REXS: Beispielmodellierung eines einfachen Antriebsstrangs
Der Standard für den Datenaustausch im Getriebedesign
Nachdem im zweiten Teil der Kern des Standards, d.h. seine Grundstruktur und die zugrunde liegenden Datenmodelle, erläutert wurde, wird in diesem dritten Teil anhand eines einfachen Antriebsstrangs konkreter gezeigt, wie REXS zur Modellierung eingesetzt werden kann.
1. Überblick
Im zweiten Beitrag haben wir das Datenmodell von REXS detaillierter betrachtet. Wir haben die drei zentralen Grundstrukturelemente „Komponente“, „Attribut“ und „Relation“ kennen gelernt und erkannt, warum diese bestens geeignet sind, um auf relativ generische Art und Weise ein Getriebe und seine darin enthaltenen Bauteile in unterschiedlichen Detaillierungsgraden zu beschreiben.
Abbildung 1:Einfacher Antriebsstrang bestehend aus einer Stirnradstufe, 2 Wellen, 4 Lagern und 2 Belastungen - ein gut geeignetes Einführungsbeispiel zum Einstieg in die Modellierung mit REXS
In diesem dritten Beitrag wollen wir das Gelernte gezielt einsetzen, um den in Abbildung 1 dargestellten Antriebsstrang händisch in REXS zu überführen. Natürlich werden wir dabei nicht alle kleinsten Details betrachten und in REXS überführen, sondern fokussieren uns aus Anschaulichkeitsgründen gezielt auf die wesentlichen Prinzipien, mit denen aus einem modellierten Getriebe eine REXS wird.
Der in Abbildung 1 dargestellte Antriebsstrang besteht aus den folgenden Komponenten:
- 1 Stirnradstufe mit 2 Stirnräder
- 1 Welle mit 3 Wellenabschnitten
- 1 Welle mit 1 Wellenabschnitt
- 4 Lager
- 1 Inertialsystem/Gehäuse
- 2 Belastungen (Antrieb und Abtrieb)
In den folgenden Abschnitten sollen die Modellierung der jeweiligen Einzelkomponenten und der Aufbau der jeweiligen Relationen schrittweise erläutert werden.
2. Modellierung der Stirnradstufe und der Stirnräder
Abbildung 2: Komponenten der Stirnradstufe und Verknüpfungen über die stage-relation und assembly-relation mit den angeschlossenen Komponenten
Abbildung 3: XML-Darstellung des Relationen-Netzwerks für die Stirnradstufe
Eine Stirnradstufe in REXS besteht im Prinzip immer aus mindestens 3 Komponenten: 2 Stirnrad-Komponenten und der übergeordneten „Stirnradstufe“-Komponente. Verbunden werden diese 3 Komponenten über die stage-relation, siehe Abbildung 2.
Abbildung 4: Beispielhafte Definition einer Stirnradstufe mit 2 Stirnrädern in REXS
Die Verknüpfung zum übrigen Getriebe erfolgt dann wiederrum über assembly-relationen zwischen den einzelnen Stirnrädern und den Wellen, auf denen die Stirnräder montiert sind, Abbildung 2.
In der XML-Darstellung sieht dieses Relationen-Netzwerk dann wie in Abbildung 3 dargestellt aus.
Nachdem nun die grundsätzliche Verknüpfung der Stirnradstufe mit dem übrigen Getriebe hergestellt ist, können nun die Stirnradstufe und die einzelnen Stirnräder bedatet werden. Aus Gründen der Anschaulichkeit wird hier in Abbildung 4 nur ein Teil des Parametersatzes dargestellt, der zu der in Abbildung 2 dargestellten Stirnradstufe führt. Entsprechend er REXS-Spezifikation werden weitere Attribute nicht definiert. Hier gilt dann wieder das Prinzip: Fehlende Attribute muss das einlesende Programm dann entsprechend ignorieren oder, falls für die Berechnung/Auswertung/Visualisierung oder ähnliches erforderlich programmspezifische Defaultwerte festlegen oder vom Nutzer einfordern.
