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Seite 1
Simulation Simulation mechatronischer Systeme mechatronischer Systeme
im Automobilim Automobil
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Seite 2
Forschungsschwerpunkt an der FH Aachen: Mechatronik für Kfz- Anwendungen
Lehrgebiet „Mikrosystemtechnik“,FB Maschinenbau
Lehrgebiet „Flugzeugelektrik/elektronik“,FB Luft und Raumfahrttechnik
Lehrgebiet „Verbrennungsmotoren“,FB Luft und Raumfahrttechnik
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Seite 3
• (intelligente) Aktorik
• (intelligente) Sensorik
• (intelligente) Sensor/Aktor- Systeme
• Aufbau- und Verbindungstechniken
• Mikrosystemtechnik
• Robotik
• Multi-Domain Simulation
• HIL
• Rapid Controller Prototyping
Elektrotechnik,Elektronik
Informations-
technologieMechanik,
Maschinenbau
Mechatronik
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Seite 4
Entwicklungsprozess ohne Mechatronik
Produkt- Definition
Mechanik-
Entwicklung
Elektronik- Entwicklung
Optimierung Elektro- mechanisches
Produkt
Optimierung
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Seite 5
„Mechatronischer“ Entwicklungsprozeß
Produkt- Definition
Mechanisches/ elektronisches
Codesign
Optimierung
Mecha-tronisches
Produkt
<c> G. Schmitz
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Simulationsverfahren
Verhaltensbasierte ModelleKomponentenbasierte Modelle
d/dt
&
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Seite 7
Simulationsverfahren
FE- Modelle (FE = Finite Elemente)
Kraftverlauf
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Ankerabstand x [mm]
Kra
ft [
Ne
wto
n]
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
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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
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Seite 9
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Beispiel: Elektro- Mechanischer Ventiltrieb (EMV)
Problem: Geräuschentwicklung beim Auftreffen des Magnetankers auf die Polflächen
Kooperationspartner: FEV Motorentechnik
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Lösungsansatz: Optimierung der elektronischen Ansteuerung und des magnetischen Systems
Hierzu Entwicklung eines Simulationsmodells
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Aktuator in Betrieb
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FE- Simulationsmodell Magnetmodell
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u_oe, i_oe
Ankerweg,
v_Anker
voltageclipping
openingmagnet
upperspring
damping of armature
mass of armature
valve spring and damping
cylinder head mounting
mass of valve spring
armature position and volocity
mass of valve
valve seating and valve gap
closingmagnet
coilresistance
fine controlled current source
edd
y cu
rren
t lo
sses
armaturelimitation
„Mechatronischer Schaltplan“ des EMV- Aktuators
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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.
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Beispiel: Elektro- Hydraulische Bremse (EHB)
Problem: Es existierte nur ein unzureichendes Modell für das Magnetventil ohne Simulation der Rückwirkung
Kooperationspartner: Continental TEVES
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Vorgehen: Analyse des EHB- VentilsEntwicklung von Teilmodellen für• Magnetkreis• Mechanik• Hydraulik
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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
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Beispiel: schaltbares Motorlager
Kooperationspartner: TRELLEBORG Automotive
Problem: unzulässige Erwärmung des schaltbaren Lagers,zu hohe Leistungsaufnahme
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Vorgehen:
Entwicklung AntsteuerschaltungModifikation Spulenauslegung
dabei intensiver Einsatz von Simulation
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Erzielte Reduktion des Energieverbrauchs
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Ausgangssituation FH-Realisierung
-95%
Leistung in Watt für zwei Motorlager
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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
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Seite 24
Leistungsgehäuse für mechatronische Systeme: HIQUAD64 (Quelle: ST-Microelectronics)
Leistungsgehäuse für mechatronische Systeme: PSO 36 (Quelle: ST-Microelectronics)
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Rapid Controller Prototyping
A
D A
D
Zu regelndes System
Zu regelndes System
Digitale Inputs
Digitale Outputs
d/dt
&
Simulierter Regler
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Prinzip HIL (Hardware In The Loop)
A
D A
D
ECU(Electronic Control Unit)
ECU(Electronic Control Unit)
Digitale Inputs
Digitale Outputs
Simulierte Hardware (= zu regelndes System)
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Seite 27
Lumped Element Simulation
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Seite 28
Aktuator Feder Schließt
Magnet
Anker
Ventil Feder
Ventil
Geschlossene Ventilstellung Mittelposition Geöffnete Ventilstellung
ÖffnetMagnet
Aktuatorprinzip des EMV
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Seite 30
Simulationsmodell des unteren Magneten für die FE- Simulation
Anker
Magnet Joch
Spulen
„Luftspalt“
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Seite 31
Automatische Generierung des FE- Netzes
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Seite 32
Magnetflußlinien als Ergebnis der Simulation
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Seite 33
Sättigungsanalyse durch Darstellung der magnetischen Feldstärke
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Seite 34
Kraftverlauf
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Ankerabstand x [mm]
Kra
ft [
Ne
wto
n]
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
Berechnete Kraftverläufe
x/mm
Forc
e [
N]