Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rechnergestützte Prognose des dynamischen Verhaltens von Elastomer¬kupplun-gen in stoßbelasteten Antriebssträngen

Das Forschungsziel besteht in der Entwicklung einer recheneffizienten Methodik zur Abbildung von Elastomerkupplungen in der Systemsimulation, sowohl unter Nennlast als auch unter hochdynamischer Stoßbelastung.

Der Lösungsansatz basiert auf der Entwicklung eines Berechnungsmoduls für die EMKS, welches die Kupplungskennwerte dynamische Steifigkeit und Dämpfung im Zeitbereich berechnet. Durch Umsetzung eines Versuchsaufbaus in Form eines Antriebsstrangs aus stoßerzeugendem Motor, Kupplung und Trägheit, können die Wechselwirkungen zwischen Kupplung und Strangkomponenten erforscht werden.

Nach aktuellem Stand der Technik stellt die Methode der EMKS einen sehr gut geeigneten Ansatz zur Systemsimulation dar. Elastomerkupplungen unter Stoßbelastung können jedoch im Gegensatz zu metallischen Bauteilen bisher nur unzureichend abgebildet werden. Das Forschungsergebnis in Form eines Berechnungsmoduls für die EMKS schließt diese Definitionslücke und ermöglicht die Systemsimulation von Antriebssträngen mit Elastomerkupplung. Die Ergebnisse sollen abschließend in einen Methodenleitfaden zur industriellen Anwendung überführt werden.

KMU, die Elastomerkupplungen herstellen oder einsetzen, eröffnet sich durch Einsatz der zu entwickelnden Methodik zur Abbildung von Elastomerkupplungen in der Systemsimulation die Möglichkeit ihre Produkte bzw. deren Verhalten im hochdynamischen Bereich besser zu verstehen, zu prüfen und zu beschreiben. Die Möglichkeit das Systemverhalten in der Entwicklungsphase durch Einsatz rechnergestützter Verfahren vorherzusagen, führt zur Verkürzung von kosten- und zeitintensiven Prototying-Phasen. Daraus resultieren unmittelbar verkürzte Entwicklungszeiten und reduzierte Unsicherheiten in der Auslegung und somit ein erhöhter wirtschaftlicher Nutzen.

Ergebniszusammenfassung:

Vor der Durchführung des Forschungsvorhabens war kein Verfahren bekannt, mit dessen Hilfe das Übertragungsverhalten von Elastomerkupplungen auch nur annähernd so genau wie andere typischerweise eingesetzte Maschinenelemente abgebildet werden kann. Die am häufigsten verwendete Modellierungsmethode bestand in der Vernachlässigung aller nicht-linearer Effekte im Elastomer, wodurch Abweichungen zwischen Modell und Realität von über 500 % resultierten. Der andere verfügbare Modellierungsansatz, der Berechnung der Kupplungen in der finiten Elemente Methode, erreichte zwar eine höhere Abbildungsgüte. Die finite Elemente Modellierung von Elastomerbauteilen ist jedoch mit so großen Modellierungs- und Rechenaufwänden verbunden, dass ein wirtschaftlicher Einsatz dieses Verfahren unmöglich ist. Die Folge war, dass im Maschinenbau etablierte Verfahren zur rechenbasierten Systemoptimierung auf Systeme mit Elastomerkupplungen schlicht nicht anwendbar waren. Dies führte zu unwirtschaftlich ausgelegten Systemen oder im schlimmsten Fall zu Bauteilversagen in der Anwendung.

Durch die Umsetzung des Forschungsvorhabens wurde erstmals ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, das Übertragungsverhalten von Elastomerkupplungen in Systemmodellen nach aktuellem Stand der Technik zu integrieren. Damit wird für den Entwicklungsingenieur die Möglichkeit geschaffen, den Einfluss von Elastomerkupplungen auf ein zu entwickelndes System bereits in der Entwicklungsphase abzuschätzen. Dies ermöglicht einerseits die Systemoptimierung durch Auswahl der idealen Elastomerkupplung für ein System und andererseits die gezielte Abstimmung von System und Kupplung. Durch genauere Kenntnis der in der Anwendung auftretenden Lasten ist es möglich erforderliche Sicherheitsfaktoren zu verringern und so das volle Leistungsspektrum aller Komponenten auszuschöpfen.