Simulation mechatronischer Systeme im Automobil

Präsentation zum Thema: "Simulation mechatronischer Systeme im Automobil"—  Präsentation transkript:

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 (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

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

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

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

7 Simulationsverfahren
FE- Modelle (FE = Finite Elemente)

8 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

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 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

15 Simulationsergebnis für Weg- und Geschwindigkeitsverlauf des Ankers

16 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.

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

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

19 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

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

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

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

23 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

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

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

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

27 Lumped Element Simulation

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

29 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

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

31 Automatische Generierung des FE- Netzes

32 Magnetflußlinien als Ergebnis der Simulation

33 Sättigungsanalyse durch Darstellung der magnetischen Feldstärke

34 Berechnete Kraftverläufe
Force [N] x/mm