Die Entwicklung und Validierung von Kupplungssystemen als mechatronischer Steller in innovativen Antriebssträngen

In innovativen Antrieben sind mechatronische Systemlösungen nicht mehr wegzudenken. Durch die Mechatronisierung ergeben sich grundsätzlich neue Perspektiven und Herausforderungen (z.B. Hybridisierung und Elektrifizierung). Gleichzeitig ist die Mechatronisierung auch der Schlüssel zur Optimierung konventioneller Systemlösungen. Auch Assistenz- und Automatisierungsfunktionen auf Basis konventioneller Antriebe werden dadurch möglich.

Die Kupplung als mechatronische Funktionseinheit zu verstehen und zu konzeptionieren ist eine geeignete Möglichkeit in diesem Feld Innovationen zu erzeugen. Mittlerweile werden Kupplungssysteme situations- bzw. bedarfsgerecht gesteuert, wobei der Anwender zunehmend aus dem Steuerfluss herausgenommen wird, bspw. Clutch by Wire bzw. E-Clutch. Hierzu werden unter anderem über analytische Modelle Zustandsgrößen nahezu in Echtzeit berechnet. Ein solches Beispiel ist die Berechnung der Temperaturen im bzw. nahe dem tribologischen Funktionskontakt durch analytische Modelle. Die Modelle sind mit fest hinterlegten Kennfeldern bedatet, welche durch experimentelle Untersuchungen ermittelt wurden. Sobald die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet, erhält der Anwender eine Warnung und wird dementsprechend reagieren.

Durch den Einsatz zusätzlicher Sensorik zur Zustandsüberwachung können zukünftig auch adaptive Steuerungs- und Regelungsansätze anstelle der bisherigen Steuerung mit fest hinterlegten Kennfeldern eingesetzt werden. Die „intelligente Kupplung“ soll künftig die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Robustheit erhöhen und das Gesamtsystemverhalten weiter optimieren. Speziell dem Kupplungssystem kommt hier eine tragende Rolle zu, da die Dynamik des gesamten Antriebsstrangs maßgeblich durch das Übertragungsverhalten des Kupplungssystems beeinflusst wird und damit auch beeinflusst werden kann. Hierzu muss eine den Anforderungen entsprechend optimale, robuste und zu jedem Zeitpunkt stabile Regelung bzw. Steuerung im Betrieb sichergestellt werden.

Aufgrund der zunehmenden Komplexität der Teilsysteme an sich sowie die komplexen Interaktionen durch die Verbindung zu einem Gesamtantriebsstrang müssen diese möglichst frühzeitig validiert werden. Die größten Unsicherheiten entstehen dabei durch den tribologischen Funktionskontakt. Zudem führen neuartige Betriebsstrategien und damit verbundene neuartige Beanspruchungen - bspw. der Betrieb unter Mikroschlupf zur Verbesserung der Regelbarkeit von Kupplungssystemen - zu bisher unbekannten Phänomenen, welche Einfluss auf das Kupplungssystemverhalten haben. Um die Betriebspunkte optimal wählen bzw. gewisse Betriebspunkte vermeiden zu können, ist ein sehr detailliertes System- und Modellverständnis notwendig.

Neben der Validierung zur Eigenschaftsabsicherung ist deshalb eine weitere zielgerichtete Erforschung des komplexen tribologischen Funktionsverhaltens notwendig. Dies beinhaltet u.a. sowohl die Wechselwirkungen der Reibmechanismen im tribologischen Funktionskontakt, als auch die nicht rückkopplungsfreien Wechselwirkungen des tribologischen Funktionskontakts mit dem Restsystem, der Anwendung und der Umgebung. In einer frühen Phase der Entwicklung liegen die Systeme jedoch oftmals nur in Teilen vor bzw. die Reifegrade der unterschiedlichen Teilsysteme sind oft sehr unterschiedlich. Um dennoch frühzeitig Validieren zu können, muss die Validierung zunächst mit Teilsystemen durchgeführt werden. Ein geeigneter Ansatz zur effizienten Validierung ist in Abbildung 1 am Beispiel Fahrzeug dargestellt.

