Maschinendynamik und Schwingungstechnik
In der Gruppe Maschinendynamik und Schwingungstechnik werden Verfahren und Methoden zur simulationsgestützten dynamischen Auslegung und Optimierung mechanischer Systeme entwickelt und angewendet. Hierbei wird ein ganzheitlicher Ansatz aus adäquater Modellierung, realistischen Anregungsverläufen und Validierung mittels Messungen und Prüfstandsversuchen verfolgt. Die Methoden können für die Lösung einer Vielzahl technischer Probleme in unterschiedlichen Branchen eingesetzt werden. Anwendungsorientierte Fragestellungen werden in Kooperation mit Herstellern und Anwendern bearbeitet.
Die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen an Maschinen nehmen stetig zu. Steigende Energiekosten und die damit verbundene wirtschaftliche Bedeutung des Energieverbrauchs haben in der Entwicklung zu einem vermehrten Einsatz der Konstruktionsprinzipien des Leichtbaus in Verbindung mit dem Berechnungskonzept der Betriebsfestigkeit geführt. Voraussetzung für eine leichte, energiesparende und gleichzeitig sichere Konstruktion ist, dass die für die Betriebsfestigkeitsrechnung verwendeten Belastungskollektive Einsatzbelastungen entsprechen.
Moderne Simulationswerkzeuge wie die Mehrkörpersimulation (MKS) und die Finite Elemente Methode (FEM) ermöglichen die simulationsgestützte Auslegung dynamischer Systeme. Mittels MKS kann das Systemverhalten im Betrieb und die resultierenden Belastungen auf die Komponenten berechnet werden. Hierfür werden ausreichend genaue Modelle und repräsentative Einsatzszenarien benötigt. Die FEM können die Beanspruchungen in den Bauteilen ermittelt werden. Das IGMR erforscht, wie die Simulationsszenarien gestaltet werden müssen um mit möglichst geringem Simulationsaufwand repräsentative Belastungen und Beanspruchungen zu berechnen.
Die Auslegung ungleichförmig übersetzender Getriebe erfolgt üblicherweise im Hinblick auf die zu erfüllende Bewegungsaufgabe. Dabei werden die notwendigen Längen und Abständen des Getriebes derart bestimmt, dass es die Bewegungsaufgabe erfüllen kann. Bei der dynamischen Synthese werden zusätzlich zur Erfüllung der Bewegungsaufgabe noch dynamische Aspekte betrachtet. Neben den Längen und Abständen werden auch die Massen- und Trägheiten der Getriebeglieder angepasst. Neben der Erfüllung der Bewegungsaufgabe können auf diese Weise schon bei der Auslegung weitere Ziele verfolgt werden: Dies können die Reduzierung der Schwingungsanregung, der auf das Gestell oder Gelenke wirkenden Kräfte oder aber die Senkung des Energieverbrauchs sein. Insbesondere der letzte Aspekt steht im Fokus aktueller Forschung, die am IGMR stattfindet: So erfolgt im Moment die Entwicklung eines Verfahren zur Synthese besonders energieeffizienter Getriebe-Servomotor-Kombinationen.
In Verarbeitungsmaschinen, wie z. B. Textil- oder Verpackungsmaschinen, müssen oftmals komplexe Bewegungsaufgaben realisiert werden. Hierbei kommen in vielen Fällen ungleichförmig übersetzende Getriebe zum Einsatz. Die nachträgliche Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit derartiger Maschinen, die oftmals mit dem Ziel der Produktivitätssteigerung erfolgt, führt häufig zu Schwingungsproblemen. Diese können sich in Schwingungen der gesamten Maschine, des Antriebsstrangs oder einzelner Komponenten, oder aber in der Überlastung des Antriebs äußern. Mit Hilfe der am IGMR zur Verfügung stehenden Messtechnik können die Probleme an der Maschine analysiert, Ursachen identifiziert und Gegenmaßnahmen abgeleitet werden. Bei der konstruktiven Umsetzung der Gegenmaßnahmen, wie z. B. der Rekonstruktion schwingungsanfälliger Bauteile oder aber dem Massen- oder Leistungsausgleich von Getrieben, kann das IGMR auf langjährige Erfahrung zurückgreifen.
Aufgrund steigender Energiepreise gewinnt die Energieeffizienz von Industrierobotern an Bedeutung. Ein vielversprechender Ansatz zur Senkung des Energieverbrauchs bei sich wiederholenden Bewegungen, wie sie etwa in der Verpackungs-Industrie zu finden sind, ist die gezielte Nutzung der dynamischen Eigenschaften des Roboters. Dazu werden elastische Elemente in die Roboterstruktur eingebracht, welche so abgestimmt sind, dass die Eigenbewegung des Systems mit der Wunschtrajektorie übereinstimmt. Diese Methode erlaubt jedoch nur eine spezifische Bewegung zwischen fixen Start- und Endpunkten zu erzeugen. Um dieses Konzept in der Praxis anwenden zu können werden echtzeitfähige Bahnplanungsalgorithmen benötigt, welche bei auch beliebigen Start- und Endpunkten eine Nutzung der dynamischen Eigenschaften des Systems zulassen.
