Modellbildung und Simulation von mechanisch-elektrischen Antriebssträngen

Analytisches Modell:

mathematisch geschlossene Lösung

freie 2-Massen-Schwinger mit linearer Steifigkeitskopplung ( ungefesselter Zweimassenschwinger)

Einmassenschwinger

doppelt gefesselter Einmassenschwinger

Numerische Berechnungsansätze:

Näherungsalgorithmen unter zu Hilfenahme der Rechentechnik

ab 4-Massen-Torsionsschwinger notwendig

( siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 36)

Das Modell sollte die Eigenschaften des Originalsystems so genau wie nötig und so grob wie möglich wider geben.

Die direkten Zusammenhänge zwischen realem System und  Modell sollten an jeder Stelle erkennbar sein.

Die Systemparameter müssen aus den  technische Unterlagen oder aber direkt am Originalsystem mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden können.

    ( siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 44 )

- exakte Berechnung von Eigenfrequenzen

- Möglichkeit der Betrachtung von zusammengesetzen Belastungen

( /\ siehe MODELLB-03-Tagebaugeraete Folie 12  /\ )

interne und externe Dämpfung

interne

-

1. Bestimmung der Masse und Massenträgheitsmomente
• Verwendung von CAD-Modellen
• Analytische Ansätze

2. Bestimmung der Wellensteifigkeit (Torsions-, Biege-,Steifigkeit)
• Analytische Ansätze und Diskretisierung
• Elastische Balkenelemente
• Euler-Bernoulli-oder Timoshenko

3. Modellierung der Lager (mit Feder- Dämpfer- Elementen)
• Analytisch Ansätze nach Wiche und Harris
• Kennlinien oder Steifigkeitsmatrix (Unterstützung durch die Lagerhersteller erforderlich)

4. Modellierung von Getrieben
• Detaillierte Beschreibung der Kontaktbedingungen mit Kraftelementen
• Berechnung der Verzahnungskräfte und die Lastverteilung
• Ziel: Simulation der auftretenden Wellenverlagerungen und Ausrichtung unter verschiedenen Belastungen

5. Modellierung von Propeller und Tragkonstruktion
• Verformung des Gehäuses unter Last beeinflusst die daraus resultierende Verschiebung der Welle (Lager und Gehäuse Steifigkeit)
• Schwingungsformen der Gehäuse und Propellerblätter beeinflussen Schwingungsformen des Antriebsstrangs

6. Modellierung von Motorlasten
• Detaillierte Beschreibung von Motor
• Berücksichtigung der Steuerung
 

7. Modellierung der Propellerbelastungen
• Einführung der einzelnen Lasten
• Lastverteilung auf flexiblen Blätter einstellbar
 

8. Analyse im Frequenzbereich
• Bestimmung der Eigenfrequenzen
• Bewertung des Anregungsverhalten
• Campbell-Diagramm
• Simulation des Anlaufvorganges (Schwinggeschwindigkeiten)
• Anregung durch die untere Kegelradstufe

9. Analyse im Zeitbereich,
• Bestimmung der maximal möglichen Lasten auf Komponenten
• Analyse der verschiedenen Lastfälle
  • Aus- und Eintauchen des Propeller
  • Kontakt mit Eis
  • Kontakt mit Fremdkörpern im Wasser

(/\ siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 56ff /\)

Antriebs- oder Kraftmaschine ( Energiebereitstellung):

Rotor

Aerodynamisches System

Antriebsstrang/ Zwischenschaltung/ Mechanisches System ( Energieanpassung):

Rotor

Hauptwelle

Getriebe

Bremse

Kupplung

Arbeitsmaschine ( "Energieverbrauch"):

Generator

Frequenzumrichter

Elektrisches Netz

Steuerungs- und Regeleinrichtungem:

Pitchregelung

Drehzahlregelung

Leistungsregelung

Regelbremse

(/\  siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 33 /\)

(\/ siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 18 \/)

Fundament

Turm

Träger

Antriebsstrang

Generator

Blätter (Rotor)

Berechnungsmodelle dienen zur qualitativ richtigen Darstellung des dynamischen Verhaltens von Maschinenelementen, Baugrupen bzw. des Gesamtsystems.

Gleichzeitig kann durch die quantitative Berechnung von Kraft- und Bewegungsgrößen der Einfluss konstruktiver Parameter auf das dynamische Verhalten beurteilt werden.

( siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 46 )

Zerlegung komplexer Gesamtstrukturen in einzelne Unterbaugruppen

Ermittlung der Massen und Massenträgheitsmomente

Abbildung  der Elastizitäten für Antriebsstrangkomponenten

Modellierung der Lager durch Feder- Dämpfer- Elemente

Modellierung der Verzahnung

(/\ siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 73ff /\)

(\/ siehe ANSYST-Kapitel-3-1 Folie 94ff \/)

Strukturkontinuierliches System

Strukturkontinuierliches Modell

Strukturdiskretes Modell

Informationen aus Torsionsschwinger mit rotatorischem FHG:

- vorhandene Gelenke: 1 -> rotatorisch

- Kräfte und Momente: 1 Moment

- Lagerkräfte: keine

- Verzahnungskräfte: nur Tangentialkraft

Erwiterung um axialen FHG -> Erhöung der Aussagekraft

Informationen aus erweitertem (axial) Torsionsschwingungsmodell (FHG=2):

- vorhanden Gelenke: 2 -> rotatorisch und translatorisch

- Kräfte und Momente: 1 Kraft und 1 Moment

- Lagerkräfte: axiale Lagerkraft

- Verzahnungskräfte: tagnentiale und axiale

- dargestellt wird die Frequenz über der Drehzahl

- durch das Hoch- bzw. Anlaufen eines Antriebes werden alle Drehzahlen bis zur Betriebsdrehzahl durchlaufen

- ein Schnittpunkt von Eigenfrequenz (horizontale Linien) und Anlaufkennlinie (diagonale Linie) kann, wenn dieser Schnittpunkt im Bereich einer Betriebsdrehzahl liegt, zu Anregungen ( bis hin zur Resonanz) führen

( \/ siehe MODELLB-04-Tagebaugeraete Folie 10 \/ )

- theoretischer Vergleich von Anregung und Anregbarkeit

- horizontale Linien entsprechen Eigenfrequenzen

- drehzahlabhängige Steigungen sind Anregungen (z.B.: Zahneingriffsfrequenzen)

ABER:

• Nicht jede Schwingform ist auch tatsächlich anregbar!
• Keine Aussage bezüglich der Schwingamplitude und Dämpfung

( \/ siehe ANSYST-Kapitel-3-1 Folie 64 \/ )

gegenüberstellung von Eigenfrequenzen und Anregung in Frequenzbereich

Schnittpunkte von Eigenfrequenzen und Anregungen sind Systemzustände welche zu Resonanzen führen können

In schwingungsfähigen Systemen bewirkt die Dämpfung, dass freie Schwingungen abklingen und harmonisch  erregte Schwingungen im Resonanzbereich endlich groß bleiben. Dabei wird die mechanische Energie in andere Energieformen, insbesondere in Wärme, umgewandelt.

( /\ siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 104 /\ )

( \/ siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 105 \/)

• Analytische Ermittlung der Dämpfung geschlossen nicht möglich

• Eigenfrequenz durch Dämpfung zumeist nur gering beeinflusst

• Bestimmung von absoluten Dämpfungswerten mit vereinfachten Ansätzen

• Aus bekanntem Dämpfungsgrad oder Lehr´schem Dämpfungsmaß (relatives einheitenloses Maß für die Dämpfung) absolute Dämpfung ermittelbar

• Voraussetzung: lineares Übertragungsverhalten, geschwindigkeitsproportionale Dämpfung, homogenes Mehrkörpersystem und die Gültigkeit der Strukturdämpfung

• Keine analytischen Ansätze für höherwertige Systeme in der Literatur bekannt

• Innere Dämpfung (materialabhängig)

• Material- bzw. Werkstoffdämpfung
• Abhängig von den Verformungswiderständen im Werkstoff
• Berührungs- und Kontaktdämpfung an Fügestellen im Bauteil

• Äußere Dämpfung (belastungsabhängig)

- Dämpfungen aufgrund von äußeren Bewegungswiderständen:

- Reibung in Lagern
- Reibung in Aufhängungspunkten / Abstützungen von Gehäusen
- Reibung durch Luft- oder Flüssigkeitswiderstände

( /\ siehe MODELLB-02-Grundlagen Folie 104 /\ )

konkretes System (Welle) schwer mathematisch beschreibar

Entwicklung eines Ersatzsystems zum Erkenntnisgewinn

Erkenntnisse über dynamisches Verhalten

Eigenfrequenzen

Massen

Dämpfung

Steifigkeiten

äußerlich wirkende Kräfte und Momente

generalisierte Koordinate

Ist eine Frequenz eines System mit der es nach Anregung als Eigenform schwingen kann.

- aufstellen der Bewegungsgleichung

- Lösen der charakteristischen Gleichung

- alternativ ist auch Abschätzung nach Neuber, Dunkerly,... möglich