Prof. Dr.-Ing. Heinrich Kühlert Mechatronik, Technische Mechanik und Dynamik seit 1998

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1 Institutsmitglieder Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Panreck Mess- und Regelungstechnik seit 2011 Prof. Dr.-Ing. Dirk Weidemann Regelungstechnik und Prozessautomatisierung seit 2009 Prof. Dr.-Ing. Heinrich Kühlert Mechatronik, Technische Mechanik und Dynamik seit 1998 Prof. Dr.-Ing. Sebastian Hoffmann Elektrotechnik und Automatisierungstechnik seit 2011 Prof. Dr.-Ing. Joachim Waßmuth Elektrotechnische Gebiete der Mechatronik seit 2009 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann Mehrkörpersimulation (MKS) und Finite-Elemente-Methoden (FEM) seit 2009 Prof. Dr. rer. nat. Axel Schneider Ingenieurinformatik seit / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

2 Semi-aktive Dämpfung zur Erhöhung des Fahrkomforts eines Rollstuhls Donnerstag, Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

3 Inhalt 1. Einführung 2. Optimierung Rollstuhl 2.1. Methodisches Vorgehen 2.2. Untersuchung Fahrdynamik / Komfortsteigerung 2.3. Einsatz von semi-aktiven Dämpfern 3. Innovatives Komfortkonzept

4 2.1 Methodisches Vorgehen

5 LoCoMS - Projektstruktur Simulationsmodell Mechatronischer Baukasten (Controller, Sensoren, Aktoren) Phase 1: Analyse Sound and Vibration Inspector Phase 2: Entwurf Sound and Vibration Expert Phase 3: Realisierung Aufgabe Systemanalyse Klassenwissen Anwendungs -klasse Simulationsmodell Systementwurf mit MiL Lowcost Mechatronic System Simulationsmodell Technisches System (Anwendung) 5 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

6 2.1 Komfortverbesserung eines elektr. Rollstuhls Hintergrund: Untersuchung des Dynamikverhaltens des Rollstuhls Invacare Storm 4 X-plore im FuE-Projekt LoCoMS Produktqualität, neue Kundenkreise, Kosten, Image Ziel: Verbesserung des Fahrkomforts am Rollstuhl Optimierung der Vorderradschwinge Vorgesehene Umsetzung: Verbesserung des Fahrkomforts durch steuerbare Dämpfer passive Elemente sollen durch steuerbare Dämpfer mit elektro-rheologischer Flüssigkeit ausgetauscht werden 6 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

7 2.1 Rollstuhl Invacare Storm X-plore vollgefederter Rollstuhl zur Nutzung im Innen- und Außenbereich geringer Radstand für hohe Wendigkeit höhenverstellbare Sitzsäule Geschwindigkeit bis 10 km/h Fahrwerk mit Schwingenkonstruktion Vorderradschwinge aus Alu-Guss, hohe Kosten Feder-Dämpfer-Elemente aus dem Fahrradbereich 7 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

8 Ziel: Optimierung Fahrkomfort (Vertikaldynamik) Modellbasierter Entwurf Experimentelle Untersuchungen Messungen Versuchsdurchführung Charakteris. Dynamik Verifikation Simulationsgestützte Untersuchungen Aufbau MKS-Modell Dämpfermodell Aufbau Regler Einbau steuerbarer Dämpfer am Rollstuhl Modellbasierte Analyse des Gesamtsystems Realisierung 8 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

9 2.2 Untersuchung Fahrdynamik und Komfortsteigerung Ziel: Grundsätzliches Verständnis des Systemverhaltens (Rollstuhldynamik) SEHR hoher Nutzen für zukünftige Entwicklung!!

