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antriebstechnik 11/2016

antriebstechnik 11/2016

a b 05 04 07 06 a b c 04

a b 05 04 07 06 a b c 04 Überfahren der Laufflächenübergänge nach [SG16] 05 Umlenken der Kette an den Tragrollen 06 Topologieplan des Fahrwerkes nach [SG16] 07 Ausführungsformen für die Laufflächen der Kettenglieder Zielstellung Die beispielhaft beschriebenen und weitere fahrdynamische Effekte sorgen für eine erhebliche Fahrunruhe während des Verfahrens eines Raupenfahrzeugs, was zu beanspruchungsrelevanten Lastüberhöhungen im gesamten Fahrzeug führt und die Lebensdauer der mechanischen Komponenten limitiert. Entsprechend sind Maßnahmen erforderlich, welche die Fahrunruhe regulieren und somit eine schonendere Betriebsweise der Gerätschaften erlauben. Im Folgenden werden diesbezüglich konstruktive Regulierungsmaßnahmen vorgestellt, welche die Beanspruchung des Fahrwerkantriebs, des Fahrwerkes und des gesamten Raupenfahrzeugs verringern sollen. Dabei erfolgt der Nachweis des Beanspruchungsregulierungspotentials mithilfe des Werkzeugs der Mehrkörpersystem-Simulation. Methodik Zur Überprüfung des Beanspruchungsregulierungspotentials der einzelnen Maßnahmen dient ein Mehrkörpersimulationsmodell des Raupenfahrwerkes nach Abbildung 01, wobei die Modelltopologie Bild 06 entnommen werden kann. Anhand dieser ist zu erkennen, dass die Interaktion zwischen der Kette und den Laufrollen, der Kette und den Turassen sowie der Kette und dem Boden (Fahrplanum) mithilfe von Kontaktelementen beschrieben wird, sodass sich im konkreten Beispiel mehr als 1 000 Kontaktbereiche ergeben. Um die CPU-Zeit des Modells und numerische Fehler gering zu halten, erfolgte die Modellierung bevorzugt in Baumstruktur unter Anwendung von Relativkoordinaten und einem rekursiven Solver. Am Antriebsturas befindet sich die Schnittstelle zum Fahrwerksgetriebe (in Bild 6 nicht dargestellt), welches vereinfacht als Zwei- Massen-Torsionsschwinger abgebildet ist. Dies erlaubt hauptsächlich eine qualitative Beurteilung der Lastschwankung zwischen Getriebeeingangs- (Motorläufer) und Getriebeausgangsseite (Antriebsturaswelle). Um realitätsnahe Fahrsituationen nachempfinden zu können, ist dem Simulationsmodell zudem die originale PI-Drehzahlregelung und ein verifiziertes Abbild der stromrichtergespeisten Asynchronmaschine mit feldorientierter Regelung hinterlegt. Zur Beurteilung des Schwingungsregulierungspotentials der einzelnen Maßnahmen ist ein Bewertungskriterium erforderlich, welches objektiv die Schwankung der einzelnen Zustandsgrößen erfasst und anhand eines Skalars reflektiert. Da sowohl Bewegungsals auch Lastgrößen zur Bewertung herangezogen werden, wird im Folgenden als Kriterium die Signalenergie verwendet. Diese berechnet anhand des trendbereinigten, zeitbegrenzten Signals dessen Energiegehalt und bewertet somit die einzelnen Schwingungsanteile. Da die Signalenergie einen reinen Signalbezug 142 antriebstechnik 11/2016

