Simulation mechatronischer Systeme im Automobil

Prof. Dr.- Ing. Günter SchmitzFlugzeug- Elektrik und Elektronik

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Simulation Simulation mechatronischer Systeme mechatronischer Systeme

im Automobilim Automobil


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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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• (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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Entwicklungsprozess ohne Mechatronik

Produkt- Definition

Mechanik-

Entwicklung

Elektronik- Entwicklung

Optimierung Elektro- mechanisches

Produkt

Optimierung


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„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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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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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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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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Lumped Element Simulation


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Aktuator Feder Schließt

Magnet

Anker

Ventil Feder

Ventil

Geschlossene Ventilstellung Mittelposition Geöffnete Ventilstellung

ÖffnetMagnet

Aktuatorprinzip des EMV


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Simulationsmodell des unteren Magneten für die FE- Simulation

Anker

Magnet Joch

Spulen

„Luftspalt“


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Automatische Generierung des FE- Netzes


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Magnetflußlinien als Ergebnis der Simulation


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Sättigungsanalyse durch Darstellung der magnetischen Feldstärke


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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]

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