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Simulation auf dem Prüfstand

| Autor/ Redakteur: Florian Tafelmayer* / Ute Drescher

Im Rahmen eines aktuellen Projektes hat Baumüller die Möglichkeiten von Antriebs-Simulationen auf die Probe gestellt. Das Ergebnis hat Einfluss auf zukünftige Herangehensweisen.

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Mit dem gesammelten Know-how in der elektrischen Antriebstechnik konnte Baumüller den Servomotor DSC1-100 mit allen relevanten Eigenschaften modellieren.
Mit dem gesammelten Know-how in der elektrischen Antriebstechnik konnte Baumüller den Servomotor DSC1-100 mit allen relevanten Eigenschaften modellieren.
(Bild: Baumüller)

Der Ärger war groß: Nachdem die Felss-Gruppe ihre Maschinen zum Kaltumformen von Bauteilen durch Rundkneten von Hydraulik auf elektrische Antriebstechnik umgerüstet hatte, ergab sich eine hohe Schwingungsbelastung des Motors, welche die Lebensdauer des Antriebs enorm verkürzte. Die global aktive Gruppe, die Maschinen und Verfahren im Bereich der Umformtechnik entwickelt, stand mit ihrer neuen Maschinengeneration „Generation e“ vor einer Herausforderung.

Im Rundknetverfahren werden Rohre, Drähte und Stäbe reduziert, indem mehrere gegeneinander wirkende Werkzeuge in radialer Richtung Druckkräfte auf das Werkstück ausüben. Die Umformung erfolgt dabei durch eine Vielzahl an schnell ausgeübten Druckimpulsen. Um eine hohe Genauigkeit des Innendurchmessers und der Wandstärke zu erzielen, kann die Umformung über einen ins Werkstück eingefahrenen Dorn erfolgen. Dieser Dorn überträgt die prozessbedingten Vibrationen direkt auf den Antrieb, die damit maßgeblichen Einfluss auf die Lebensdauer des Antriebs haben.

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Felss wandte sich mit dieser antriebstechnischen Herausforderung bereits in einem frühen Stadium des Produktentstehungsprozesses an Baumüller. In enger Zusammenarbeit wollten Maschinenbauer und Antriebsspezialist gemeinsam sowohl eine hohe Prozesssicherheit als auch eine optimale Ressourceneffizienz erreichen. Baumüller wählte den Servomotor DSC1-100 aus, um über einen Spindelantrieb den Dorn zur radialen Abstützung des Werkstücks in axialer Richtung in das Knetwerk einzuführen.

Die durch die Oszillation der Werkzeuge entstandenen Vibrationen wurden über die Spindel an den Motor weitergegeben. Folge waren Lagerschäden, die zu einem frühzeitigen Ausfall des Motors führten. Es ergab sich daraus beim Baumüller-Motor die beste Standzeit – mit nur wenigen Wochen aber dennoch bei weitem nicht genug.

Motor wurde modelliert

Zur Feststellung der Schwingungshöhe wurden an der Maschine mit Baumüller-Standardmotor Messungen durchgeführt. Die erhaltenen Parameter wurden dann der Simulation zugrunde gelegt, um den Motor virtuell mit den realen Schwingungen zu belasten. Als Spezialist mit jahrzehntelangem Know-how in der elektrischen Antriebstechnik konnte Baumüller den Motor mit allen relevanten Eigenschaften modellieren. Hier flossen Informationen zu Materialien, Kontakten und Verbindungsarten mit ein. Die von der Analyse ausgeschlossenen Bauteile wurden über abgesetzte Massen mit den jeweiligen Massenträgheitswerten berücksichtigt.

Das Berechnungsmodell ergab eine erhöhte axiale Schwingungsbelastung des Motors. Den Berechnungen zufolge ergab sich, dass bei den angenommen Belastungen theoretisch eine Steigerung der Lebensdauer von wenigen hundert Stunden auf über 50.000 h möglich wäre, wenn anstatt der standardmäßigen Rollenkugellager zwei Schrägkugellager eingesetzt werden. Es konnte also bereits vor dem physikalischen Versuch eine geeignete Maßnahme gewählt und eine Aussage über ihre Wirksamkeit getroffen werden.

Versuch bestätigt Simulation

Auf Grundlage der Berechnungen wurde ein Prototyp gefertigt, der auf dem Prüfstand getestet wurde. Die im Dauertest gemessenen und die berechneten Werte wurden im Anschluss gegenübergestellt. Es ergab sich eine Übereinstimmung von über 90 %. Die guten Ergebnisse konnten im Feldtest ein weiteres Mal bestätigt werden. Die Ursache des Ausfalls konnte damit behoben und dem Motor für die vorliegende Anwendung das Prädikat „Dauerfest“ erteilt werden.

Das Modellieren von Motoren zur Berechnung erscheint auf den ersten Blick aufwändig. Der Übereinstimmungsgrad von über 90 % zwischen Berechnung und Versuch zeigt jedoch, dass die Berechnungen die realen Beanspruchungen sehr gut abbilden. Simulationen mit modellierten Motoren sind darum als echte Alternative zum Prototypenbau anzusehen. (ud)

* Florian Tafelmayer ist Entwickler bei der Baumüller Nürnberg GmbH.

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