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Systemsimulation optimiert das dynamische Verhalten von Heckklappenschlössern

| Autor / Redakteur: Heiko Ulrich Schulz-Andres, Dr. Radu Descas, Karsten Todtermuschke / Monika Zwettler

Komplexe Vorgänge wie dieses elektrisch betätigte Schloss können mithilfe der Systemsimulation optimiert vwerden.
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Komplexe Vorgänge wie dieses elektrisch betätigte Schloss können mithilfe der Systemsimulation optimiert vwerden. (Bild: Huf Hülsbeck & Fürst)

Elektrisch betätigte Heckklappenschlösser sind zwar eine etablierte Technik, dennoch wachsen die Anforderungen, sodass die Komplexität ständig zunimmt. Der Beitrag stellt das komplexe Simulationsmodell eines Heckschlosses vor und beschreibt die Simulation des Antriebs, des Schlossmechanismus und der Dynamik der Kofferraumklappe am Beispiel der Systemsimulationssoftware Simulation-X.

Heckklappenschlösser sollen den Kofferraum eines Autos verschlossen halten und bei Bedarf den Zugang ermöglichen. Der Großteil der in motorisierten Fahrzeugen verbauten Heckklappenschlösser sind sogenannte OBW-Schlösser (open by wire), die elektrisch betätigt werden. Obwohl es sich dabei um eine etablierte Technik handelt, nehmen die Anforderungen immer mehr zu und führen zu einer steigenden Komplexität aufgrund ständiger Weiterentwicklungen. Die zuverlässige Funktionsweise der Heckklappe selbst bei hoher Belastung wie einem Unfall ist seitens der Hersteller und des Gesetzgebers detailliert festgelegt. Aber auch die Bedienbarkeit und die Schließgeräusche rücken bei der Entwicklung zunehmend in den Mittelpunkt. Zudem unterliegen Schlösser dem ständigen Kostendruck und der Gewichtsoptimierung. Am Beispiel des Öffnungsprozesses lesen Sie in diesem Beitrag, wie elektromechanische Komponenten in einem Fahrzeug schon früh mithilfe von Simulationsmethoden analysiert und optimiert werden können.

Motivation: Viele Parameter erfordern den Einsatz einer Systemsimulationssoftware

Abbildung 1 zeigt die funktionellen Teile des Schlosses im geschlossenen Zustand. Der Kontakt zwischen der Hauptraste der Drehfalle und der Sperrklinke verhindert, dass der Schließbügel das Schloss öffnet. Zur Öffnung muss zunächst der Gleichstrommotor gestartet werden. Durch einen Schneckenantrieb wird der Aktuator gedreht, was die Sperrklinke in Bewegung versetzt. Dadurch wird die Sperrklinke von der Drehfalle gelöst und entriegelt das Schloss. Die Drehfalle dreht sich und löst den Schließbügel. Nun ist die Heckklappe entsperrt und kann geöffnet werden.

Abhängig von der Auslegung des Fahrzeugs kann das manuell, automatisch durch eine entsprechende Vorspannkraft oder elektrisch durch einen zusätzlichen Antrieb geschehen. Zwingend für solch ein Schloss ist, dass es unter festgelegten Bedingungen zu jeder Zeit funktionstüchtig ist. In der Automobilindustrie sind der Spannungsbereich (9 bis 16 V) und die Umgebungstemperatur (-40 bis 85° C) bereits als Quasi-Standard definiert. Die Verschlusskraft (max. 1000 N) und die maximale Öffnungszeit sind ebenfalls festgelegt.

Zusätzliche Bedingungen sind die verlangte Lebensdauer (z. B. 25 000 Schließzyklen) und die Komfortanforderungen wie ein bestimmtes NVH-Verhalten. All diese Bestimmungen haben einen direkten Einfluss auf die Funktion des Schlosses:

  • So hängt zum Beispiel die Leerlaufgeschwindigkeit des Gleichstrommotors von der zugeführten Spannung ab.
  • Die Motorparameter selbst ändern sich ebenfalls aufgrund unterschiedlicher Temperaturen.
  • Auch die Reibungskoeffizienten von verschiedenen Materialen wie Kunststoff sind temperaturabhängig.
  • Das gewählte Material hat Auswirkungen auf die Massenträgheit im Mechanismus.

Zu den veränderbaren Parametern gehören der Motor, die Übersetzung, der Anstellwinkel des Aktuators, die Vorspannkraft der Federn und das Material der einzelnen Bestandteile. Aufgrund der Vielzahl an Parametern wird der Einsatz einer Systemsimulationssoftware, hier Simulation-X von ITI, unumgänglich. Mit der Hilfe der Variantenrechnung kann geprüft werden, ob ein Entwurf das gewünschte Verhalten unter allen Bedingungen vorweisen kann. Darüber hinaus können auftretende Effekte untersucht und nötige Anpassungen schon früh in der Entwicklung vorgenommen werden.

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