Abbildung 1: IPEK-X-in-the-Loop-Framework

Die Ermittlung der funktionalen Eigenschaften kann jedoch nur im Gesamtsystem erfolgen, so dass die Wechselwirkungen mit dem Gesamtsystem abgebildet werden müssen. Dies erfolgt mit Restsystemmodellen, welche die notwendigen Wechselwirkungen mit bzw. im Gesamtsystem abbilden. Die Restsysteme können dabei physisch, virtuell oder gemischt vorliegen. Oftmals ist es ausreichend, die Restsysteme in reduzierter Form abzubilden, wobei die Wechselwirkungen zwischen dem Ein- und Ausgang des Teilsystems und dem übergeordneten Gesamtsystem abgebildet werden.

Die Notwendigkeit soll im Folgenden anhand eines einfachen Beispiels verdeutlicht werden. Aktuell gibt es Ansätze, bei denen die durch den Verbrennungsmotor induzierten Drehungleichförmigkeiten durch einen gezielten Schlupfbetrieb entkoppelt werden. In Abbildung 2 ist, bei sonst gleichen Parametern, der Einfluss der Anregungsfrequenz auf die Entkopplung der Ungleichförmigkeiten durch das Kupplungssystem sichtbar (aus Simulation).

Abbildung 2: Entkopplungsfunktion bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen

Hierbei wurde ein reduziertes Restfahrzeugmodell hinterlegt, welches im relevanten Frequenzbereich die Übertragungsfunktion des geöffneten Triebstrangs abbildet, siehe Abbildung 3. Die Eigenformen und der Amplituden- bzw. Phasengang des Restsystemmodells sind ebenfalls dargestellt. Die Übertragungsfunktion des Restsystems beschreibt den Zusammenhang zwischen Momentenanregung am Kupplungsausgang (J1) als Eingang und Verdrehwinkel des Kupplungsausgangs (J1) als Ausgang. Dem Kupplungseingang und der Fahrzeugmasse (J4) wurde hier eine Zwangsbedingung vorgegeben.

Abbildung 3: Reduziertes Restsystemmodell

Daraus wird direkt ersichtlich, dass eine Untersuchung ohne Restsystemmodell nicht zielführend ist. Bei dem beschriebenen Modell handelt es sich jedoch um ein stark vereinfachtes, starres Mehrkörpermodell, welches lediglich rotatorische Freiheitsgrade besitzt. Mittlerweile stehen Simulationsmodelle zur Verfügung, welche auch durch eine Kopplung, u.a. von Finite-Elemente-Modellen – zur Simulation des thermischen Haushaltes und der Strukturdynamik – und Mehrkörpermodellen die Entwicklung und Validierung mit Hilfe von Berechnungstools ermöglichen bzw. zumindest unterstützen.

Allerdings können die genauen Vorgänge im tribologischen Funktionskontakt bis heute nicht ganzheitlich modelliert werden. Wie bereits beschrieben liegen die größten Unsicherheiten im tribologischen Funktionskontakt. Zudem gibt es neben den noch nicht verstandenen Mechanismen weitere, welche momentan nicht oder nur mit immens großem Aufwand, in mathematischen Modellen abgebildet bzw. beschrieben, und numerisch berechnet werden können. Aus diesem Grund wird die experimentelle Validierung von reibschlüssigen Kupplungen trotz dieser Trends hin zu simulationsgestützten Werkzeugen weiterhin eine zentrale Aktivität im Entwicklungsprozess darstellen.

 

Diese Trends und Herausforderungen, aber auch konkrete Systemlösungen und Ansätze für innovative Systemlösungen sowie neuartige Methoden und Werkzeuge zur Entwicklung und Validierung von trocken und nasslaufenden Kupplungssystemen für unterschiedlichste Anwendungen werden unter anderem in der VDI-Kupplungstagung 2017 thematisiert.

Autor des Artikels:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Albert Albers
Dipl.-Ing. Sascha Ott
M.Sc. Michael Basiewicz
IPEK – Institut für Produktentwicklung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)