Simulation mechatronischer Systeme im Automobil Seite 1
Forschungsschwerpunkt an der FH Aachen: Mechatronik für Kfz- Anwendungen Lehrgebiet Flugzeugelektrik/elektronik, FB Luft und Raumfahrttechnik Lehrgebiet Mikrosystemtechnik FB Maschinenbau Lehrgebiet Verbrennungsmotoren, FB Luft und Raumfahrttechnik Seite 2
Elektrotechnik, Elektronik Mechatronik (intelligente) Aktorik (intelligente) Sensorik (intelligente) Sensor/Aktor- Systeme Aufbau- und Verbindungstechniken Informationstechnologie Mechanik, Maschinenbau Mikrosystemtechnik Robotik Multi-Domain Simulation HIL Rapid Controller Prototyping Seite 3
Entwicklungsprozess ohne Mechatronik Entwicklung Produkt- Definition Optimierung Elektromechanisches Produkt Mechanik- Elektronik- Entwicklung Optimierung Seite 4
Mechatronischer Entwicklungsprozeß Produkt- Definition Mechanisches/ elektronisches Codesign Mechatronisches Produkt Optimierung <c> G. Schmitz Seite 5
Simulationsverfahren Komponentenbasierte Modelle Verhaltensbasierte Modelle τ d/dt & Seite 6
Simulationsverfahren FE- Modelle (FE = Finite Elemente) Kraftverlauf 900 800 700 600 F / N 1A F / N 1,5A F / N 2A F / N 2,5A F / N 3A F / N 3,5 A F / N 4 A Kraft [Newton] 500 400 300 200 100 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Ankerabstand x [mm] Seite 7
Beispiele für Mechatronik im Automobil Motorsteuerungssysteme Elektromagnetischer Ventiltrieb Klappen- und Ventilsteuerung (Drall, Tumble, AGR, ) Direkteinspritzung Sicherheit EHB, ABS, ESP (bekannt durch Elchtest ) Reifendruckkontrolle Crash/PreCrash- Protection (Airbag, Gurtstraffer, ) Komfort Schaltbare oder aktive Motorlagerung Keyless- Entry- Systeme Adaptives Kurvenlicht, automatisch abblendende Spiegel Beispiele aus Projekten an der FH-Aachen Seite 8
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Beispiel: Elektro- Mechanischer Ventiltrieb (EMV) ooperationspartner: EV Motorentechnik roblem: eräuschentwicklung beim uftreffen des agnetankers auf die olflächen Seite 10
Lösungsansatz: Optimierung der elektronischen Ansteuerung und des magnetischen Systems Hierzu Entwicklung eines Simulationsmodells Seite 11
Aktuator in Betrieb Seite 12
FE- Simulationsmodell Magnetmodell Seite 13
Mechatronischer Schaltplan des EMV- Aktuators voltage clipping ne controlled urrent ource eddy current losses coil resistance closing magnet damping of armature mass of armature armature limitation u_oe, i_oe opening cylinder head magnet mounting upper spring Ankerweg, armature v_anker position and volocity valve spring and damping mass of valve spring mass of valve valve seating and valve gap Seite 14
Simulationsergebnis für Weg- und Geschwindigkeitsverlauf des Ankers Seite 15
Ergebnis Mit Hilfe des Simulationsmodells der FH- Aachen für das Simualtionssystem Saber ist beim Auftraggeber eine genaue Simulation des EMV-Systems möglich. Das Modell wurde beim Auftraggeber danach weiterentwickelt. Inzwischen kann ein geräuscharmer Betrieb realisiert werden. Seite 16
Flugzeug- Elektrik und Elektronik Beispiel: Elektro- Hydraulische Bremse (EHB) Kooperationspartner: Continental TEVES Problem: Es existierte nur ein unzureichendes Modell für das Magnetventil ohne Simulation der Rückwirkung Seite 17
Flugzeug- Elektrik und Elektronik Vorgehen: Analyse des EHB- Ventils Entwicklung von Teilmodellen für Magnetkreis Mechanik Hydraulik Seite 18
Ergebnis Mit Hilfe des Simulationsmodells der FH- Aachen für das EHB-Ventil wird beim Auftraggeber eine genaue Simulation des EHB-Systems möglich und damit eine realistische Vorhersage und Optimierung des Gesamtfahrzeugverhaltens in kritischen Situationen möglich Seite 19
Beispiel: schaltbares Motorlager Kooperationspartner: TRELLEBORG Automotive Problem: unzulässige Erwärmung des schaltbaren Lagers, zu hohe Leistungsaufnahme Seite 20
Vorgehen: Entwicklung Antsteuerschaltung Modifikation Spulenauslegung dabei intensiver Einsatz von Simulation Seite 21
Erzielte Reduktion des Energieverbrauchs Leistung in Watt für zwei Motorlager 100 90 80 70-95% 60 50 40 30 20 10 0 Ausgangssituation FH-Realisierung Seite 22
Conclusion Mechatronik im Automobil hat zentrale Bedeutung im Auto von morgen Simulation ist eine Schlüsseltechnik für künftige Entwicklungsprozesse An der FH Aachen besteht bei allen wesentlichen Simulationstechniken umfangreiches Know- How, gerade im Hinblick auf Mechatronik- Simulationen Seite 23