Anwendungsorientierte Implementierung moderner Synthesemethoden zur kinematischen Auslegung von Cabrio-Verdeck-Mechanismen

Konstruktiv/theoretische Diplomarbeit in Kooperation mit der Industrie (BMW AG), betreut durch Herrn Dr. Irlinger.

Arbeitsgebiet

Der Entwicklungsprozess von Cabrio-Verdecken beginnt in der Regel mit der Vorgabe der Bewegungsaufgabe, z.B. durch Vorgabe der Lage einzelner Dachsegmente in geöffnetem und geschlossenem Zustand. Ziel der Getriebesynthese ist dann das Auffinden eines geeigneten Mechanismus zur Realisierung der Faltaufgabe eines Daches. Bei Cabrio-Systemen werden sowohl für Stoff-Verdecke (Soft-Tops) als auch für Hartschalen-Verdecke (RHT-Systeme) spezielle mehrgliedrige Koppelgetriebe verwendet, welche sich zur Erfüllung der Bewegungs-aufgabe besonders gut eignen. Nach der Bewegungsdefinition erfolgt die Festlegung einer geeigneten kinematischen Grundstruktur (Struktursynthese).

Anschließend folgt dann die Ermittlung der einzelnen Gliedlängen, durch welche die Bewegungsaufgabe letztlich erfüllt wird (Maßsynthese).Ist ein Getriebe gefunden, werden z.B. Geschwindigkeits-verhalten oder dynamische Eigenschaften in kinematischen Analysen oder MKS-Berechnungen bewertet. Die dadurch ermittelten Vor- und Nachteile des Getriebes fließen dann in die sich anschließenden Änderungen (erneute Synthese). Dadurch entsteht ein iterativer Entwicklungsprozess, der häufig komplex ist und vom Konstrukteur viel Detailverständnis der Zusammenhänge voraussetzt.

Stand der Technik

Während zur Analyse und Simulation von komplexen Koppelgetrieben wie Cabrio-Mechanismen bereits verschiedene Softwaretools zur Verfügung stehen (z.B. CATIA DMU, SIMPACK, RECURDYN, etc.), existiert nur wenig Anwendersoftware für deren Synthese. Dies liegt z.B. an der oben erwähnten Komplexität der Synthese, wodurch diese schwer benutzerfreundlich zu automatisieren ist. Daher erfolgt die Synthese neuer Verdeck-Getriebe in der Regel auch auf Basis von bereits bekannten und bewährten Mechanismen, welche abgewandelt oder auf neue Rahmenbedingungen angepasst werden. Dies erfolgt dann durch Analyse und Synthese abzuwandelnder Teilbereiche eines Getriebes. Die existierenden Synthesesoftwaretools liegen häufig als getriebetechnische Spezialsoftware vor und haben nur selten Anbindungsmöglichkeiten an CAD-Tools. Die von den unterschiedlichen Programmen verwendeten Berechnungsverfahren basieren häufig auf graphischen Synthesemethoden, neben denen es aber auch matrizenbasierte, algebraische Verfahren die verschiedene Vorteile bieten und auch für Verdeck-Getriebe gute Anwendungsmöglichkeiten bieten. Ein Ansatz, algebraische Verfahren benutzerfreundlich und ergonomisch für die Getriebesynthese aufzubereiten ist die Anbindung von z.B. in MATLAB oder MATHEMATICA implementierten algebraischen Verfahren an ein CAD-System. Den iterativen Entwicklungsprozess umgeht man zwar auf diese Weise nicht, beschleunigt ihn aber erheblich. Die bisher in dieser Form umgesetzten Ansätze dienen vorwiegend dazu, die Bewegung eines bestimmten Gliedes getriebetechnisch zu realisieren. Daher sind sie nur in begrenztem Maße für die Synthese von Verdeck-Getrieben geeignet, da hier die Bewegungsvorgabe mehrerer Getriebeglieder notwendig ist.

Lösungsstruktur

Um durch die ans CAD-System angebundenen, implementierten Syntheseverfahren eine bessere „Alltagstauglichkeit“ zu erreichen, ist zunächst eine sinnvolle Auswahl bestehender Verfahren zu treffen. Für die ergonomische, softwaremäßige Umsetzung ergeben sich dann mehrere Fragestellungen:

