Anwenderbericht BMW Group

Mit SimulationX kann BMW jetzt die spezifischen Charakteristika von Bowdenzügen schnell und einfach in einem Simulationsmodell abbilden, das noch dazu sehr gut mit der physikalischen Realität übereinstimmt.

Im Rahmen des heutigen Produktentstehungsprozesses bei BMW werden zahlreiche Fragestellungen anhand virtueller Fahrzeuge diskutiert.

Aufgabe

Funktionsweise flexibler Bauteile frühzeitig untersuchen und Realteile einsparen

Ob zur Entriegelung der Frontklappe oder Türschlösser, für die Fensterheber in den Türen oder als Schaltseil zum Getriebe - Bowdenzüge sind in heutigen Fahrzeugen allgegenwärtig und bleiben dennoch meist unbemerkt von den Kunden. Aufgrund ihres physikalischen Verhaltens stellen sie für Simulationsprogramme eine besondere Herausforderung dar. Im Rahmen des heutigen Produktentstehungsprozesses bei BMW werden zahlreiche Fragestellungen anhand virtueller Fahrzeuge diskutiert.

Flexible Bauteile wie Kabel, Schläuche und Bowdenzüge sind jedoch häufig als starre Geometrien dargestellt, deren Verlauf von der realen Form teilweise abweicht. Ziel eines Projektes der Firmen BMW und ESI ITI war die Simulation von Bowdenzügen, die das physikalische Verhalten dieser Bauteile realitätsnah widerspiegelt. Der Bowdenzug (nach DIN 71986 „Seilzug“) ist ein bewegliches Maschinenelement zur Übertragung einer mechanischen Bewegung bzw. einer (Zug)kraft mittels einer flexibel verlegbaren Kombination aus einem Drahtseil und einer in Verlaufsrichtung stabilen Hülle. 

[1] Daraus lässt sich erkennen, dass das Verhalten der Bowdenzüge in hohem Maße richtungsabhängig ist, unabhängig von der jeweiligen Anwendung im Fahrzeug. Ungeachtet der grundsätzlichen Ähnlichkeiten zwischen den verschiedenen Applikationen existiert eine Vielzahl variierender Parameter, die sowohl den Bowdenzug an sich als auch seine funktionalen Randbedingungen beeinflussen.

Um bereits in sehr frühen Phasen der Entwicklung verschiedene Aspekte ohne den Einsatz von Realteilen untersuchen zu können, setzt BMW schon lange auf virtuelle Produktentwicklung. Allerdings beschränkten sich die Erfahrungen bisher auf den Bereich Finite Elemente Methoden und andere zeitaufwändige Simulationsmethoden, die zudem oftmals erhöhte Anforderungen an die verfügbaren Hardwareressourcen stellten. Virtuelle Systemsimulation war ein neues Feld und entsprechend hoch waren die Erwartungen an die Simulationssoftware.

Virtuelle Systemsimulation mit SimulationX

Lösung

So soll die Simulation nicht nur die quasistatische Form und Ruhelage des entlasteten Bowdenzuges im Fahrzeugkoordinatensystem ermitteln, sondern ebenso die Kräfte, die bei der Betätigung des Mechanismus durch den Nutzer entstehen. Diese Kräfte wiederum haben Änderungen von Lage und Form des Bowdenzuges zur Folge. Für eine exakte Abbildung müssen deshalb verschiedene Aspekte in Betracht gezogen werden. Das Modell berechnet die Lage des Bowdenzuges in Abhängigkeit seiner gegebenen Länge und der Positionen der Clips zur Befestigung an der Karosserie ebenso wie die erforderlichen Betätigungskräfte.

Darüber hinaus wird die Reibung zwischen dem inneren Seil und der umgebenden Hülle in Abhängigkeit der Zugspannung, des Reibkoeffizienten und des Krümmungsradius berücksichtigt. Der Ort der maximalen Krümmung und der zugehörige Umschlingungswinkel werden dabei ebenso berechnet wie die Kräfte, die notwendig sind, um beispielsweise ein Schloss zu entriegeln oder einen anders gearteten Mechanismus zu betätigen.

Während der Projektlaufzeit hat sich herausgestellt, dass Simulationszeit in hohem Maße eingespart werden kann, wenn der Rechenlauf in zwei Phasen aufgeteilt wird. Dabei dienen die Ergebnisse der Vorsimulation als Input für die Hauptsimulation. Im Rahmen der Vorsimulation wird die statische Ausgangslage der Bowdenzüge ermittelt, die für zahlreiche Rechenläufe der Hauptsimulation verwendet werden kann. Während der Vorsimulation werden die Lage sowie die Form der Bowdenzughülle berechnet, ohne das innere Seil mit in Betracht zu ziehen. Eingangsdaten, denen hierbei eine Schlüsselrolle zukommt, sind die Abmessungen des Bowdenzuges wie Länge und Durchmesser.

Darüber hinaus haben die Positionen der Halter an den Enden sowie allen Zwischenpunkten, welche die Befestigung an der Karosserie repräsentieren, und der Reibungskoeffizient zwischen dem inneren Seil und der umgebenden Hülle einen entscheidenden Einfluss. Die anschließende Hauptsimulation liefert die Betätigungskräfte, die Änderungen der Form des Bowdenzuges infolge dieser Kräfte und das zeitabhängige Verhalten aller involvierten Systemkomponenten. Die simulierten Änderungen in Form und Lage können sowohl innerhalb der 3D-Ansicht von SimulationX visualisiert, als auch in ein 3D-CAD-System übertragen werden.

Nutzen

Bedienkomfort frühzeitig virtuell bewerten und absichern

Virtuelle Produktentwicklung hin oder her, die Validierung von Simulationsergebnissen durch den Vergleich mit realen Messungen ist für deren Akzeptanz unerlässlich – so auch im Projekt „Bowdenzüge“, wo die Bewertung anhand geeigneter Szenarien wie z.B. die Öffnung einer Frontklappe oder die Betätigung eines Türschlosses mittels des inneren und äußeren Griffes erfolgte. In allen Anwendungsfällen konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Simulationsergebnissen und den durchgeführten Messungen erreicht werden.

Mit SimulationX kann BMW jetzt die spezifischen Charakteristika von Bowdenzügen schnell und einfach in einem Simulationsmodell abbilden, das noch dazu sehr gut mit der physikalischen Realität übereinstimmt. Zur Berechnung genügt ein Laptop mit 32bit Betriebssystem. Sowohl das Systemverhalten als auch jegliche Parameteränderungen können bereits während der Entwurfsphase berücksichtigt und deren Auswirkungen auf den Bedienkomfort umgehend bewertet werden. Diese Tatsache ist schon heute von großer Bedeutung für die virtuelle Prototypenentwicklung und wird in Zukunft noch wichtiger werden.

Quelle: [1] Andrew Alder und andere: Bowden Cable. http://en.wikipedia.org/wiki/Bowden_Cable

Simulation in der Automobilindustrie

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