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Simulation mechatronischer Systeme im Automobil

Simulation mechatronischer Systeme im Automobil. Forschungsschwerpunkt an der FH Aachen: Mechatronik für Kfz- Anwendungen. Lehrgebiet „Flugzeugelektrik/elektronik“, FB Luft und Raumfahrttechnik. Lehrgebiet „Mikrosystemtechnik“, FB Maschinenbau.

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Simulation mechatronischer Systeme im Automobil

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Presentation Transcript

  1. Simulation mechatronischer Systeme im Automobil

  2. 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

  3. Mechatronik Elektrotechnik, Elektronik Mechanik, Informations- Maschinenbau technologie • (intelligente) Aktorik • (intelligente) Sensorik • (intelligente) Sensor/Aktor- Systeme • Aufbau- und Verbindungstechniken • Mikrosystemtechnik • Robotik • Multi-Domain Simulation • HIL • Rapid Controller Prototyping

  4. Entwicklungsprozess ohne Mechatronik Mechanik- Entwicklung Elektro- Optimierung Produkt- mechanisches Definition Produkt Elektronik- Entwicklung Optimierung

  5. „Mechatronischer“ Entwicklungsprozeß Mecha- tronisches Produkt Mechanisches/ Produkt- elektronisches Definition Codesign Optimierung <c> G. Schmitz

  6. d/dt  & Simulationsverfahren Komponentenbasierte Modelle Verhaltensbasierte Modelle

  7. Simulationsverfahren FE- Modelle (FE = Finite Elemente)

  8. 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 für Mechatronik im Automobil Beispiele aus Projekten an der FH-Aachen

  9. Elektro- Mechanischer Ventiltrieb EMV

  10. Beispiel: Elektro- Mechanischer Ventiltrieb (EMV) Kooperationspartner: FEV Motorentechnik Problem: Geräuschentwicklung beim Auftreffen des Magnetankers auf die Polflächen

  11. Lösungsansatz: Optimierung der elektronischen Ansteuerung und des magnetischen Systems Hierzu Entwicklung eines Simulationsmodells

  12. Aktuator in Betrieb

  13. FE- Simulationsmodell Magnetmodell

  14. „Mechatronischer Schaltplan“ des EMV- Aktuators damping of armature upper spring Ankerweg, v_Anker closing magnet voltage clipping armature position and volocity mass of valve spring mass of armature valve spring and damping eddy current losses mass of valve armature limitation valve seating and valve gap fine controlled current source u_oe, i_oe coil resistance opening magnet cylinder head mounting

  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.

  16. Beispiel: Elektro- Hydraulische Bremse (EHB) Kooperationspartner: ContinentalTEVES Problem: Es existierte nur ein unzureichendes Modell für das Magnetventil ohne Simulation der Rückwirkung

  17. Vorgehen: • Analyse des EHB- Ventils • Entwicklung von Teilmodellen für • Magnetkreis • Mechanik • Hydraulik

  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

  19. Beispiel: schaltbares Motorlager Kooperationspartner: TRELLEBORG Automotive Problem: unzulässige Erwärmung des schaltbaren Lagers, zu hohe Leistungsaufnahme

  20. Vorgehen: Entwicklung Antsteuerschaltung Modifikation Spulenauslegung dabei intensiver Einsatz von Simulation

  21. Erzielte Reduktion des Energieverbrauchs Leistung in Watt für zwei Motorlager -95%

  22. 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 Ende Conclusion

  23. Leistungsgehäuse für mechatronische Systeme: HIQUAD64 (Quelle: ST-Microelectronics) Leistungsgehäuse für mechatronische Systeme: PSO 36 (Quelle: ST-Microelectronics)

  24. Rapid Controller Prototyping Simulierter Regler A D d/dt D A  & Digitale Inputs Digitale Outputs Zu regelndes System

  25. Prinzip HIL (Hardware In The Loop) ECU (Electronic Control Unit) A D  D A Digitale Inputs Digitale Outputs Simulierte Hardware (= zu regelndes System)

  26. Lumped Element Simulation

  27. Geschlossene Ventilstellung Mittelposition Geöffnete Ventilstellung Aktuator Feder Schließt Magnet Anker Ventil Feder Öffnet Magnet Ventil Aktuatorprinzip des EMV

  28. Simulationsmodell des unteren Magneten für die FE- Simulation Anker „Luftspalt“ Spulen Magnet Joch

  29. Automatische Generierung des FE- Netzes

  30. Magnetflußlinien als Ergebnis der Simulation

  31. Sättigungsanalyse durch Darstellung der magnetischen Feldstärke

  32. Berechnete Kraftverläufe Force [N] x/mm

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