10 2.2 Fahrkomfortanalyse und Systemverhalten Fahrkomfort RMS a wt Fahrbahnanregung Rollstuhl menschliche Wahrnehmung ISO / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

11 2.2 Untersuchung der Fahrwerkdynamik experimentelle Untersuchungen der Fahrdynamik auf Kopfsteinpflaster experimentelle Untersuchungen der Fahrdynamik auf dem Laborprüfstand Entwicklung eines dynamischen Simulationsmodells des Rollstuhls Abgleich des Simulationsmodells mit den Messungen auf dem Prüfstand (Modellverifikation) modale Analyse anhand des Simulationsmodells grundsätzliche Untersuchungen zum Einfluss des Radstands und des Schwerpunkts 11 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

12 2.2 Vertikaldynamikanalyse auf Kopfsteinpflaster vertikale Resonanz des Menschen vertikale Resonanz des Rollstuhls Experiment 12 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

13 2.2 Vertikaldynamikanalyse auf dem Laborprüfstand Experiment 13 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

14 2.2 Vertikaldynamikanalyse auf dem Laborprüfstand vertikale Resonanz des Dummys / Menschen vertikale Resonanz des Rollstuhls Experiment 14 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

15 2.2 Aufbau des MKS-Rollstuhlmodells Vorderschwinge Chassis mit Sitz Hinterschwinge 11 Körper 21 Freiheitsgrade 10 Kraftelemente Simulation Experimentelle Bestimmung der Reifenparameter Masse, COG, Trägheit aus CAD Anregung aller Reifen in vertikaler Richtung möglich 15 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

16 2.2 Untersuchungen zur Lage der Rollstuhlresonanzen Untersuchung der Eigenschwingformen Medien1.mp4 Medien2.mp4 Mensch 4,3 Hz Nicken 2,5 Hz Medien3.mp4 Medien4.mp4 Huben 9,3 Hz Wanken 5,8 Hz Simulation 16 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

17 2.2 Verifikation des MKS-Rollstuhlmodells vertikale Resonanz des Dummys vertikale Resonanz des Rollstuhls Simulation Messung Experiment Simulation 17 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

18 2.2 Erkenntnisse der Dynamikuntersuchungen Zielkonflikt: Aufgrund des Radstands und des Schwerpunkts liegen Eigenfrequenzen Nicken und Huben weit auseinander Nickeigenfrequenz liegt bei ~2,5Hz Hubeigenfrequenz liegt bei ~ 4 x Nickeigenfrequenz Fahrkomfort optimal bei ca. 1 Hz Hubeigenfrequenz (Wunsch) Auslegung eines optimalen passiven Systems nicht möglich! Fahrkomfort des Rollstuhls für Menschen schlecht: Resonanzeffekte (Huben, Nicken, Wanken) verstärken Schwingungen im empfindlichen Bereich des Menschen 18 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

19 2.3 Einsatz von semi-aktiven Dämpfern Funktionsverbesserung, neue Funktionen, Erschliessen neuer Kundenkreise

20 2.3 Steuerbare Dämpfer mit elektrorheologischen Fluiden Dämpfer der Firma Fludicon Dämpferkennfeld Ausbildung der Kettenstruktur Dämpfermodell 20 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

21 2.3 Semi-aktive Algorithmen zur Verbesserung des Komforts die meisten semi-aktiven Regelstrategien basieren auf dem Skyhook-Ansatz dient der Verbesserung des Fahrkomforts Skyhook-Algorithmus wurde 1974 für aktive Fahrwerkssysteme entwickelt mathematische Herleitung der Regelung (Zustandsraum) Maximierung des Fahrkomforts Minimierung der Aktuatorstellkraft semi-aktive Skyhook-Regelung basiert auf einfachen ingenieursmäßigen Betrachtungen 21 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

22 2.3 Anwendung der Algorithmen am linearen Ersatzmodell passiv Verbesserung am Ersatzmodell von 26% zu passivem System Skyhook Simulation 22 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

23 2.3 Semi-aktive Regelung am nichtlinearen Rollstuhlmodell Skyhookregelung wird am verifizierten Gesamtmodell angewandt steuerbarer Dämpfer wirkt zusätzlich zur Grunddämpfung Lagerreibung etc. am Rollstuhl Simulation 23 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

