MECHANIK Mechanische Komponenten entwickeln

Bauteile, die von Motoren und Getrieben gesteuert werden, benötigen eine hohe

Beschleunigung, um Antriebszeiten zu redu-zieren. Zudem müssen hohe Positionierungs-standards eingehalten und die Bewegungs-kontrolle berücksichtigt werden. Hier kann die Simulation helfen, vorhandene Potenziale zu heben und die Zeit bis zum Produktionsanlauf zu verkürzen. Vorabanalysen bieten Entwick-lungsingenieuren die Möglichkeit, ein breites Spektrum von alternativen Entwürfen und deren Vor- und Nachteile zu bewerten, bevor viel Zeit und Geld in eine bestimmte Variante investiert wird.

Gängige SimulationsmethodenStrukturanalysen auf Basis der Finite-Ele-mente-Methode (FEM) gehören zu den

wichtigsten und am häufigsten genutzten numerischen Rechenverfahren. FEM lässt sich unter anderem für Aufgabenstellungen in den Bereichen Statik und Dynamik, Akustik, Wärme-übertragung oder Dauerfestigkeit und Lebens-daueruntersuchungen einsetzen. Neben der FEM wird die Mehrkörpersimulation (MKS) immer wichtiger, die sich mit dem Bewegungs-verhalten mechanischer Systeme beschäftigt. Ziel ist, die mechanischen Effekte schnell und realistisch zu simulieren und zu berechnen. Im Mittelpunkt stehen dabei die Abläufe der Bewe-gung inklusive abgeleiteter Größen wie Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie die Dynamik, die die Zusammenhänge zwi-schen Bewegungen und Kräften erfasst. Anstatt mit einer detaillierten Topologie-Beschreibung wie bei der FEM arbeiten MKS-Systeme mit

starren Körpern. Diese starren Körper werden in Form diskreter Massen über Gelenke mitei-nander verbunden. Daher sind die üblichen Modelle mit bis zu einigen hundert Freiheits-graden vergleichsweise klein und benötigen entsprechend wenig Rechenzeit.

Berücksichtigung der BauteilflexibilitätUm bei Berechnungen realistische Ergebnisse zu erhalten, müssen beide Disziplinen – FEM und MKS – gekoppelt werden. Bei verschiede-nen Problemstellungen reicht die Beschreibung über starre Körper nicht aus, um die heutigen Anforderungen nach immer höherer Genauig-keit zu erfüllen. Die strukturelle Elastizität und Flexibilität der Bauteile muss berücksichtigt werden. Die Flexibilität der einzelnen Kompo-nenten beeinflusst die Systemantwort und durch Änderungen treten unterschiedliche Verformungen und Spannungen auf. Um das elastische Materialverhalten berücksichtigen zu können, werden sogenannte flexible Körper in die MKS integriert.

Dem geringen Mehraufwand in der Modellierung und der etwas längeren Rechenzeit stehen genauere Voraussagen der Deformation und Dynamik des Gesamt-systems und der Bauteilbelastung gegen-über. Ein Programm, dass dank der Integ-ration flexibler Körper die Detailgenauig-keit aus der Strukturanalyse in die schnelle, dynamische, transiente Mehrkörpersimu-lation auf Systemebene übertragen kann, ist Adams vom CAE-Anbieter MSC Software.

Im Maschinenbau werden immer höhere Anforderun-gen an die Bauteilqualität und Maßhaltigkeit der Werk-stücke gestellt. Insbesondere bei spezialisierten und auto-matisierten Maschinen sind Geschwindigkeit und Ge-samtleistung kritische Punkte. Mechanische Komponenten können mit wenig Aufwand in einer modernen Compu-ter-Aided-Engineering (CAE)-Umgebung entwickelt, mo-delliert und ausgewertet werden. Von Syllvett Tsialos

Leise, leicht und schwingungsfrei

AUTOCAD & Inventor Magazin 2/1530

Das Modul Gear analysiert das Zahnflankenspiel, Kontaktkräfte zwischen Zahnradpaaren, Getrieberasseln sowie mechanische Verluste durch Reibung.

MECHANIK

Adams/MachineryDie Software Adams simuliert und berechnet das Bewegungsverhalten von dreidimensiona-len mechanischen Systemen realitätsgetreu unter Berücksichtigung aller physischen Inter-aktionen inklusive der Animation des Gesamt-systems. Adams bindet dabei elastische Kom-ponenten durch flexible Körper ein und berück-sichtigt Reibung sowie komplexe Kontaktzustände. Die Simulationsergebnisse enthalten unter anderem Kräfte, Positionen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen aller Systembestandteile. Innerhalb von Adams gibt es Erweiterungen für spezifische Branchen und Aufgaben, unter anderem für den Maschi-nenbau. Adams/Machinery ist ein Werkzeug, das Entwicklungsingenieuren bei der Model-lierung von Maschinenbauteilen hilft. Mit dieser Lösung sind Anlagen- und Maschinenhersteller in der Lage, mechanische Komponenten mit wenig Aufwand in einer CAE-Umgebung zu entwickeln, zu modellieren und auszuwerten.

