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Simulation Simulationen lösen komplexe Berechnungen der Antriebstechnik

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Bei der Entwicklung einer ölgekühlten Kupplungsbremse senkten die Simulationsexperten eines Ingenieurbüros den Einsatz von Ressourcen. Durch den ständigen Austausch mit den Konstrukteuren und Entwicklern konnte jede geometrische Änderung gezielt und effizient umgesetzt werden.

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Dank Simulation konnte die optimale Geometrie einer Kupplungsbremse schnell gefunden werden. Dabei war nur ein einziger realer Prototyp nötig.
Dank Simulation konnte die optimale Geometrie einer Kupplungsbremse schnell gefunden werden. Dabei war nur ein einziger realer Prototyp nötig.
(Bild: Merkle )

Simulationstechnologien haben in einfachen Anwendungen längst ihren Platz gefunden. In der Entwicklungs- und Konstruktionstechnik lassen sich über Simulationen inzwischen aber auch sehr komplexe Modelle berechnen. Dabei werden Geometrien mehrteiliger Körper mit teils unterschiedlichen Materialeigenschaften mit Strömungsberechnungen (für Öl-, Benzin-, Wasser- oder Luftströmungen) kombiniert und unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen berechnet.

Eine Disziplin, die Expertise erfordert aber gleichzeitig auch enorme Unterstützung in der Konstruktion leisten kann. Am Beispiel einer Hinterachskupplungsbremse im Nutzfahrzeugbereich zeigt das Ingenieurbüro Merkle & Partner aus Heidenheim, welche Möglichkeiten Simulationstechnologien heute schon bieten. Seit Jahren führt das Ingenieurbüro Simulationen für Entwicklungsleistungen, im Prototyping und Testing durch. Kürzlich setzte Merkle & Partner Simulationstechnologien auch in der Entwicklungsphase einer Hinterachskupplungsbremse im Nutzfahrzeugbereich ein - mit außerordentlich guten Ergebnissen.

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Was eine Kupplungsbremse auszeichnet

Dabei sollte eine Kupplungsbremse entwickelt werden, die zum Verzögern in der Hinterachse eingesetzt wird. Kupplungsbremsen sind widrigsten Bedingungen ausgesetzt: Sie können hohe Kräfte aufnehmen, sind langlebig und werden über ein geschlossenes, ölgekühltes System betrieben.

Dabei wird die Bewegungsenergie über Reibung in Wärme umgesetzt. Kurz gesagt, eine Kupplungsbremse ähnelt in Aufbau und Funktion einer Lamellenkupplung, die ebenfalls unterschiedlich schnell rotierende Wellen einander angleichen soll. Den Wirkungsgrad der Bremse, sowie die Kühlung durch das Öl bestimmt daher in hohem Maße die Geometrie der Lamellen selbst.

Anwendertreff mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

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Mehr Detailwissen dank Simulation

Simulationsberechnungen können in allen Stadien der Entwicklung und dem Testing einer Bremse zielführend eingesetzt werden. Besonders hohen Nutzen erzielt die Simulation in der Produktentwicklung. Dabei wurde am Beispiel der Kupplungsbremse das konstruierte Modell in die Simulationssoftware überführt und von den Ingenieuren der Merkle & Partner aufgebaut.

„Komplexe Simulationen bieten genauso wie einfache Simulationen Details und Einsichten, die man über Testings nur schwer oder teilweise auch gar nicht erkennen kann. Ausschlaggebend für eine zielführende Simulation ist immer die Erfahrung des Ingenieurs. Dabei geht es darum, die Berechnung so aufzubauen, dass der Rechenaufwand wirtschaftlich bleibt, aber dennoch wichtige Details erkannt werden können“, so Christian Mielke, Entwicklungsingenieur und Projektleiter bei Merkle & Partner. Für die Simulation waren vor allem die Geometrien der Lamellen wie auch die effektive Ölzufuhr ausschlaggebend.

