeptionierung wurde ein Beispielprofil eines Strukturbauteils ausgewählt und die Anlagendimensionierung durchgeführt. Basierend auf dem Entwurf werden zur Anlagendimensionierung die Parameter der Einzelantriebe mit Hilfe inverser Kinematik simulativ und analytisch abgeleitet und durch anschließende Simulation in CreoElements/Pro® vervollständigt. Die konstruktive Realisierung erfolgte mittels Solid Works. Die abschließende simulative Validierung wurde wiederum mittels CreoElements/Pro® durchgeführt. Diese Arbeiten entstanden im Rahmen des Bundesexzellenzclusters EXC 1075 "Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Die Autoren danken für die finanzielle Unterstützung.

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.