Simulation und Modellierung von Antriebssystemen

SimulationX ist unser Favorit für die Simulation, Analyse und Optimierung […] elektromechanischer Antriebe in Kombination mit deren Einsatzgebieten.

Markus Kiele-Dunsche, Lenze Drives GmbH

Mit Antriebsstrangsimulation zu mehr Performance und Präzision

Mechanische Antriebsysteme sind das Herzstück vieler stationärer und mobiler Arbeitsmaschinen sowie von Werkzeugmaschinen, Anlagen und Fahrzeugen. Abhängig vom Maschinentyp sind Ingenieure dabei mit hohen Anforderungen an Geschwindigkeit und präzise Positionierung konfrontiert. Mit einer Software für die Antriebsstrangsimulation legen Sie schnell, zuverlässig und kostengünstig Antriebsstränge unterschiedlicher Maschinen aus und erhalten ein wirtschaftliches Werkzeug zur effizienten Inbetriebnahme und Optimierung Ihrer Antriebssysteme. Steigern Sie so den Wirkungsgrad der gesamten Antriebskette vom Antrieb/Motor über Antriebswellen und Getriebe bis hin zum Abtrieb.

Aufgabe

Wirkungsgrad des Antriebs zuverlässig und exakt bestimmen

Um das Verhalten des Antriebssystems im eingeschwungenen Zustand zu untersuchen, ist die stationäre Analyse im Frequenzbereich eine schnelle und zuverlässige Methode. Für viele Zulassungs- und Zertifizierungsprozesse sind stationäre Berechnungen für den Nachweis der Betriebssicherheit erforderlich.

Werden während der Anlauf- und Verzögerungsvorgänge kritische Frequenzbereiche durchfahren, führt die mit der Zeit veränderliche Frequenz häufig zu niedrigeren oder höheren Amplituden als mit der stationären Analyse berechnet. Auch nichtperiodische Anregungen, wie zum Beispiel Eisschlag bei Schiffsantrieben, können zu erhöhten Belastungen führen. Vor allem für sicherheitsrelevante Antriebe ist es essentiell, das genaue Verhalten des Antriebsstrangs nicht nur im Betriebspunkt, sondern auch bei Störfällen, Notabschaltungen und Havarien zu kennen. Durch transiente Simulation im Zeitbereich erhalten Sie exakte und zuverlässige Ergebnisse für alle Betriebsphasen.

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Lösung & Nutzen

Antriebsstrangsimulation – veränderliche Drehgeschwindigkeits- und Drehmomentverläufe beherrschen

In Triebsträngen mit Verbrennungsmotoren als Antrieb werden Drehschwingungen (Torsionsschwingungen) häufig durch die Drehungleichförmigkeit der Kurbelwelle angeregt. In Folge von Zündaussetzern oder wenn zum Sparen von Treibstoff einzelne Zylinder abgeschaltet werden, entstehen zusätzliche Schwingungen im Antriebssystem.

Spiel in der Lagerung und im Getriebe sowie stark ungleichmäßige, beispielsweise stoßartige Lasten, sorgen für sprunghafte Veränderungen im anliegenden Moment und der Umlauffrequenz.

Hinzu kommt der Einfluss von Dämpfungselementen und elastischen Kupplungen, die oft ein nichtlineares Verhalten aufweisen. Um trotz dieser komplexen Schwingungs- und Lastverläufe sichere Antriebssysteme bereitstellen zu können, werden die einzelnen Komponenten häufig überdimensioniert.

Durch eine Antriebsstrangsimulation sichern Sie die Funktionalität und Betriebssicherheit der Maschine ohne Überdimensionierung. Dadurch 

  • optimieren Sie die Dynamik und Energieeffizienz der Maschine
  • reduzieren Sie den Bauraum für den Antrieb
  • senken Sie Herstellungskosten

Ermitteln Sie exakte Schwingungs- und Lastverläufe in jedem Bauteil und überprüfen Sie die Auswirkung von schwingungsdämpfenden Maßnahmen direkt am Modell. 

Die Simulation von Antriebssystemen, insbesondere von Drehgeschwindigkeit und der Drehmomentverläufen, hilft Ihnen, kostengünstige und effiziente Antriebssysteme und Antriebseinheiten mit besseren, dynamischen Eigenschaften zu entwickeln.

Stark schwingungsbelastete Antriebe, die Sie mittels Antriebsstrangsimulation modellieren können, befinden sich zum Beispiel in

  • Schiffen
  • Generatoren
  • Windkraftanlagen
  • Baumaschinen
  • Schreddern und Häckslern
  • Brechern und Bandförderanlagen
  • Rütteltischen und Schwingförderern
  • Zentrifugen
Beispiele aus der Praxis

  • BMW optimiert Antriebsstrang mittels Systemsimulation

    Berechnungsingenieure haben bereits frühzeitig in der Antriebsstrang-Entwicklung den Fahrkomfort sicher im Griff. 

    zur BMW-Anwendung

  • Antriebsstrangsimulation bei LuK

    Schaeffler erklärt SimulationX zur bevorzugten Modellierungs- und Berechnungssoftware für dynamische Systeme.

    zum LUK-Anwenderbericht

  • TU Dresden steigert mit Simulation Performance und Energieeffizienz

    Präzise Analysen von Längsdynamik und Energieeffizienz der Antriebe in Formula-Student-Rennwagen durch das Team Elbflorace der TU Dresden.

    zur Elbflorace-Anwendung
    • Ketten- und Riementriebe

    Effiziente Auslegung von Ketten- und Riementrieben durch virtuelles Modellieren

    Riemen- und Kettentriebe übertragen Drehmomente durch eine translatorische Bewegung von einem Antrieb an einen oder mehrere Abtriebe. Verwendet werden sie zum Beispiel in Fahrzeugen, Land- und Baumaschinen, Werkzeug und Verarbeitungsmaschinen, aber auch in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen und Rasenmähern. Ketten und Riemen übertragen Drehbewegungen und die eingeleiteten Drehmomentschwankungen von einer Welle auf eine andere. Im Gegensatz zu Zahnrädern und Wellen lassen sich dabei keine Druckkräfte übertragen.