24 2.3 Anwendung geregelten steuerbaren Dämpfung am Rollstuhl Simulation Keine signifikante Verbesserung am nichtlinearen Ersatzmodell! Konfiguration Simulation RMS a zw Sitz Verbesserung Mit Grunddämpfung 1,89 m/s² 1,07 % Semi-Aktiv mit Grunddämpfung 1,87 m/s² 24 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

25 2.3 Anwendung geregelten steuerbaren Dämpfung am Rollstuhl mit Grunddämpfung semi-aktive Regelung wirkt zusätzlich zur Grunddämpfung (Dämpfungsgrad der vertikalen Eigenform von D=0,3) hohe Dämpfung des Menschen und Grunddämpfung des Rollstuhls führt dazu, dass durch die Regelung keine Verbesserung erzielt werden kann. die modellbasierten Untersuchungen lassen erwarten, dass an dem realen Rollstuhl Storm 4 X-plore eine Komfortverbesserung durch semi-aktiv geregelte Dämpfer nicht möglich ist aber: bisherige Arbeiten eröffnen weitere Einsatzmöglichkeiten des semi-aktiven Systems 25 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

26 2.3 Effizienzsteigerung Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse, Modelle und Prüfstände für Weiterentwicklung (Effizienzsteigerung) Mechatronische Lösungen Reduzierung der Steifigkeit der Fahrwerksfederung steuerbare Dämpfer können zur Stabilisierung des Fahrwerks bei Horizontaldynamik (z.b. Nicken) genutzt werden frequenzabhängige Steuerung der Dämpfung im Resonanzbereich Konstruktive Verbesserungen nichtlineare Kennlinie der Aufhängung (Anschläge) kinematische Umlenkung von Nick- in Hubbewegung Entwicklung neuer Fahrwerkskonzepte neues Konzept: - hartes Fahrwerk (Fahrdynamik) - Sitzfederung (Fahrkomfort) 26 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

27 2.4 Innovatives Komfortkonzept Ziel: Rollstuhl mit optimiertem Fahrkomfort

28 2.4 Innovatives Komfortkonzept Zielkonflikt für die Auslegung eines komfortoptimierten Fahrwerks für den Rollstuhl Mit passiven und semi-aktiven Maßnahmen am Fahrwerk keine Komfortsteigerung möglich Schnittstelle zwischen Fahrer und Fahrzeug für Beeinflussung nutzen Trennung Funktion Komfort vom Fahrwerk Entwicklung eines semi-aktiv gefederten Sitzkissens 28 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

29 2.1 Konzept semi-aktives Sitzkissen Anforderungen: Geringe Bauhöhe Anpassung an Fahrergewicht zwischen 50kg und 90kg Hubeigenfrequenzen zwischen 1Hz und 1,5 Hz Amplitude ca. 6 mm 29 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

30 2.1 Konzept semi-aktives Sitzkissen weitere Arbeiten: Auslegung der Feder- und Dämpfer Elemente Entwicklung eines Regelungskonzepts Simulation des Systemverhaltens im Gesamtsystem Erstellung Konstruktionsunterlagen, Bau und Inbetriebnahme Experimentelle Untersuchungen 30 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

31 3 Zusammenfassung Ergebnisse der Fahrkomfortverbesserungen am elektrischen Rollstuhl ergaben: durch die Forderung an Sicherheit und Wendigkeit liegen Resonanzen im empfindlichen Wahrnehmungsbereich des Menschen Simulationen an einem einfachen linearen Ersatzmodell zeigen, dass die semi-aktive Regelung steuerbarer Dämpfer grundsätzlich Verbesserungen des Fahrkomforts bis zu 26% hervorrufen kann Simulationen an dem detaillierten nichtlinearen Rollstuhlmodell (MKS) zeigen, dass eine zusätzliche geregelte steuerbare Dämpfung keine Verbesserungen ergibt Ergebnisse werden durch aktuell durchgeführte Versuche bestätigt Die gewonnenen Erkenntnisse, Modelle und Prüfstände werden für weitere Entwicklungen und Untersuchungen genutzt Nutzung der Simulationsmodelle für die Entwicklung neuer Konzepte / Produkte 31 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