GETRIEBETECHNIK aufweist, kann diese unabhängig von der Signalart (Signal einer Lastgröße, Signal einer Bewegungsgröße) angewendet werden. Die einzelnen Signale liegen zu diskreten Zeitpunkten vor und sind reellwertig, sodass zur Ermittlung der Signalenergie Gleichung (1) verwendet wird. Überfahren der Laufflächenübergänge In den Ausführungen von [KKZ01] wird das Überfahren der Laufflächenübergänge zwischen den einzelnen Kettengliedern durch die Laufrollen als einflussreichster Effekt hinsichtlich der Fahrunruhe respektive der Schwankung der einzelnen Zustandsgrößen beschrieben. Folglich ergibt sich ein hohes Beanspruchungsregulierungspotential, sofern die Rollbahnunterbrechungen zwischen den Schaken konstruktiv beseitigt werden können. In diesem Zusammenhang leiteten Kramer, Kubacki und Ziegler aus dem konventionellen Schakendesign (Bild 7a)) die Doppelaugenschake ab (Bild 7b)) [KKZ01]. Ferner erfolgte am Lehrstuhl Maschinenelemente der TU Dresden der Entwurf eines prinzipähnlichen Designs (Bild 7c)). Sowohl die Doppelaugenschake nach [KKZ01] sowie die Designstudie verfügen – da sich die Laufflächen der Schaken im Gelenkbereich überlappen – über eine kontinuierliche Rollbahn und werden daher im Folgenden unter dem gemeinsamen Begriff KR-Schake geführt (KR – kontinuierliche Rollbahn). Das Simulationsergebnis des Signals der Fahrgeschwindigkeit bei der Fahrt mit gezogenem Untertrum im Nennbetriebsbereich des Fahrzeugs zeigt deutlich, dass mit der Einführung des KR-Designs eine erhebliche Beruhigung der Fahrgeschwindigkeitsschwankung ermöglicht wird (Abbildung 08). Insbesondere die starken Elongationen (bei t ≈ 15 s,20 s,25 s usw.), welche in weiterführenden Studien eindeutig der Durchfahrt der Laufflächenübergänge zugeordnet werden konnten, werden eliminiert. Die Beobachtungen im Zeitbereich werden mithilfe des objektiven Bewertungskriteriums der Signalenergie bestätigt (Bild 09). Diese zeigt, dass bei der Fahrt mit gezogenem Untertrum (gUT) die Schwankung der Fahrgeschwindigkeit um 70 % gegenüber dem ursprünglichen Schakendesign (Ref) reduziert wird. Dies bedeutet hauptsächlich eine erhebliche Verringerung des Schwingungseintrags in den Fahrzeugoberbau. Ferner zeigt der Vergleich der Signalenergien, dass die weiteren Zustandsgrößen des Motorstellmomentes (M Motor ), des Strangmomentes (M Strang ), der Motordrehzahl (n Motor ) und der Turasdrehzahl (n Turas ) von der Einführung des KR-Designs profitieren. Insbesondere die Verringerung des Motorstell- und Strangmomentes bedeuten eine erhebliche Entlastung des Motors und eine Beanspruchungsminimierung für die Maschinenelemente des Getriebes. Bei der Fahrt mit gezogenem Obertrum (gOT) können speziell bei dem Fahrgeschwindigkeitssignal ähnliche Schwingungsreduktionen festgestellt werden, sodass auch bei dieser Fahrsituation die Anregung des Fahrzeugoberbaus verringert wird. Demgegenüber ist die Reduktion der Schwingungsenergie der getriebeinternen Signale nicht so ausgeprägt wie bei gezogenem Untertrum, dennoch ist eine deutliche Reduktion erkennbar. Folglich ist die Einführung einer kontinuierlichen Rollbahn mit einem erheblichen Potential verbunden, die Beanspruchung aller Raupenfahrzeugkomponenten zu reduzieren. Elastische Lagerung des Umlenkturasses Werden die Raupenfahrwerke unter statischen Gesichtspunkten betrachtet, setzt sich die Zugkraft innerhalb der Raupenkette zunächst aus der Kettenvorspannung und der durch den Antriebsturas eingeleiteten Vorschubkraft zusammen und wäre zeitlich 08 Vergleich der Fahrunruhe des Ausgangsmodells (Ref) mit dem KR-Design, Zeitbereich 09 Vergleich des Ausgangsmodells (Ref) mit dem KR-Design, Signalenergie 10 Elastisch gelagerter Umlenkturas konstant. Jedoch ist an den einzelnen Umlenkbereichen (Kettentragrollen, Antriebsturas, Umlenkturas und Laufrollen (Schakenklappen) in Abhängigkeit der aktuellen Relativlage von Kettenglied zum Umlenkelement eine variable Kettengliedlänge erforderlich, um den Zustand einer zeitlich konstanten Kettenzugkraftverteilung innerhalb der Kette aufrecht zu erhalten. Da dies selbstverständlich praktisch nicht möglich ist, resultieren zeitvariante Zusatzlasten, welche sich der konstanten Kettenzugkraft überlagern und sich auf die Gleichförmigkeit der Fahrbewegung und auf die Schwankung des Strangmomentes auswirken. Folglich besteht die Vermutung, dass mit einer Verringerung der Kettenzugkraftschwankung eine Regulierung der Zustandsschwankungen einhergeht. Konstruktiv bietet sich hierfür eine elastische Aufhängung des Umlenkturasses an, wobei die Nachgiebigkeit in Fahrtrichtung wirkt (Bild 10). antriebstechnik 11/2016 143

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