Systemsimulation optimiert das dynamische Verhalten von Heckklappenschlössern

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Lenord, Bauer & Co. GmbH

CADFEM Germany GmbH

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Lösung: Simulation des gesamten elektromechanischen Systems in einer Software

Wie die Strukturansicht (Abbildung 2) zeigt, gliedert sich das Modell in drei funktionelle Teile: 1D-Antrieb, Mehrkörpermodell des Schließmechanismus‘ und das 1D-Modell der Heckklappe. Der Antrieb enthält das Modell des Gleichstrommotors. Die meisten Parameter können dem Datenblatt entnommen werden, wie z. B. Windungswiderstand, Spannungskonstante, Drehmomentkonstante und Reibungsmoment. Die Parameter des Schneckenantriebs sind größtenteils geometrische Werte z. B. für allgemeine Zahnbreite, Modul- und Druckwinkel. Der Reibungskoeffizient muss angenommen werden und kann für Parameterstudien von Interesse sein.

Der Schlossmechanismus als Mehrkörpersystem

Das Mehrkörpersystem bildet den eigentlichen Schlossmechanismus ab. Die einzelnen Teile sind im Gehäuse drehbar gelagert. Die Vorspannkraft und Steifigkeit der Schenkelfedern werden im Modell durch rotatorische Federdämpfer abgebildet und sind durch Zwangsbedingungen mit den beweglichen Drehgelenken verbunden. Die Funktion des Schlosses hängt von der Drehung der Teile um ihre jeweilige Rotationsachse und vom Kontakt zwischen ihnen ab. Wenn die Verkippungen der Achsen vernachlässigt werden, können sich die Schlossbestandteile nur innerhalb einer Ebene bewegen.

Für diesen Fall können die möglichen Kontakte zwischen ihnen näherungsweise als Prismenkontakt an ihren Mantelflächen bestimmt werden. Diese Flächen stehen im rechten Winkel zur Bewegungsebene. Damit sind die Voraussetzungen zur Beschreibung der Kontaktsituation in zwei Dimensionen erfüllt. In der Simulation wird ein 2D-Kontaktmodell verwendet, das die Stirnfläche des Prismas als Polygon beschreibt. Der Kontakt zwischen den Prismen entspricht einer Überschneidung der Polygone in der Bewegungsebene. Das 2D-Kontaktmodell berechnet die aktuelle Überschneidung. Die Kontaktkraft setzt sich dabei aus einer Normalkraft zusammen, die proportional zur Überschneidungsfläche und senkrecht zu einer tangentialen Reibungskraft ist.

Abbildung 3 zeigt das Diagramm für die Überschneidung zwischen zwei Polygonen. Der Schwerpunkt CA wird als Kontaktpunkt betrachtet, an dem die Normalkraft Fk,1 und die Tangentialkraft (nicht eingezeichnet) angreifen. Die Normalkraft steht senkrecht zur Strecke SvSv+1 zwischen den Schnittpunkten der Polygone. Das 2D-Kontaktmodell wird für jeden Kontakt zwischen den beweglichen Teilen des Schlossmechanismus‘ verwendet. Während des Öffnens sind die folgenden Kontakte am wichtigsten: Sperrklinke und Drehfalle sowie Steuerkurve und Sperrklinke. Alle festen Kontakte zwischen den beweglichen Teilen und dem Schlossgehäuse entsprechen rotatorischen Endanschlägen und werden in den zugehörigen Gelenken berücksichtigt.

Modellierung des Verhaltens des Heckklappe

Der dritte Teil des Modells beschreibt das Verhalten der Heckklappe am Schließbügel, der durch die Drehfalle gehalten oder gelöst wird. Das Modell beinhaltet die Trägheit der Heckklappe und die Vorspannkraft, die aus dem Dichtungsgummi der Heckklappe sowie dem Gummipuffer für den Schließbügel im Schloss resultiert. Die Dichtungskraft hängt von der Winkelposition der Heckklappe und damit auch von der Stellung des Schließbügels ab. Die Kraft wirkt am Schließbügel in die Richtung, in welche das Schloss geöffnet wird. Das heißt, dass sie die Drehfalle im Uhrzeigersinn dreht, sofern das nicht durch die Sperrklinke verhindert wird. Dem Umstand, dass die Trägheit der Heckklappe nur anliegt, solange der Schließbügel nicht vollständig von der Drehfalle gelöst ist, wird durch eine geschaltete Steifigkeit zwischen der Heckklappenträgheit und der Drehfalle Rechnung getragen.

Basierend auf dem Simulationsmodell wurden umfangreiche Variantenrechnungen durchgeführt, um vorherzusagen, ob das Schloss innerhalb des definierten Funktionsbereichs die Anforderungen erfüllt. Unterschiedliche Kombinationen von Motorentypen und Steuerkurvenprofilen wurden mithilfe statistischer Versuchsplanung getestet.

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