32 Vielen Dank! Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann FH Bielefeld University of Applied Sciences ISyM - Institut für Systemdynamik und Mechatronik LSA- Labor für Strukturanalyse Am Stadtholz Bielefeld Tel: ++49 (0521) Fax: ++49 (0521) rolf.naumann@fh-bielefeld.de

33 2.1 Einfluss des Menschen auf die Dynamik Mensch wiegt 80 kg Rollstuhl 180 kg W=wurzel (c/m) - Eigenfrequenzen ändern sich 33 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

34 2.2 Skyhookregelung am linearen Ersatzmodell 34 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

35 2.3 FEM Untersuchung der Vorderradschwinge Ziel: Untersuchung der auftretenden Spannungen und Optimierung der Geometrie Reduktion der Fertigungskosten

36 2.3 Festigkeitsuntersuchungen Vorderradschwinge Federung Schwinge sicherheitsrelevantes Bauteil hohe dynamische Belastungen der Vorderradschwinge derzeitiges Fertigungsverfahren mit Alu-Druckguss ist teuer und aufwändig 36 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

37 2.3 Vorgehensweise Aufbau eines FEM Modells in Ansys Definition der Lastfälle Untersuchung verschiedenen Lagerbedingungen Auswertung der auftretenden Spannungen Festigkeitsbeurteilung Verbesserung der Geometrie hinsichtlich Festigkeit Fertigung (Gießverfahren Alu Druckguss) FE-Modell 37 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

38 2.3 FEM Modell und Lastfälle Beispiel für ein Lastfall horizontale Lasteinleitung 2300N, vertikale Lasteinleitung 2300N von-mises Vergleichsspannung ausstehende Arbeiten: 1. Überprüfung der Lastannahmen (Messung oder virtuell über MKS-Modell) 2. Beurteilung der Festigkeit 3. Optimierung der Geometrie 38 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

39 Untersuchungen zum Einfluss der Schwerpunkthöhe 14,00 12,00 10,00 f Hub f Hub =10Hz Frequenz / Hz 8,00 6,00 4,00 f Nick f Hub ~ 4 x f f Nick =2,5Hz Nick 2,00 0,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Schwerpunktshöhe / m 39 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

40 Traditionelles passives Fahrwerk 40 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

41 Fahrkomfort-optimale Aufhängung (Skyhookaufhängung) passiv 41 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

42 Aktives Fahrwerk mit Skyhookregelung passiv 42 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

43 Steuerbare Dämpfung mit semi-aktiver Skyhook- Regelung aktiv passiv semi-aktiv 43 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

44 Verbesserung des Fahrkomforts durch semi-aktiv geregelte steuerbare Dämpfer 1. Fahrwerksysteme passives Fahrwerk fahrkomfort-optimale Aufhängung (Skyhookaufhängung) aktives Fahrwerk mit Skyhook-Regelung steuerbare Dämpfung mit semi-aktiver Skyhook-Regelung 2. steuerbare Dämpfer 3. Vorstellung der semi-aktiven Regelung steuerbarer Dämpfer 4. Anwendung der semi-aktiven Regelung Ersatzmodell Rollstuhlmodell 44 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

45 Systemverhalten - Passives gedämpftes System 45 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

46 ü 0 ü 0 46 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann

47 2.1 Einfluss des Radstands auf die Fahrwerkdynamik f Hub =8Hz f Nick =2,5Hz f Hub f Nick 2, ,5 0,5 47 / 40 Prof. Dr.-Ing. Rolf Naumann