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BMX – Funktionalitäten zurFunktionalitäten zur Berechnung ... fileTipps & Tricks Professur...

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Tipps & Tricks Professur Montage- und Handhabungstechnik BMX Funktionalitäten zur BMX Funktionalitäten zur Berechnung des Massenausgleichs Dipl.-Ing. Daniel Denninger Folie 1 Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010
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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikg

BMX Funktionalitäten zurBMX – Funktionalitäten zur Berechnung des Massenausgleichs

Dipl.-Ing. Daniel Denningerp g g

Folie 1Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikg

1 Einleitung Schubkurbel1 Einleitung - Schubkurbel

2 Analyse der Schubkurbel

3 Zielkriterien der Optimierung

4 BMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“

5 Lancaster Ausgleich5 Lancaster Ausgleich

6 Ergebnisse

Folie 2Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikEinleitung - Schubkurbel gg

Massenausgleich einer Schubkurbel

• Die Schubkurbel ist eines der bekanntesten und am häufigsten verwendeten Koppelgetriebe.

• Sie dient der Umwandlung einerSie 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.

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikEinleitung - Schubkurbel g

Problemstellung

g

FRAGE:Wie finde ich die optimale Abmessung eines M l i h t füMassenausgleichssegmentes für verschiedene Ausgleichsvorgaben?

LÖSUNG: Optimierung der Massenparameter eines M ti Sk l tt it Hilf B h i lMotion-Skeletts mit Hilfe BehavioralModeling Extension!

Folie 4Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikEinleitung - Schubkurbel g

Skizze einer ebenen, zentrischen Schubkurbel

g

y

x

Getriebeglieder

x

Massenparameter

Schieber 4Koppel 3Kurbel 2Gestell (Kurbellager) 1

Schieber m4; Js4Koppel m3; Js3Kurbel m2; Js2Gestell (Kurbellager) m1;

Folie 5Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

Gestell (Kurbellager) 1Gestell (Führung) 1

Gestell (Kurbellager) m1;Gestell (Führung) m1;

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikAnalyse der Schubkurbel g

1 Erzeugen einer neuen Baugruppe

Aufbau eines Motion-Skelettes „Schubkurbel“

y

1. Erzeugen einer neuen Baugruppe

2. Komponentenerzeugung mit den Einstellungen Typ: Skelettmodell / Untertyp: Motion

3. Motionskelett aktivieren & Skizze erzeugen

4. Skelett-Körper erzeugen mit den EinstellungenTyp: Skelettmodell / Untertyp: Körper

5. Der erste Körper ist immer gestellfest

6. Weitere Komponenten erzeugen und platzieren

7. Bewegungsfähigkeit testen („Punkt Ziehen“)

Folie 6Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikAnalyse der Schubkurbel g

1 I P /M h i i t i t h d

y

„Dynamische“ Analyse der Schubkurbel

1. In Pro/Mechanismus ist ein entsprechender Antrieb (Servomotor) zu definieren.

2. Anschließend können alle funktionsrelevanten Mechanismus KE´s (Getriebeverbindungen etc.) definiert werden.

3 Relevante Messgrößen zum Analysieren und3. Relevante Messgrößen zum Analysieren undOptimieren 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

Folie 7Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

Voraussetzung für die Definition der Optimierungskriterien.

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikAnalyse der Schubkurbel gy

„Dynamische“ Analyse der Schubkurbel

Folie 8Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikZielkriterien der Optimierung gp g

Grundlagen zum „Ausgleich eines Verdichters“

• Für den idealisierten Fall einer ebenen Schubkurbel sind entsprechende Berechnungsbeispiele zur Ermittlung eines Massenausgleiches vorhanden. (Beispiel: HarmonischerAusgleich eines Verdichters; Dresig / Rockhausen)Ausgleich eines Verdichters; Dresig / Rockhausen)

• Im Vordergrund steht die Reduktion von Gestell-schwingungen die aus der ungleichförmigen Bewegungs-übertragung und daraus resultierenden Massenkräftenübertragung und daraus resultierenden Massenkräften zu erwarten sind (bei konstanter Antriebswinkelgeschwindigkeit).

• Mit einer Ausgleichsmasse (Segment) an der Kurbel wird versucht, das Erregerspektrumzu verändern um nicht in die Regionen der Eigenfrequenz des Gestells zu gelangenzu verändern, um nicht in die Regionen der Eigenfrequenz des Gestells zu gelangen.

• Somit kann beispielsweise die 1. Harmonische der resultierenden Gestellkraftkomponente Fx verringert werden.

• Mit Hilfe dieses Berechnungsbeispieles können die Ergebnisse der BMX-Optimierunganalytisch gegen gerechnet werden.

[ Lit : Dresig/Rockhausen: Aufgabensammlung Maschinendynamik Leipzig; 1994

Folie 9Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

[ Lit.: Dresig/Rockhausen: Aufgabensammlung Maschinendynamik. Leipzig; 1994 Dresig/Naake: Vollständiger und harmonischer Ausgleich

ebener Mechanismen. VDI; 1994]

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikZielkriterien der Optimierung g

Optimierung: Schwerpunkt, Kräfte, Momente…

A ht

p g

Achtung:

1. Ziel ist die Reduktion von Gestellkraftkomponenten-> Messgrößen bezüglich dem Gestell definiereng g

2. Die Bedienung der BMX-Optimierung erscheintrelativ 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 P bl tik i ht t B üh Si i hlä i Lit t

Folie 10Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

der Problematik nicht ersetzen. Bemühen Sie einschlägige Literaturum Fehler bei der Definition von Zielkriterien zu vermeiden.

