Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten für den Betriebsfestigkeitsnachweis von Fahrwerkskomponenten
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- Hannah Falk
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1 Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten für den Betriebsfestigkeitsnachweis von Fahrwerkskomponenten N. Weigel, Daimler AG, Stuttgart-Untertürkheim Konferenz Dynamiksimulation in der Fahrzeugentwicklung, St. Valentin, Mai 2010
2 1. Betriebsfestigkeitsnachweis Fahrwerk bei Mercedes-Benz Vans 2. Ableitung Erprobungskonzept für eine Schräglenker-Hinterachse Prüfvereinfachung/-verkürzung durch Starrsetzen Feder/Dämpfer Zielgrößen Dehnungen Randbedingungen Prüfstand 3. Ergebnisse Dehnungen Meßradkräfte-, momente Konvergenz 4. Zusammenfassung, weitere Schritte Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 2
3 Betriebsfestigkeitsnachweis Fahrwerk bei Mercedes-Benz Vans Verw Aufbau indung Aufbau Nicken Fz_RAD RAP 1.000% 100% Fz_tiefreq._RAD RAP Fz_hochfreq._RAD RAP Aufbau Wanken 10% Fx_MVR MR v Hub-Einfederung Aufbau 1% Fx_MHR MR h Lenken Bremsen_VR Strecke Schlechtweg-Ut. ergänzt Fy_HR MR h Fy_VR MR v Antreiben_HR Bremsen_HR km SW-Ut.+Bremsen Bahn 7+Ergänzungen vs km Kunde (Kuko 1%-Quantil) Typ Länge Testgelände (nicht öffentlich) 6,25 km pro Zyklus 1 Zyklus = 5 Runden à 1,25 km + Bremsen Bahn 7 + Wedeln, Wanken, Lenken, Bremsen Betriebsfestigkeitsnachweis Fahrwerk beruht auf Schlechtweg mit Ergänzungen Verifizierte Übereinstimmung Schlechtweg mit Ergänzungen vs. Kunden Auslegungskunde Transporter (Alko) weicht von Auslegungskunde PKW (Kuko) z.t. ab Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 3
4 Betriebsfestigkeitsnachweis Fahrwerk bei Mercedes-Benz Vans Werkzeuge Abstraktionsgrad Straße SW fest inst. Prüfstände Bedarfsprüfstände Prüfdauer in Tagen ,1 Kunde Kunde SW-Strecke SW- Strecke Fzg.-PS Fzg.- prüfstand - Effizienzgewinn durch Starrsetzen - bei Erhalt der Reproduktionsgüte Fahrwerk-PS Einstufenversuch Fahrwerkprüfstand Einzelteil-PS Probekörper Einzelteilprüfstand Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 4
5 Ableitung Erprobungskonzept für eine Schräglenker-Hinterachse (1) Effizienzgewinn durch Starrsetzen Feder/Dämpfer Kühlung Dämpfer, Elastomere Austausch Elastomere Zielgrößen: 7 DMS Schädigung: 50% 200% Min/Max: +/- 10% Schlechtweg, Bremsen auf Schlechtweg (F x, F z, M y ), Wedeln (F y, F z, M x ) Aufgabenstellung: Konzeptentwurf, -absicherung Anregungssignale Möglichst auf 12k-Achsprüfstand umsetzbar wegen Struktur Prüffeld Mercedes-Benz Vans Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 5
6 Ableitung Erprobungskonzept für eine Schräglenker-Hinterachse (2) MKS-Modell HA FE-Modell Schräglenker Validierung Optimierung Fahrzeugmessung Konzeptentwurf Zielgrößen Konzeptabsicherung, Lastdatengenerierung Erprobungskonzept: - Feder durch starre Stange ersetzt - Stange drehbar auf Achse u. Karosse - Dämpfer entfernt Umsetzung/Verifikation auf Prüfstand Daimler Magna Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 6
7 Zielgrößen der Iteration: aus Messung oder synthetisch Iteration auf gemessene Dehnungen Einschränkung: Nur dann zielführend, wenn das Modell auch Dehnungen mit sehr hoher Güte reproduziert I.allg. nicht zu erwarten: Lage und Orientierung der DMS müssen exakt abgebildet werden (Gradienten an hot spots) Im Rahmen von MKS nur vereinfachte Dehnungsberechnung Iteration auf synthetische Dehnungen Modell der federnden Achse mit MR-Kräften anregen => synthetische Dehnungen Einschränkung: Lastdaten für Erprobungskonzept (starrgesetzt) werden nicht auf Basis der wahren Dehnungen iteriert Erwartung: Da beiden Simulationen 1. Berechnung synthetische Dehnungen 2. Virtuelle Iteration der Anregungskräfte für das starrgesetzte System das gleiche FE-Modell zugrunde liegt, erwartet man, dass der o.g. Fehler gegenkompensiert wird gewählte Vorgehensweise Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 7