3. Modellierung der Wellen und Wellenabschnitte
Abbildung 5: Zu modellierende Welle bestehend aus 3 Wellenabschnitten und die zugehörigen Relationen
Eine Welle in REXS besteht aus der Welle sowie in der Regel mindestens einem Wellenabschnitt. Die Welle enthält somit vergleichsweise wenige geometrische Attribute und dient eher als „Baugruppe“ für die geometriebeschreibenden Wellenabschnitte.
Abbildung 6: Definition der ersten Shaft-Section des Beispiels
Um eine Welle geometrisch zu definieren, müssen daher Wellenabschnitte definiert werden. Im Beispiel aus Abbildung 5 besteht die Welle aus drei Abschnitten, die über assembly-Relationen mit der Welle verknüpft werden.
Die konkreten Wellenabschnitte bestehen dann wiederrum aus Innen- und Außendurchmesser jeweils am Anfang und am Ende des aktuellen Abschnitts, der Position sowie der Länge des Abschnitts, siehe auch Abbildung 6.
4. Modellierung der Lager und Anbindung ans Gehäuse
REXS bietet zur Modellierung von Lagern verschiedene Detaillierungsstufen an. Beginnend vom Konzeptlager, welches rein eine Position und Steifigkeit der Lagerstelle abbilden bis hin zur detaillierten Beschreibung des Lagers und der dort enthaltenen Wälzkörper (beim Wälzlager) oder der Geometrie der Festsegmente (im Fall von hydrodynamischen Radial-Gleitlagern).
Jedes Lager ist mit zwei Komponenten durch side-Relationen mit der übrigen Struktur zu verbinden. Dabei ist die Rolle „inner_part“ die Komponente, die am Innendurchmesser und „outer_part“ die Komponente, die am Außendurchmesser befestigt ist. Falls die Zuordnung zu Innen- und Außenseite nicht eindeutig erfolgen kann (beispielsweise bei axialen Verbindungen) können die Rollen beliebig festgelegt werden.
Abbildung 7: Mögliche Verwendung der side-Relation bei Lagern
Ein Lager kann folgende Komponenten über eine side-Relation verbinden: Welle, Gehäuse und Wange.
In Abbildung 7 sind einige Beispiele dargestellt, wie ein Lager verwendet werden kann, um die verschiedenen Verbindungen herzustellen.
Abbildung 8: Zu modellierendes Lager auf der Antriebswelle und dessen zugehörigen Relationen
In diesem konkret betrachteten Beispiel werden die Lager direkt mit dem Gehäuse verbunden, d.h. es ergibt sich die in Abbildung 8 dargestellte Relation.
5. Modellierung der Belastungen
Zur Vervollständigung des Eingangsbeispiels benötigt unser minimales Getriebe nun noch die Belastungen in Form eines Eingangs- und eines Ausgangsdrehmoments. Belastungen (Komponentenname „external_load“) können immer nur auf Wellen aufgebracht werden, dafür können aber auch auf einer einzigen Welle beliebig viele Belastungen definiert werden. Die Zuordnung erfolgt über eine assembly-Relation.
Abbildung 9: Zu modellierende Belastungen und dessen Relationen für das Beispielgetriebe
Die externen Belastungen dienen prinzipiell dazu, alle von außen angreifenden Kräften und Momente eines Getriebes zu modellieren. Dies können Drehmomente, Leistungen, Querkräfte, oder vergleichbares sein.
Wichtig ist, wenn über die Belastungen in das Getriebe ein Drehmoment bzw. eine Leistung eingeleitet bzw. ausgeleitet werden soll, dass die beiden Boolean-Attribute „defines_torque“ und „transmits_torque“ korrekt verwendet werden. Das Attribut „defines_torque“ legt, wenn es auf true gesetzt ist, fest, dass dieses Drehmoment fest vorgegeben ist (beispielsweise, weil es das fixe Antriebsmoment oder ein vorgegebenes Abtriebsmoment eines Verbrauchers ist). Um eine Belastung, die beispielsweise nur eine externe Querkraft abbildet von einer Belastung, die ein (unbekanntes) Drehmoment abführt zu unterscheiden ist das Attribut „transmits_torque“ zu verwenden. Alle Belastungen, die für den Leistungsfluss relevant sind, müssen dieses Attribut auf „true“ setzen.
