Institut für Entwicklung. Mechatronischer Systeme. 2. Swiss VPE Symposium, 14. April 2011, Hochschule für Technik Rapperswil 1

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1 Virtuelle Prototypen am Beispiel von Luftfahrt- und Elektromobilgetrieben Josef Althaus NTB Buchs 2. Swiss VPE Symposium, 14. April 2011, Hochschule für Technik Rapperswil 1

2 Warum virtuelle Prototypen? Wissen (mit virtuellem Prototyp) Quelle: Zühlke 2

3 Elektromobil-Getriebe Sportwagen mit Elektroantrieb, Bachelorarbeit 2007/08 von Batterie und Getriebe, Integration in das Fahrzeug finanziert durch BRUSA Elektronik AG, Sennwald erster Schuss muss sitzen 3

4 Elektromobil-Getriebe Anforderungen Getriebeübersetzung 5:1 kompakte Bauweise max. Gewicht: 20 kg/ Getriebe (Leichtbau) geräuscharm Dauerfest Festigkeitsauslegung der Verzahnung ISO 6336 mittels FVA Workbench 4

5 Elektromobil-Getriebe Optimierung mit FEM Gewicht Steifigkeit 5

6 Elektromobil-Getriebe Optimierung mit FEM Gewicht Steifigkeit 17 kg/getriebe Dauerfestigkeitsnachweis per FKM-Richtlinie 6

7 Elektromobil-Getriebe Verzahnungskorrekturen Verzahnungskorrekturen zum Ausgleich der Verformungen unter Last Breitenkorrektur Winkelkorrektur Balligkeit 7

8 Elektromobil-Getriebe Geräuschreduzierung ganzzahlige Sprungüberdeckung lange Kopfrücknahme detaillierte Dynamikanalyse Mehrkörpersimulation (MKS) Modellierung der Verzahnung mit schwankender Zahnsteifigkeit und Zahnkorrekturen ε γ = 1,71 ε γ = 2,05 8

9 Elektromobil-Getriebe Integration ins Fahrzeug Aufhängung über Dämpferelemente Simulation Festigkeit der Aufhängung Dynamik, Eigenfrequenzen 9

10 Realer Prototyp Elektromobil-Getriebe Getriebetests unter Last Geräusch Tragbild-Verifikation Wärmeentwicklung Wirkungsgrad Prüfstand 500 Nm 900 Nm 10

11 Luftfahrt-Getriebe Landeklappenantriebssystem des Airbus A380 Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 11

12 Luftfahrt-Getriebe... am Beispiel eines Getriebes im Antriebsstrang der Airbus A380 Landeklappen-Betätigung FEM-Analyse des Getriebes Qualifikation einer Design-Änderung durch Simulation, d.h. ohne Test sehr hohe Genauigkeit gefordert vollständiges Getriebe mit Gehäuse, Lager, Zahnräder, Schrauben, Abstimmscheiben nichtlineare Kontakte, Abheben an Kontaktflächen Rund Knoten 12

13 Virtueller Prototyp Luftfahrt-Getriebe Anwendung der Submodell-Technik für Bereiche mit hohen Spannungen Verschiebungsrandbedingungen des GesamtModells werden dem Submodell aufgeprägt. gesweeptes Netz (Hexaeder mit Mittelknoten) dadurch möglich genauere Spannungsverläufe Tetraeder-Netz, Hot-Spots Submodel mit Hexaeder-Netz, genauere σ-verläufe 13

14 Luftfahrt-Getriebe... am Beispiel eines Rotations-Getriebes zum Antrieb der Airbus A380 Landeklappen Nenndaten: Antriebsdrehzahl 600 1/min Getriebeübersetzung 1:400 Drehmoment am Abtrieb Nm Gewicht ca. 75 kg Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 14

15 Luftfahrt-Getriebe Aufbau des FE-Modells beinhaltet alle Strukturteile und Verzahnungen die überwiegende Anzahl von Kontakten wurden über nichtlineare Kontaktelemente modelliert. Verzahnung wurde als konstanter Ring und in wichtigen Bereichen durch mehrere Kontaktelemente über der Zahnbreite abgebildet Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 15

16 Luftfahrt-Getriebe Verifikation der FE-Ergebnisse Test-Ergebnis FE-Ergebnis Dehnung (Druck) Spannung = 2508 [µm/m] = 499 MPa Dehnung (Druck) Spannung = 2468 [mm/m] = 491 MPa Abweichung: -1,6% Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 16

17 Luftfahrt-Getriebe Verifikation der FE-Ergebnisse Test-Ergebnis FE-Ergebnis Dehnung (Druck) Spannung = [µm/m] = MPa Dehnung (Druck) Spannung = [µm/m] = MPa Abweichung: +8% Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 17

18 Luftfahrt-Getriebe Schnelle fundierte Beurteilung bei notwendigen Änderungen Virtueller Prototyp erlaubt sehr schnelle und fundierte Entscheidungen bei notwendigen Design- oder Last- Änderungen um akzeptable Rechenzeiten zu erhalten, werden komplexe Geometrien (z.b. Verzahnungen) i.d.r. vereinfacht abgebildet durch Submodelltechnik können im Bedarfsfall lokale Belastungen sehr detailliert berechnet werden aus Simulationsergebnissen können in sehr kurzer Zeit die richtigen Schlussfolgerungen gezogen werden. Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 18

19 Zusammenfassung Virtueller Prototyp bietet schnellen Wissenszuwachs während der Konstruktion Einbau Festigkeit Dynamik Geräusch Reduzierung/Ersatz von mechanischen Prototypen Kostenreduzierung schnelle fundierte Entscheidungen bei Design-Änderungen Quelle: Liebherr-Aerospace Lindenberg GmbH 19