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikBMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ g„ p g

Ausführen einer Bewegungsanalyse

1 Erzeugung einer Messgröße für die

Beispiel: Gestellkraftkomponente Fy(senkrecht zur Schubrichtung)

1. Erzeugung einer Messgröße für die Gestellkraftkomponente FyTipp: Motion-Skelett gestellfest einbauen

2. Ausführen einer Bewegungsanalyseund KE hinzufügen

3. Speichern der Parameterp

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikBMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ g„ p g

Bewegungsanalyse der Gestellkraftkomponente Fy

Folie 12Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikBMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ g„ p g

Vorgehensweise „Durchführbarkeit/Optimierung“

1. Erzeugen und Einfügen eines Segmentrohlings (Kurbel).Ziel: Optimierung Geometrie -> Volumen ->Massenparameter

2 Starten einer Optimierungsstudie:

• Ziel: Minimierung der Maxima d G t llk ftk t F

2. Starten einer Optimierungsstudie:

der Gestellkraftkomponente Fy• Bedingungen: Keine

• Variablen: Segmentgeometrien

3. Ergebnis: Konvergenzgraph zeigt Optimierung derGestellkraftkomponenteGestellkraftkomponente

Folie 13Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikBMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ g„ p g

Optimierung der Gestellkraftkomponente Fy

Folie 14Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikBMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ g

„Dynamische“ Analyse der Schubkurbel mit Fy - Ausgleich

„ p g

Folie 15Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikBMX - „Durchführbarkeit/Optimierung“ g„ p g

Schwerpunktlage des SchubkurbelgetriebesSchwerpunktlage X Schwerpunktlage

350

p g[mm]

Schwerpunktlage• Im Diagramm ist die Lage desMassenschwerpunktes währendeiner vollständigen Kurbelumdrehungdargestellt

250

300 mit y-Ausgleich

dargestellt.

• Vor dem Anbringen des Ausgleichesist eine deutliche Ausdehnung in x- und y-Richtung erkennbar (grün).

150

200

x und y Richtung erkennbar (grün).

• Durch den Ausgleich der Gestellkraft-komponente Fy oszilliert der resultierende Massenschwerpunkt

100

50

vor demAusgleich

resultierende Massenschwerpunkt der Schubkurbel in x-Richtung (rot).

• Zum weiterführenden Ausgleich mussd S t i i i

0

50

25 20 15 10 5 0 5 10 15 20 25

das System um eine gegensinnig oszillierende Trägheit erweitert werden.

Folie 16Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Schwerpunktlage Y [mm]

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikLancaster Ausgleich gg

Weiterführende Ausgleichsmöglichkeiten

• An einer Welle kann nur eine rotierende Kraft und/oder ein rotierendes Moment erzeugt werden.

• Mit zwei Ausgleichswellen, die gegenläufigen Drehsinnf i ( Bild) k i illi d K faufweisen (s. Bild), kann eine oszillierende Kraft

und/oder ein oszillierendes Moment erzeugt werden.

• Eine Übersetzungsstufe stellt dabei die Motorordnung ein (b i 4 Z li d t i d i t di d lt D h hl(bei 4-Zylindermotoren wird meist die doppelte Drehzahl mit gegenläufigem Drehsinn gewählt um die Massenkräfte 2. Ordnung zu reduzieren).

D i S h kt d A l i h• Der gemeinsame Schwerpunkt der Ausgleichsmassen musssich in der Motormittelebene befinden (s. Bild).

• Wenn die Ausgleichswellen auf gleicher Höhe liegen, erzeugen sie eineilli d K ft d 2 O d Höh t t A l i h lloszillierende Kraft der 2. Ordnung. Höhenversetzte Ausgleichswellen

können ein zusätzliches Wechselmoment der 2. Ordnung um die Motorlängsachse erzeugen.

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[ Lit.: Mass/Klier: Kräfte, Momente und deren Ausgleich in der Verbrennungskraftmaschine.(Die Verbrennungskraftmaschine Band 2) Wien; 1981]

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikLancaster Ausgleich gg

„Dynamische“ Analyse der Schubkurbel mit Lancaster-Ausgleich

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikErgebnisse gg

Schwerpunktlage und KräfteKraft [N] Gestellkraftkomponente Fy

3579

p y

7-5-3-11

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

-9-7

Zeit [sec]

Kraft [N] Gestellkraftkomponente Fx

1015202530

15-10

-505

10

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2

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-20-15

Zeit [sec]

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikErgebnisse gg

Schwerpunktlage und Kräfte

Schwerpunktlage X [mm] Schwerpunktlage

300

350

Schwerpunktlage X [mm] Schwerpunktlage

200

250

300mit y-Ausgleichvor dem

Ausgleich

100

150

200

0

50

100

-100

-50

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Lancaster-Ausgleich

Folie 20Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

Schwerpunktlage Y [mm]

Ausgleich

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Tipps & TricksProfessur Montage- undHandhabungstechnikFragen? gg

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Dipl. Ing. Daniel Denninger

TECHNISCHE UNIVERSITÄT CHEMNITZProfessur Montage- und Handhabungstechnik

Folie 21Dipl.-Ing. Daniel Denninger SAXSIM 27.04.2010

Email: [email protected]: http://www.tu-chemnitz.de/mb/MHTTel.: +49 (0) 371 531 38476


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