Über die Simulation von Varianten zur optimalen Konstruktion

Der große Vorteil der Simulation ist das Testen unterschiedlicher Parameter unter Realbedingungen, die virtuell vorgegeben werden können. So war es beim vorliegenden Projekt recht einfach möglich, zum Beispiel verschiedene Öltemperaturen zu untersuchen, um zu sehen, ob die Bremse sowohl im Dauerbetrieb bei einer Temperatur um 90°C funktioniert, als auch beispielsweise beim Kaltstart an einem winterlichen Morgen in Norwegen bei -20°C. Diese Tests konnten darüber hinaus relativ einfach mit unterschiedlichen Lamellengeometrien durchgeführt werden, um die optimale Konstruktion zu sondieren.

Im Austausch mit den Konstrukteuren

Während der virtuellen Optimierung stehen die Berechnungsingenieure von Merkle & Partner im ständigen Austausch mit den Konstrukteuren und Entwickler und liefern wichtige Informationen, die dem Konstrukteur als Unterstützung dienen. Damit wird jede geometrische Änderung gezielt und effizient umgesetzt, die nicht nur die mechanischen Aspekte, sondern die Gesamtheit des Systems, berücksichtigen.

Diese Vorgehensweise bedeutet eine enorme Erleichterung für die Konstruktionsarbeiten und wird von den Kunden von Merkle & Partner sehr geschätzt; sie ist ein wesentlicher Bestandteil des etablierten Entwicklungsprozesses.

Simulation ersetzt zahllose Tests

Ebenso wurde unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen die effizienteste Ölzufuhr geprüft. Die größte Herausforderung ist, wie man die Geometrien der Lamellen aufbaut, damit sich das Öl überall gleichmäßig verteilen kann. Die Ölzufuhr muss optimiert werden, ebenso wie die Abfuhr. Da das Öl die wichtige Aufgabe hat, die durch die Reibung entstandene Wärme abzuführen, müssen hier viele Faktoren ineinandergreifen, um die beste Lösung zu finden.

Üblicherweise greift man bei solchen Prozessen auf zahllose Tests zurück. Verschiedenste Geometrien werden verbaut und dann unter Realbedingungen getestet. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen, um die bestmögliche Lösung zu finden“, so Christian Mielke. Dabei werden nicht nur materielle Ressourcen verbraucht, sondern auch Zeit. Und die letztendliche Lösung ist meist nicht die optimale.

Nur ein einziger Prototyp nötig

„Wir haben bei der Kupplungsbremse die Geometrien für die Zufuhrleitungen vergrößert. Die Simulationen zeigen uns, was in den Versuchen oft unentdeckt bleibt. Der Kunde selbst wäre vermutlich nur nach sehr vielen Tests auf die Lösung gekommen, die wir ihm präsentierten“, so Mielke. Circa 3 bis 4 Monate hat die Arbeit zwischen den Simulationsexperten und der Entwicklungsabteilung des Kunden gedauert, wobei die reine Mannarbeit bei etwa zwei Monaten lag.

Dafür musste der Kunde den Prototypen nur einmal aufbauen. Üblicherweise muss dies mehrmals gemacht werden und verschlingt enorme Kosten und Entwicklungszeit. Auch der durch Simulationen optimierte Prototyp wurde einigen Tests unterzogen. Die Arbeit von Testingenieuren wird durch Simulationen also keineswegs obsolet, sie wird schlicht vereinfacht.

Welche Vorteile die Simulation hat

Simulationen sparen Kosten und Zeit, die sich im Vorhinein nur schwer quantifizieren lassen. Zudem ist es ein feststehendes Gesetz, dass die Kosten für die Behebung eines Fehlers steigen, je später er in einem Projekt gefunden wird.

Der Super-GAU eines jeden Herstellers ist ein bereits ausgeliefertes Produkt zurückrufen zu müssen, um kritische Fehler zu beseitigen. Häufig sind dies Mängel, die in Simulationen erkannt worden wären, lange bevor der erste Prototyp physikalisch zusammengebaut worden ist.

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