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 Lehrgebiet „Verbrennungsmotoren“, FB Luft und Raumfahrttechnik

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

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

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

Simulationsverfahren Komponentenbasierte Modelle Verhaltensbasierte Modelle  d/dt & 

Simulationsverfahren FE- Modelle (FE = Finite Elemente)

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

Elektro- Mechanischer Ventiltrieb EMV

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

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

Aktuator in Betrieb

FE- Simulationsmodell Magnetmodell

„Mechatronischer Schaltplan“ des EMV- Aktuators damping of armature upper spring voltage clipping closing magnet Ankerweg, v_Anker 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

Simulationsergebnis für Weg- und Geschwindigkeitsverlauf des Ankers

Das Modell wurde beim Auftraggeber danach weiterentwickelt. 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.

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

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

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

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

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

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

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 Ende

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

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

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

Lumped Element Simulation

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

Funktionsweise des Elektromechanischen Ventilaktuators (EMV) Schließen Ventilweg Öffnen When the valve is in the closed position the armature will stick to the upper magnet. Switching off this solenoids current will release the armature, converting the potential energy of the spring into kinetic energy in the middle position. When moving further on to the opened position of the valve it reconverts the kinetic energy back to potential energy. By switching on a catching and then a holding current of the opening solenoid the armature can be held in opened position. Closing of the valve works similar. Plotted here is the superpositioned current course of both solenoid. This is the current the board supply has to support for each valve (when the actuator is according to the described design.) Strom -5 5 10 15 20 25 30 T T 1 Zeit [ms] 1 T T 2 2 T T 3 3

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

Automatische Generierung des FE- Netzes

Magnetflußlinien als Ergebnis der Simulation

Sättigungsanalyse durch Darstellung der magnetischen Feldstärke

Berechnete Kraftverläufe Force [N] x/mm