Wenn man versucht, mit einem alten Auto langsam loszufahren, spürt man oft ein deutliches Ruckeln. Antriebssysteme wie die in einem Auto arbeiten meist nicht völlig gleichmäßig. Während einer Umdrehung wirkt nicht die ganze Zeit über dasselbe Drehmoment. Dadurch kann es zu unerwünschten Schwingungen kommen.

Durch Kupplungen aus elastischem Material lassen sich störende Drehschwingungen dämpfen, doch die Analyse solcher Kupplungen und die Berechnung ihres Verhaltens ist schwierig. Unterschiedliche Materialien können ganz unterschiedliches Schwingungsverhalten erzeugen. An der TU Wien gelingt es nun, Elastomerkupplungen mit Hilfe eines neuen Prüfstandes zu analysieren. Damit kann man ganze Antriebsstränge am Computer modellieren und sogar in Echtzeit überwachen – etwa bei Fahrzeugantrieben, Druckmaschinen, Mahl- oder Walzwerken.

Einfache Modelle für Echtzeitüberwachung
„Die Qualitätsanforderungen bei Maschinen-Antriebselementen werden immer höher“, sagt Prof. Stefan Jakubek (Institut für Mechanik und Mechatronik, TU Wien). „Es ist daher heute üblich, das Verhalten der Bauteile schon in einem frühen Entwicklungsstadium am Computer zu simulieren.“

Wird das Antriebssystem (beispielsweise mit einer Finite-Elemente-Methode) physikalisch exakt am Computer nachgebildet, bekommt man zwar ein sehr detailliertes und aussagekräftiges Modell, allerdings ist der Rechenaufwand sehr groß. Will man die Komponenten in Echtzeit überwachen, etwa um mögliche Schäden frühzeitig zu erkennen, braucht man einfachere, schnellere Methoden.

„Bisher war es Stand der Technik, Drehschwingungen in einem eingeschwungenen, zeitlich konstanten Zustand zu untersuchen“, erklärt Stefan Jakubek. „Das genügt aber nicht immer. Wir können uns in unseren Modellen nun auch die zeitliche Entwicklung ansehen.“ Manche nichtlineare Phänomene können nur durch eine solche zeitaufgelöste Herangehensweise untersucht werden.

Hartnäckige Stauchungen
Auch der Effekt, dass elastische Kupplungen nach der Belastung nicht mehr exakt in den Ausgangszustand zurückkehren, lässt sich nur in einer zeitabhängigen Simulation beschreiben. „Man kann sich das vorstellen wie bei einem Badeschwamm: Wenn man ihn rasch zusammenpresst, dehnt er sich danach nicht gleich wieder exakt auf die Ursprungsgröße aus. Eine gewisse Stauchung bleibt zurück, man nennt das Hysterese“, erklärt Stefan Jakubek. Auch in elastischen Kupplungen, mit denen Rotationen übertragen werden, kommt es zu einem Hystereseverhalten.

Gemeinsam mit dem Grazer Unternehmen tectos hat das Team der TU Wien einen Weg gefunden, mit Hilfe von wenigen Sensoren automatisch ein Modell elastischer Kupplungen zu erstellen. An einem speziell entwickelten Prüfstand werden durch standardisierte Messungen wichtige Parameter erfasst, damit lassen sich dann zeitabhängige Simulationsmodelle automatisch anpassen. So kann man zum Beispiel den Einsatz einer Kupplung in Verbindung mit einem Motor genau analysieren, lange bevor das Antriebssystem tatsächlich gebaut wird.

„Am Prüfstand kann man die Elastomerproben Torsionsbelastungen mit nahezu beliebiger Dynamik aussetzen. Daraus gewinnt man Parameter, die dann automatisch in ein Modell integriert werden“, sagt Stefan Jakubek. „Die Bedienung ist einfach – für die Anwendung sind keinerlei tiefere Kenntnisse der Materie nötig.“

Weil es gelungen ist, die Rechenmodelle recht einfach zu halten, sind die Modelle auch bei hohen Drehzahlen in Echtzeit einsetzbar. Die Übertragung des Drehmoments über die Kupplung kann genau überwacht werden – und so lassen sich sogar bei laufendem Betrieb mögliche Fehlerquellen rechtzeitig erkennen. „Wenn etwa ein Riss im elastischen Material entstanden ist oder wenn das Material ermüdet und hart wird, lässt sich das anhand unserer Modelle gut feststellen“, sagt Jakubek.

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Weitere Neuerungen, die von der TU Wien auf der SPS IPC Drives (Nürnberg, 25.-27.11.2014) in Halle1-Stand251 vorgestellt werden: 

Eine bereits in Stückzahlen von zig-tausend eingesetzte sensorlose Regelung der TU Wien für PM-Synchronmotoren wird in einer neuen, nun lautlosen Ausführung präsentiert. Diese Regelung bringt höchstmögliches Drehmoment, auch aus dem Stillstand, sowie stufenlose und „ruckelfreie“ Drehzahlregelung ohne Drehgeber – etwa für Produktionsmaschinen, Kraftfahrzeuge, Lüftung und Klimatechnik sowie Medizintechnik. Diese Regelung ermöglicht höchste Energieeffizienz bei erhöhter Ausfallsicherheit und das bei reduzierten Produktions- und Wartungskosten.

Der praxiserprobte Automation Service Bus (ASB) sorgt für Effizienz im parallelen Engineering von flexiblen industriellen Anlagen und Produkten. Er schließt bei Nutzung von uneinheitlichen Software-Werkzeugen die Lücken zwischen unterschiedlichen Fachbereichen. Mit einem Modul des ASB können Engineering-Ergebnisse nun erstmals auch während der Betriebsphase von Anlagen und Geräten integriert zur Verfügung gestellt werden, was eine unabdingbare Voraussetzung für die Industrie 4.0 darstellt.

Rückfragehinweise:

Zu wissenschaftlichen Fragen:
Univ. Prof. Stefan Jakubek
Institut für Mechanik und Mechatronik
Wiedner Hauptstraße 8, 1040 Wien
T: +43-1-58801-325510
stefan.jakubek@tuwien.ac.at

Zum Auftritt der TU Wien bei der SPS IPC Drives:
Dipl.-Ing. Peter Heimerl
Forschungsmarketing
Technische Universität Wien
Karlsplatz 13, 1040 Wien
T: +43-664-605883320
forschungsmarketing@tuwien.ac.at

Aussender:
Dr. Florian Aigner
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41027
florian.aigner@tuwien.ac.at