Einfache ModellierungAdams/Machinery enthält verschiedene Modu-le, die es Anwendern ermöglichen, häufig genutzte Maschinenelemente schnell und ein-fach zu erstellen. Zeitraubende Aktivitäten wie beispielsweise Geometrie-Erstellung und die Einrichtung von Subsystemverbindungen sind automatisiert und erlauben eine zügige Aus-wertung. Assistenten helfen Anwendern beim Navigieren durch das Modell-Setup und bieten die Möglichkeit, Optionen schnell zu bearbei-ten, zu modifizieren oder zu ändern.

Module von Adams/Machinery:■ Zahnräder und Getriebe: Das Modul Gear

analysiert das Zahnflankenspiel, Kontaktkräf-te zwischen Zahnradpaaren, Getrieberasseln sowie mechanische Verluste durch Reibung. Neben gerade- und schrägverzahnten Stirn-rad- und Kegelradgetrieben können Schne-ckenrad, Zahnstange und Hypoidverzahnun-gen modelliert werden.

■ Riemen: Das Modul Belt untersucht das

dynamische Verhalten von Zahnriemen-Systemen. Dazu gehören Übersetzung, Vor-hersagen über Spannung und Last, Konfor-mitätsstudien, Riemendynamik und die Leistung des Gesamtsystems.

■ Kettensysteme: Das Modul Chain wird ein-gesetzt bei Vibrations- und Lastanalysen, Berechnung der Belastungshistorie und zum Vermeiden von Überlastbruch. Das Modul bietet Methoden zur räumlichen Diskretisie-rung von Kettenmodellen und ermöglicht per 3D-Technik die Simulation nicht planarer Ket-tentriebe.

■ Wälzlager: Das Modul Bearing untersucht den Aufbau und das Verhalten von Rollenla-gern. Dazu gehört eine akkurate Darstellung der Lagersteifigkeit, die von Innendimensio-nen, Verschiebungen und Spiel beeinflusst wird.

■ Seile: Das Modul Cable untersucht den Auf-bau und das Verhalten von seilbasierten Kraft-übertragungssystemen. Dazu gehören Span-nungen und der Belastungsverlauf an Seilrol-len, die Wahrscheinlichkeit von Schlupf und Seilaufrolleffekte.

■ Elektromotoren: Das Modul Electric Motor ermöglicht die Berechnung der Motorausle-gung, die Ermittlung und Einschätzung von Auswirkungen des Motordrehmoments auf das Gesamtsystem und präzise Lageregelung.

■ Kurvenscheiben: Das Modul Cam ermöglicht die Auslegung von Kurvenscheibenprofilen, zum Bespiel Nocken. Es werden konkave, konvexe und gekerbte Nutkurven unterstützt. Für die gewünschte Bewegung kann das pas-sende Profil erzeugt werden. Die Bauform der Hebel können Schneidhebel, Rollenstößel und Rollenhebel sein.

Detaillierte AnalysenNoch genauer kann man Maschinenkomponen-ten, besonders Getriebe und Wälzlager, mit den in Adams integrierten Plug-Ins Adams/Gear Advanced Technology (AT) und Adams/Bearing Advanced Technology (AT) berechnen. Damit können Ingenieure über die durch Adams/Machi-nery erhaltenen Ergeb-nisse hinaus wichtige Detailinformationen bekommen. Dazu gehö-ren Verschiebung, Bie-gung und Spannung in Zahnrädern, die totale Lagerkraft, die Belastung der Wälzkörper und ihr Arbeitspunkt für die Wälz-

lager. Es gibt einen hochauflösenden Zahnkon-takt- beziehungsweise Lagerkontakt-Algorith-mus, der automatisch über ein FEM-Tool im Hintergrund gestartet wird. Er berechnet in Gear AT die Kraftverteilung auf die Zahnflanke unter Einbeziehung der aufgebrachten Mikrokorrek-turen, des variierenden Radabstands und Ein-griffsfehlers sowie aller Bewegungen und Ver-formungen der interagierenden Systembe-standsteile. Dadurch eignet sich Gear AT für dynamische Untersuchungen wie Getrieberas-seln, Schocklasten oder Schaltvorgänge.

Fazit und AusblickMit einfach zu bedienenden und assoziativen Analysewerkzeugen wie Adams/Machinery las-sen sich Analysen problemlos in den mechani-schen Konstruktionsprozess im Maschinenbau integrieren. Die leichte Benutzerführung und Ausrichtung an den Bedürfnissen des Maschi-nenbaus macht es Anwendern einfach, auch komplexe Simulationsszenarien schnell umzu-setzen. Der Einsatz dieser Werkzeuge verbessert die Leistungsfähigkeit der Endprodukte und garantiert eine höhere Ergebnisgenauigkeit. Eine Vielzahl von alternativen Entwürfen kann gleich zu Beginn der Entwicklung mit geringem Aufwand untersucht werden. Dies verkürzt die Entwicklungszeit bis zur Marktreife und verrin-gert die Anzahl von Prototypentests. (anm)

Ein Elektromotor für einen 3D-Drucker: Präzise Steu-erung der Position wird durch Simulation erreicht.

Adams simuliert und berechnet das Bewegungsverhal-ten von dreidimensionalen mechanischen Systemen reali-tätsgetreu.

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