6. Ein paar Hinweise zur Positionierung/der Koordinatensysteme
Mit den vorherigen Abschnitten und Arbeiten ist unser Minimalgetriebe prinzipiell vollständig definiert. Dennoch sollen an dieser Stelle einige Hinweise zur Positionierung und zu den Koordinatensystemen in REXS gegeben werden. Eine detailliertere Beschreibung der Koordinatensysteme in REXS erfolgt in einem späteren Blogpost.
Grundsätzlich hat in REXS jede physikalische Komponente im Getriebe sowie die Komponente “gear_unit” ein lokales Koordinatensystem. Die Ausrichtung und Position dieses lokalen Koordinatensystems im Raum wird immer relative zum Koordinatensystem einer anderen Komponente beschrieben – dies muss nicht immer zwingend das globale Koordinatensystem (definiert durch die Bezugskomponente gear_unit) sein. Wichtig hierbei ist, dass der Anwender bzw. Erzeuger der REXS dafür verantwortlich ist, dass alle positionsrelevanten Daten konsistent sein müssen.
Abbildung 10: Globales und lokale Wellenkoordinatensysteme des Beispielsgetriebes.
Die Positionierung erfolgt, wie beispielsweise in Abbildung 4 und Abbildung 8 zu sehen über die Attribute
- reference_component_for_position
- support_vector
- u_axis_vector
- w_axis_vector
welche auf jeder Komponente existieren. Hierbei verweist reference_component_for_position auf die ID der Komponente, auf deren Koordinatensystem sich relativ bezogen wird. Das Attribut support_vector gibt die Position des Ursprungs des lokalen Komponenten-Koordinatensystem bzgl. des Koordinatensystems der Bezugskomponente an. Die beiden übrigen Attribute geben die Orientierung der lokalen u- bzw. w-Achse in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem an. Beide Vektoren müssen dabei die Länge 1 mm haben.
7. Ausblick auf tiefere Modellierungstiefen
Die hier betrachtete Modellierungstiefe ist, allein schon aus Gründen der Anschaulichkeit, sehr oberflächlich gewählt worden. Der REXS-Standard unterstützt jedoch nativ eine variable Modellierungstiefe. So können beispielsweise bei dem hier betrachteten Stirnrad zusätzlich radbezogene Eingriffsdaten, asymmetrische Flanken, Flankenmodifikationen und Flankenabweichungen, Werkzeuge und Fertigungseinstellungen und sogar Radkörper ergänzt werden. Auch hier bleibt der Grundsatz von REXS, dass zusätzliche Daten Optional sind.
Damit ist REXS voll flexibel für verschiedene Tools, die je nach Spezialisierung unterschiedlich detailliert auf einzelne Komponenten schauen. Gleichzeitig ist es damit auch das ideale Format für verschiedene Schritte im Designprozess. Ausgehend von einer noch sehr groben Beschreibung in der Vorauslegung bis hin zum detaillierten Getriebe in der Nachrechnung oder in der Fertigung.
Die tieferen Modellierungstiefen für einzelne Komponenten werden in zukünftigen Posts noch einmal detaillierter vorgestellt.
8. Up-Next: Typische Anwendungsfälle aus der Praxis
In diesem dritten Beitrag haben wir das bisher Gelernte gezielt eingesetzt, um einen sehr einfachen Antriebsstrang händisch in REXS zu überführen. Dabei haben wir die enthaltenen Maschinenelemente über die häufig verwendeten Komponenten „Stirnradstufe“, „Stirnrad“, „Welle“, „Wellenabschnitt“, „Lager“ und „Gehäuse“ abgebildet und mittels der ebenfalls wichtigsten Relationen „assembly“, „stage“ und „side“ zu einem Getriebe zusammengefügt. Die entstandene vollständige REXS-Datei kann heruntergeladen werden. Außerdem haben wir uns mit der Positionierung und den Koordinatensystemen von REXS auseinandergesetzt sowie die unterschiedlichen Modellierungstiefen angerissen.
Im nächsten Beitrag betrachten wir einmal eine Reihe von typischen Anwendungsfällen aus der Praxis.