Einsatz von Entwicklungsprüfständen für schnelldrehende Rotorsysteme zur Erhöhung der Produktreife
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei in Polymergehäusen eingebetteten, schnelldrehenden Antriebssystemen ist die Abstimmung von Triebstrang und Polymergehäuse auf das Schwingungsverhalten des Systems, bspw. im Hinblick auf die Lagerung von Getriebestufen, eine Kernherausforderung der Entwicklung. Der Konstruktionsingenieur steht dabei vor der Herausforderung, aus den Entwicklungszielen geeignete Konstruktionszielgrößen abzuleiten. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher eine methodische Vorgehensweise zur Ableitung von Gestalteigenschaften von Polymergehäusen zur Reduktion von Schwingungen in schnelldrehenden Rotorsystemen zu entwickeln. Hierzu werden in diesem Vorhaben analytische Methoden und Entwicklungsprüfstände gemeinsam eingesetzt, um gestaltungsrelevante Erkenntnisse zu gewinnen. Im Fokus steht die radiale Triebstrangschwingung als eine relevante Größe, die sich auf die Bauteilbelastung an der Verzahnung des Winkeltriebs auswirkt. Um die Vielzahl möglicher Gestaltparameter des Antriebsstrangs einzugrenzen, mit denen radiale Schwingungen beeinflusst werden können, wurde mit Hilfe des C&C²-Ansatzes ein Simulationsmodell entwickelt. Mit dem Modell wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Ein auf Design of Experiments basierender teilfaktorieller Versuchsplan mit 21 Faktoren wurde genutzt. Mit Hilfe einer multivariaten Varianzanalyse konnten signifikante Einflüsse und Interaktionen sowie deren Effektstärken identifiziert werden. Diese wurden in einer Design Structure Matrix zusammengefasst und strukturiert. Aus den Ergebnissen konnten die radiale Lagersitzsteifigkeit am Loslager der Antriebswelle sowie der Abstand der Lager der Antriebswelle abgeleitet werden. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein Entwicklungsprüfstand entwickelt. Am Entwicklungsprüfstand einstellbar sind die beiden identifizierten Gestaltparameter. Um die radiale Lagersitzsteifigkeit variieren zu können, ohne den Prüfstand demontieren zu müssen, wurde ein einstellbares Lagersitz-Steifigkeits-Element entwickelt. Als Prinzip wurde die Variation der Steifigkeit basierend auf der Variation der Vorspannung eines Elastomers verwendet. Die Charakterisierung des Elements zeigte, dass sich sowohl die statische als auch die scheinbare Steifigkeit bei einer dynamischen Belastung durch eine Änderung der Vorspannung variieren lassen. Mit dem Entwicklungsprüfstand konnten die Zusammenhänge zwischen den Gestaltparametern und der radialen Bewegung der Welle am Loslager und der radialen Beschleunigung am Loslagerschild der Antriebswelle quantifiziert werden. Die Zusammenhänge wurden in 6 Betriebspunkten untersucht und gestaltungsrelevante Erkenntnisse erzielt. Aus den Erkenntnissen wurden Polymergehäusegestalten abgeleitet und mit den Schwingungen eines Referenzgehäuses auf dem Entwicklungsprüfstand verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass mit Hilfe des genutzten Vorgehens die radiale Schwingung bei definierten Betriebspunkten reduziert und hierdurch Konstruktionszielgrößen für die Produktentwicklung abgeleitet werden konnten. In diesem Forschungsvorhaben konnte eine methodische Vorgehensweise entwickelt werden, die durch die Kombination eines Simulationsmodells und eines Entwicklungsprüfstands Produktentwickler bei der Abstimmung von Triebstrang und Polymergehäuse auf das Schwingungsverhalten des Systems unterstützt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A modeling approach to identify the influences of relevant system parameters on drive train vibrations. In: Proceedings Inter-Noise 2020, Seoul
Sturm, C., Gwosch, T. & Matthiesen, S.
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An adjustable bearing seat stiffness element for targeted vibration influencing. INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, 263(6), 757-766.
Sturm, Carolin; Lindenmann, Andreas; Gwosch, Thomas & Matthiesen, Sven
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Schwingungsreduzierendes Lagersitzdesign durch gezielte Abstimmung der Gestaltparameter am Beispiel eines Winkelschleifers/Vibration-reducing Bearing Seat Design through Systematic Selection of the Design Parameters Using the Example of an Angle Grinder. Konstruktion, 74(11-12), 72-77.
Sturm, Carolin; Hoelz, Kevin; Geyer, Lukas David; Matthiesen, Sven & Gwosch, Thomas