8 Beurteilung des globalen Verhaltens über Beschleunigungen ACCX (Zoom): ACCX: - synth. Messung - Simulation (10. It.) ACCY (Zoom): ACCY: Beschleunigungen sind keine Iterationsgrößen Dennoch sehr gute Übereinstimmung für a x, a y Einschränkungen: Effekt Starrsetzung, Unterdrückung Resonanzen Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 8
9 Beurteilung des globalen Verhaltens über Beschleunigungen/Wege ACCZ (Zoom): ACCZ: - synth. Messung - Simulation (10. It.) Beschleunigungen und Wege sind keine Iterationsgrößen Praktisch keine Vertikalbewegung aufgrund Starrsetzung Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 9
10 Beurteilung der Iterationsgüte über Dehnungen (1) roh (Zoom): roh: rst (Zoom): rst: Für alle DMS hervorragende Iterationsgüte im Zeit- und Frequenzbereich Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 10
11 Beurteilung der Iterationsgüte über Dehnungen (2) 2,0 Zielgrößen Zielgrößen Schädigung erreicht % der Zielwerte Stetige Konvergenz, 10 Schritte reichen aus Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 11
12 Iterierte Anregungskräfte am Meßrad Fx: Fy: Fz: Mx: My: Mz: Hohe Iterationsgüte bei Dehnungen wird durch signifikante Anhebung F y (0-17 Hz) und M z (0-27 Hz) erreicht Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 12
13 Reaktionskräfte in der (Feder-)Stange -Federkraft ORIGINAL MESSUNG -Federkraft SYNT. SIGNAL -Stangenkraft bei Iteration auf synt. Signal I.w. sehr gute Übereinstimmung mit federndem Achsprüfstand Einzelne Lastspitzen müssen untersucht werden hinsichtlich Lasteinleitungsbereich Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 13
14 Lastfall Bremsen: Iterierte Anregungskräfte am Meßrad Fx: Fz: My: Fy: Mz: Iterationsgüte DMS beim Bremsen analog Schlechtweg Hohe Iterationsgüte bei Dehnungen wird durch signifikante Anhebung F y und M z erreicht Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 14
15 Lastfall Wedeln: Iterierte Anregungskräfte am Meßrad Fy: Fz: Mx: Fx: Mz: Iterationsgüte DMS beim Bremsen analog Schlechtweg Hohe Iterationsgüte bei Dehnungen wird durch signifikante Anhebung F x und M z erreicht Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 15
16 Zusammenfassung/Weitere Schritte (1) Zusammenfassung: 1. Es wurde ein Konzept zur zeiteffizienten, nicht-federnden Erprobung einer Schräglenker- Hinterachse ausgearbeitet und mittels MKS-Simulation abgesichert Die Feder wird durch eine beidseitig kardanisch gelagerte Stange ersetzt Der Dämpfer wird entfernt 2. Durch virtuelle Iteration konnten die Anregungssignale so an das Erprobungskonzept angepasst werden, dass die Zielgrößen (7 DMS auf dem Schräglenker) bei allen Manövern sehr gut reproduziert werden 3. In der starren Stange tritt bis auf einige Kraftspitzen ein ähnliches Lastniveau wie in der Feder auf 4. Die gesamte Spannungsverteilung im Bauteil ist noch zu verifizieren Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 16
17 Zusammenfassung/Weitere Schritte (2) Weitere Schritte: 1. Schädigungsrechnung des gesamten Bauteils auf Basis FE: Bewertung der Lastspitzen in der (Feder-)Stange Absicherung der Lastausleitungsbereiche (Stange, ex-dämpfer) 2. Umsetzung/Verifikation auf Prüfstand Wie lassen sich die auf synthetischen Dehnungen beruhenden iterierten Anregungssignale auf dem Prüfstand umsetzen? 3. Umsetzung auf Achsvarianten (Nachfolgefahrzeug) Iterierte Meßradkräfte über Hybrid Road-Verfahren an Achsvariante anpassen Dehnungen ableiten Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 17
18 Beurteilung der Iterationsgüte über Dehnungen (1) roh (Zoom): roh: rst (Zoom): rst: Für alle DMS hervorragende Iterationsgüte im Zeit- und Frequenzbereich Dr. N. Weigel, VAN/EAR Virtuelle Ableitung von Erprobungskonzepten und Lastdaten Betriebsfestigkeit, Folie 18
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