    Riementriebe modellieren

    Insbesondere abruptes Abbremsen kann dazu führen, dass ein Riemen Falten wirft oder von der Antriebsscheibe springt. Wird das Drehmoment an der Antriebsscheibe sprunghaft gesteigert, kann im ungünstigen Fall das Moment nicht mehr durch Kraftschluss übertragen werden. Folge: Der Riemen rutscht durch. Mithilfe einer Simulationssoftware analysieren Sie schnell und zuverlässig auftretende Vibrationen im Riemen, stellen fest, inwieweit der Riementrieb die gewünschte Funktion erfüllt, und untersuchen dessen Einflüsse auf das Übertragungsverhalten des gesamten Antriebstrangs. Die gewonnenen Daten helfen Ihnen, folgende beispielhaften Fragen zu beantworten:

    • Welchen Einfluss hat das Riemengetriebe (unter anderem in Folge der Dämpfungseigenschaften) auf das Gesamtverhalten des Antriebstrangs?
    • Kann der Riemen das gewünschte Drehmoment übertragen?
    • Wie verhält sich der Riemen bei Drehmomentschwankungen?
    • Wie verhält sich der Riementrieb bei Havarien und Not-Aus-Szenarien?
    • Besteht die Gefahr von Faltenbildung oder dass der Riemen von der Scheibe springt?
    • Welche Belastungen und Trumkräfte treten innerhalb des Riemens auf?
    • Besteht die Gefahr, dass der Riemen reißt?
    • Welche Lebensdauer des Riemens kann ich aufgrund der Belastungen erwarten?
    25 Jahre multiphysikalische Simulationskompetenz

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    Auch Einsteiger lösen mit SimulationX schwierige multiphysikalische Aufgaben schnell und exakt

    Die Simulationssoftware bietet u.a. sofort einsatzbereite Anwendungspakete für viele typische Entwicklungsaufgaben zur Modellierung und Simulation von Antriebssystemen.

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    Gesteuerte und geregelte Antriebe

    Gesteuerte und geregelte Antriebe effizient auslegen und testen

    Um Taktzeiten in der Produktion zu verkürzen und gleichzeitig eine hohe Bearbeitungsqualität zu sichern, muss die Positionierung von Vorschubachsen in Dreh- und Fräsmaschinen sowie Bearbeitungszentren schnell und präzise erfolgen. Hierzu ist eine fein abgestimmte Regelung erforderlich. Für beste Ergebnisse müssen Regelung und Mechanik reibungslos zusammenarbeiten, um die Stabilität der Regelstrecke und die geforderte Regelgüte zu erreichen.

    Setzen Sie Regelungstechnik zur aktiven Schwingungsdämpfung ein, hat dies gegenüber passiver Schwingungsdämpfung den Vorteil, dass Energieverluste im Antriebssystem minimiert werden können. Auch bei Antriebsschlupfregelungen (Traktionskontrollen), zum Beispiel in Fahrzeugen und bei Bandanlagen, sind Regelungstechnik und Antriebstechnik eng miteinander verzahnt. Indem Sie unterschiedliche Varianten unkompliziert an einem Simulationsmodell überprüfen, testen Sie höchst effizient Regelungsstrategien für optimal ausgelegte, geregelte Antriebssysteme. Weiterhin testen Sie schnell und komfortabel das Zusammenspiel Ihrer Steuergeräte und -algorithmen mit unterschiedlichen Lastszenarien und Produktkonfigurationen.

    Hybrider Antrieb

    Optimale Betriebsstrategien hybrider Antriebe

    In elektrohybriden Antriebssträngen interessiert neben dem mechanischen Verhalten insbesondere die optimale Betriebsstrategie. Darüber hinaus stellen sich Fragen zu den erforderlichen Eigenschaften des Energiespeichers sowie der Energiebereitstellung, zum Beispiel in Form von Oberleitungen oder Induktionsschleifen:

    • Welche Konfiguration aus Verbrennungs- und Elektromotor eignet sich am besten für das gegebene Betriebsprofil?
    • Wie groß muss der Energiespeicher dimensioniert sein?
    • Welche elektrischen Energiemengen müssen in welcher Zeit durch die Batterie oder Oberleitung bereitgestellt bzw. abgeführt werden können?
    • Was ist die beste Betriebsstrategie zwischen Laden und Entladen der Batterie bzw. Fahren mit Elektro- und/oder Verbrennungsmotor?

    Mithilfe einer Systemsimulation hybrider Antriebssysteme erhalten Sie Antwort auf diese Fragen. Testen Sie eine Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen und Lastszenarien in kurzer Zeit. Ermitteln Sie die optimale Ausführung der Systemkomponenten und die wirtschaftlichste Betriebsstrategie für Ihren hybriden Antrieb.

    Experten für Antriebsstrangsimulation in allen Branchen

    BorgWarner, Getrag, Hoerbiger, Lenze, LuK, ZF und andere simulieren und optimieren Antriebssysteme mit multiphysikalischer Simulation.

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