BMX Funktionalitäten zur BMX – Funktionalitäten zur Berechnung
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Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX – Funktionalitäten zur Berechnung des Massenausgleichs Dipl.-Ing. p g Daniel Denninger g Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 1 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g 1 Einleitung - Schubkurbel 2 Analyse der Schubkurbel 3 Zielkriterien der Optimierung 4 BMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ 5 Lancaster Ausgleich 6 Ergebnisse Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 2 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Einleitung g - Schubkurbel Massenausgleich einer Schubkurbel • Die Schubkurbel ist eines der bekanntesten und am häufigsten verwendeten Koppelgetriebe. • Sie dient der Umwandlung einer rotatorischen Bewegung (Kurbel) in eine translatorische Bewegung (Schieber) bzw. umgekehrt. • Bekanntestes Beispiel eines Schubkurbelgetriebes ist der Kolbenmotor. • Durch die ungleichförmige Bewegungsübertragung werden oszillierende Massenkräfte erzeugt, die zu Gestellschwingungen führen können. Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 3 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Einleitung g - Schubkurbel Problemstellung FRAGE: Wie finde ich die optimale Abmessung eines M Massenausgleichssegmentes l i h t fü für verschiedene Ausgleichsvorgaben? LÖSUNG: Optimierung der Massenparameter eines M ti Sk l tt mit Motion-Skeletts it Hilfe Hilf Behavioral B h i l Modeling Extension! Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 4 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Einleitung g - Schubkurbel Skizze einer ebenen, zentrischen Schubkurbel y x Getriebeglieder Schieber Koppel Kurbel Gestell (Kurbellager) Gestell (Führung) Dipl.-Ing. Daniel Denninger Massenparameter 4 3 2 1 1 Schieber Koppel Kurbel Gestell (Kurbellager) Gestell (Führung) Folie 5 m4; Js4 m3; Js3 m2; Js2 m1; m1; SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Analyse y der Schubkurbel Aufbau eines Motion-Skelettes „Schubkurbel“ 1 Erzeugen einer neuen Baugruppe 1. 2. Komponentenerzeugung mit den Einstellungen Typ: Skelettmodell / Untertyp: Motion 3. Motionskelett aktivieren & Skizze erzeugen 4. Skelett-Körper erzeugen mit den Einstellungen Typ: Skelettmodell / Untertyp: Körper 5. Der erste Körper ist immer gestellfest 6. Weitere Komponenten erzeugen und platzieren 7. Bewegungsfähigkeit testen („Punkt Ziehen“) Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 6 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Analyse y der Schubkurbel „Dynamische“ Analyse der Schubkurbel 1 In 1. I Pro/Mechanismus P /M h i ist i t ein i entsprechender t h d Antrieb (Servomotor) zu definieren. 2. Anschließend können alle funktionsrelevanten Mechanismus KE´s (Getriebeverbindungen etc.) definiert werden. 3 Relevante Messgrößen zum Analysieren und 3. Optimieren des Getriebes sind zu erzeugen. 4. Um den Massenausgleich mit BMX zu berechnen muss eine „Dynamische Analyse“ ausgeführt werden. 5. Die Analyse des bestehenden Getriebes ist die Voraussetzung für die Definition der Optimierungskriterien. Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 7 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Analyse y der Schubkurbel „Dynamische“ Analyse der Schubkurbel Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 8 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Zielkriterien der Optimierung p g Grundlagen zum „Ausgleich eines Verdichters“ • Für den idealisierten Fall einer ebenen Schubkurbel sind entsprechende Berechnungsbeispiele zur Ermittlung eines Massenausgleiches vorhanden. (Beispiel: Harmonischer Ausgleich eines Verdichters; Dresig / Rockhausen) • Im Vordergrund steht die Reduktion von Gestellschwingungen die aus der ungleichförmigen Bewegungsübertragung und daraus resultierenden Massenkräften zu erwarten sind (bei konstanter Antriebswinkelgeschwindigkeit). • Mit einer Ausgleichsmasse (Segment) an der Kurbel wird versucht, das Erregerspektrum zu verändern verändern, um nicht in die Regionen der Eigenfrequenz des Gestells zu gelangen gelangen. • Somit kann beispielsweise die 1. Harmonische der resultierenden Gestellkraftkomponente Fx verringert werden. • Mit Hilfe dieses Berechnungsbeispieles können die Ergebnisse der BMX-Optimierung analytisch gegen gerechnet werden. [ Lit.: Lit : Dresig/Rockhausen: Aufgabensammlung Maschinendynamik. Maschinendynamik Leipzig; 1994 Dresig/Naake: Vollständiger und harmonischer Ausgleich ebener Mechanismen. VDI; 1994] Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 9 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Zielkriterien der Optimierung p g Optimierung: Schwerpunkt, Kräfte, Momente… A ht Achtung: 1. Ziel ist die Reduktion von Gestellkraftkomponenten -> Messgrößen g bezüglich g dem Gestell definieren 2. Die Bedienung der BMX-Optimierung erscheint relativ simpel, aber: • Was will ich optimieren? • Bezüglich welcher Parameter? • Welche Effekte kann ich erzielen? • Entsprechen meine Simulationsergebnisse der Realität? Das Optimierungstool kann ein grundlegendes Verständnis d Problematik der P bl tik nicht i ht ersetzen. t Bemühen B üh Sie Si einschlägige i hlä i Literatur Lit t um Fehler bei der Definition von Zielkriterien zu vermeiden. Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 10 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX - „„Durchführbarkeit/Optimierung“ p g Ausführen einer Bewegungsanalyse Beispiel: Gestellkraftkomponente Fy (senkrecht zur Schubrichtung) 1 Erzeugung einer Messgröße für die 1. Gestellkraftkomponente Fy Tipp: Motion-Skelett gestellfest einbauen 2. Ausführen einer Bewegungsanalyse und KE hinzufügen 3. Speichern p der Parameter Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 11 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX - „„Durchführbarkeit/Optimierung“ p g Bewegungsanalyse der Gestellkraftkomponente Fy Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 12 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX - „„Durchführbarkeit/Optimierung“ p g Vorgehensweise „Durchführbarkeit/Optimierung“ 1. Erzeugen und Einfügen eines Segmentrohlings (Kurbel). Ziel: Optimierung Geometrie -> Volumen ->Massenparameter 2 Starten einer Optimierungsstudie: 2. • Ziel: Minimierung der Maxima d Gestellkraftkomponente der G t llk ftk t Fy F • Bedingungen: Keine • Variablen: Segmentgeometrien 3. Ergebnis: Konvergenzgraph zeigt Optimierung der Gestellkraftkomponente Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 13 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX - „„Durchführbarkeit/Optimierung“ p g Optimierung der Gestellkraftkomponente Fy Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 14 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX - „„Durchführbarkeit/Optimierung“ p g „Dynamische“ Analyse der Schubkurbel mit Fy - Ausgleich Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 15 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g BMX - „„Durchführbarkeit/Optimierung“ p g Schwerpunktlage des Schubkurbelgetriebes • Im Diagramm ist die Lage des Massenschwerpunktes während einer vollständigen Kurbelumdrehung dargestellt dargestellt. Schwerpunktlage p g X Schwerpunktlage [mm] • Vor dem Anbringen des Ausgleiches ist eine deutliche Ausdehnung in x- und y-Richtung x y Richtung erkennbar (grün). • Durch den Ausgleich der Gestellkraftkomponente Fy oszilliert der resultierende Massenschwerpunkt der Schubkurbel in x-Richtung (rot). 350 300 mit yAusgleich 250 200 150 50 vor dem Ausgleich 100 • Zum weiterführenden Ausgleich muss d S das System t um eine i gegensinnig i i oszillierende Trägheit erweitert werden. 50 0 25 -25 -20 20 -15 15 -10 10 -5 5 0 5 10 15 20 25 Schwerpunktlage Y [mm] Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 16 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Lancaster Ausgleich g Weiterführende Ausgleichsmöglichkeiten • An einer Welle kann nur eine rotierende Kraft und/oder ein rotierendes Moment erzeugt werden. • Mit zwei Ausgleichswellen, die gegenläufigen Drehsinn aufweisen f i (s. ( Bild), Bild) kann k eine i oszillierende illi d Kraft K f und/oder ein oszillierendes Moment erzeugt werden. • Eine Übersetzungsstufe stellt dabei die Motorordnung ein (b i 4 (bei 4-Zylindermotoren Z li d t wird i d meist i t di die d doppelte lt D Drehzahl h hl mit gegenläufigem Drehsinn gewählt um die Massenkräfte 2. Ordnung zu reduzieren). • Der D gemeinsame i S Schwerpunkt h kt d der A Ausgleichsmassen l i h muss sich in der Motormittelebene befinden (s. Bild). • Wenn die Ausgleichswellen auf gleicher Höhe liegen, erzeugen sie eine oszillierende illi d Kraft K ft der d 2. 2 O Ordnung. d Höh Höhenversetzte t t A Ausgleichswellen l i h ll können ein zusätzliches Wechselmoment der 2. Ordnung um die Motorlängsachse erzeugen. [ Lit.: Mass/Klier: Kräfte, Momente und deren Ausgleich in der Verbrennungskraftmaschine. (Die Verbrennungskraftmaschine Band 2) Wien; 1981] Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 17 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Lancaster Ausgleich g „Dynamische“ Analyse der Schubkurbel mit Lancaster-Ausgleich Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 18 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Ergebnisse g Schwerpunktlage und Kräfte Gestellkraftkomponente p Fy y Kraft [N] 9 7 5 3 1 -1 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 -3 -5 7 -7 -9 Zeit [sec] Gestellkraftkomponente Fx Kraft [N] 30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15 15 -20 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 Zeit [sec] Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 19 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Ergebnisse g Schwerpunktlage und Kräfte Schwerpunktlage X [mm] Schwerpunktlage 350 300 mit yAusgleich vor dem Ausgleich 250 200 150 100 50 0 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 -50 -100 LancasterAusgleich Schwerpunktlage Y [mm] Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 20 SAXSIM 27.04.2010 Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik g Fragen? g Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl. Ing. Daniel Denninger TECHNISCHE UNIVERSITÄT CHEMNITZ Professur Montage- und Handhabungstechnik Email: [email protected] URL: http://www.tu-chemnitz.de/mb/MHT Tel.: +49 (0) 371 531 38476 Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 21 SAXSIM 27.04.2010