  • Definition der Bewegungsaufgabe in der Simulationsumgebung des CAD-Systems
  • Festlegung der kinematischen Grundstruktur (Struktursynthese) im CAD-System
  • Festlegung verschiedener möglichst allgemeiner und flexibler algebraischer Syntheseverfahren die sich insbesondere auch für die Abwandlung bestehender Mechanismen eignen.
  • Festlegung notwendiger Berechnungsgrößen für den angebundenen Berechnungscode
  • Festlegung einer Kommunikationsschnittstelle zwischen Berechnungscode und CAD-Umgebung
  • Eliminieren/automatisches Festlegen frei wählbarer Getriebeparameter in Abhängigkeit der gewählten Bewegungsaufgabe
  • Aufbereitung und Darstellung der Berechnungsergebnisse im CAD-System
  • Weiterverarbeitung der Berechnungsergebnisse im CAD-System

Umsetzung

Die konkrete Umsetzung der Lösungsstruktur erfolgt in folgenden Schritten:

  • Erarbeitung und Aufbereitung der Grundlagen zu algebraischen Synthesemethoden von Koppelgetrieben
  • Einarbeiten und sich vertraut machen mit gängigen Verdeck-Mechanismen
  • Erarbeiten von Möglichkeiten zur Erweiterung/Abwandlung von Verdeck-Getrieben (Struktursynthese)
  • Ermittlung verschiedener, vom CAD-System bereitzustellender und für die Synthese notwendiger Vorgabegrößen
  • Anwendung und Evaluieren von Synthesemethoden in CATIA V5 (Sketcher, Assembly Design, etc.)
  • Implementierung verschiedener, für Verdeck-Getriebe geeignete Synthesemethoden in MATLAB sowie Ausleitung einer MATLAB-unabhängigen Berechnungs-exe
  • Diskussion und Festlegung einer sinnvollen Schnittstelle zur Kommunikation von Berechnungs-exe und CATIA V5 (z.B. Visual Basic Anwendung (VBA))
  • Erarbeiten einer Systematik zur sinnvollen Aufbereitung und Darstellung der Berechnungsergebnisse im CAD-System
  • Schriftliche Dokumentation der Ergebnisse

Experiment

Zur Absicherung der gesteckten Ziele ist es notwendig das im Rahmen der Arbeit entstandene Tool zur Synthese von Verdeck-Getrieben hinsichtlich eventuell vorhandener Schwachstellen und zu testen und zu bewerten. Dies umfasst z.B. die Beschreibung und Evaluierung evtl. vorhandener Singularitäten in den Berechnungsgleichung-en, das „Füttern“ des Berechnungscodes mit kritischen Eingabewerten und das Aufzeigen von Grenzen des Programms. 

Test in der Anwendung

Das im Rahmen der Arbeit entstehende Synthesetool wird in der Verdeck-Entwicklung des Industriepartners eingesetzt. Es stehen verschiedene Typen von Verdeck-Getrieben zur Verfügung, an denen die verschiedenen Synthesemethoden getestet werden können und an denen experimentiert werden kann.

Referenzen und Literatur

[1]     www.DMG-Lib.org: Digitale Mechanismen und Getriebebibliothek. Internetplattform zur Sammlung, Bewahrung, Präsentation und Vernetzung von Fachbüchern, Zeitschriftenartikeln, Forschungsberichten, etc. zum Thema Mechanismen

[2]     Hüsing M., Choi S.-W., Corves B.; ‘Cabio-Verdeckmechanismen aus Sicht der Bewegungstechnik‘; 2002; Düsseldorf; VDI-Berichte Nr. 1707

[3]     Hüsing M.; Choi S.-W.; Corves B.; ‘Cabio-Verdeckmechanismen eröffnen neue Perspektiven‘; 2003; Springer-VDI-Verlag

[4]      Hüsing M.; ‘Cabrio-Verdeckmechanismen toleranzunempfindlich auslegen – Empfindlichkeits- und Toleranzanalyse’; 1996; Düsseldorf; VDI-Verlag

[5]     McCarthy M., Su H., Collins C.; 'An extensible JAVA applet for spatial linkage synthesis'; Proc. of DETC’02, 2002 ASME Design Eng. Tech. Conf.; Sept. 29 – Oct. 2 2002; Montreal, Quebec, CANADA

[6]     McCarthy M., u.w.; 'Mechanism Generator'; Partner-Produkt von Solid Works zur automatisierten Getriebesynthese; Ebene und sphärische Koppelgetriebe; Robotics and automation Lab., UC Irvine

[8]      Patentnr.: DE 103 24 071 B4; Bez.: ‚Faltdach für ein Fahrzeug‘; Inhaber: Speciality Vehicle Acquisition Corp., LA Calif. US; 2008.10.09

[9]     Patentnr.: DE 199 18 628 A1; Bez.: ‚Betätigungsmechanismus für ein Cabrio-Dach‘; Anmelder: ASC Incorporated One Sunroof Center, Southgate Mich. US; 23.04.1999