Schwingungen mechanischer Antriebssysteme: Modellbildung, Berechnung, Analyse, Synthese PDF
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Hans Dresig Alexander Fidlin Schwingungen mechanischer Antriebssysteme Modellbildung, Berechnung, Analyse, Synthese 3. Auflage Schwingungen mechanischer Antriebssysteme ⋅ Hans Dresig Alexander Fidlin Schwingungen mechanischer Antriebssysteme Modellbildung, Berechnung, Analyse, Synthese 3., überarbeitete und erweiterte Auflage HansDresig AlexanderFidlin Auerswalde,Deutschland InstitutfürTechnischeMechanik KarlsruherInstitutfürTechnologie Karlsruhe,Deutschland ISBN978-3-642-24116-1 ISBN978-3-642-24117-8(eBook) DOI10.1007/978-3-642-24117-8 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie;de- tailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014 DasWerkeinschließlichallerseinerTeileisturheberrechtlichgeschützt.JedeVerwertung,dienichtaus- drücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfdervorherigenZustimmungdesVerlags.Dasgilt insbesonderefürVervielfältigungen,Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspei- cherungundVerarbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabe vonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.indiesemWerkbe- rechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinneder Warenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermann benutztwerdendürften. GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. Springer ViewegisteineMarkevonSpringerDE.Springer DEistTeilderFachverlagsgruppeSpringer Science+BusinessMedia www.springer-vieweg.de Vorwort zur 1.Auflage AntriebssystemehabendieAufgabe,KörperinBewegungzusetzenunddabeizuverläs- sig und sicher zu funktionieren. Erfahrungsgemäß gibt es aber verschiedenartige dyna- mischeStörerscheinungenindenBaugruppenzwischenMotorundAbtrieb,insbesonde- re bei Anlauf- und Bremsvorgängen oder bei bestimmten kritischen Drehzahlen. Beim Entwurf und der Konstruktion der mechanischen Antriebssysteme von Maschinen und Transporteinrichtungen, insbesondere des Verarbeitungsmaschinen- und Werkzeugma- schinenbaues, werden hohe Ansprüche an den Konstrukteur gestellt, der Aufgaben der Maschinendynamiklösenmuß.DasbeginntmitderzweckmäßigenKonzeptioneinesAn- triebssystems undgeht bis zur AuslegungundDimensionierung einzelner Bauelemente. SolcheAufgabensindnurlösbar,wennKlarheitüberdieGesetzmäßigkeitenherrscht,die dasdynamischeVerhaltenderAntriebssystemebestimmen. DieEntwicklungderrechnergestütztenSimulation,dieeineAnalysefestkörpermecha- nischerErscheinungeninWechselwirkungmitanderenEinflüssenerlaubtundderenIn- tegrationindieCAD-Umgebung,istgegenwärtigderInhaltvielerForschungsprojekte.Im vergangenenJahrzehntgabesenormeFortschrittebeiderEntwicklung dernumerischen undder experimentellen Methoden.DasdynamischeVerhalten der Maschinenelemente und einiger Baugruppen dynamisch hoch beanspruchter Antriebssysteme ist von vielen Forschernintensivanalysiertworden,worüberinzahlreichenArtikelnberichtetwird.Es ist ein Anliegen des Autors, einen Einblick in den aktuellen Standzu geben. Es werden dieneuestenPublikationenberücksichtigt,aberdaesunmöglichist,beieinerzusammen- fassendenDarstellungaufallenTeilgebieten indieTiefezugehen,wirdnurexemplarisch gezeigt,wieweitdieModellbildungundModellberechnungbeimanchenBaugruppenbe- reitsgetriebenwurde. Das Buch wendet sich an Fachleute, die beim Entwurf der verschiedenartigsten Er- zeugnisse dynamische Effekte berücksichtigen müssen. Es behandelt festköpermechani- scheAntriebssysteme,alsokeineelektrischen,magnetischen,hydraulischenoderpneuma- tischen Antriebe. Die Wechselwirkung mit denelektrischen Antrieben wirdstellenweise V VI Vorwortzur1.Auflage berücksichtigt,aberderwesentlicheInhaltbeziehtsichaufdasmechanischeVerhaltenvon Antrieben des klassischen Maschinenbaues. Es wird die Verbindung zwischen den fun- damentalenMethodenderMechanikunddenmodernenBerechnungsmethodengezeigt, umzurIntegrationsolcherandenTechnischenUniversitäten undFachhochschulenver- tretenen Grundlagengebiete wie Angewandte Mechanik, Konstruktionstechnik, Maschi- nenelemente, Getriebe- und Antriebstechnik, Maschinendynamik, Schwingungstechnik, Simulationstechnik und Mechatronik einerseits und den Anwendungsgebieten, wie z.B. allgemeiner Maschinenbau, Fördertechnik, Verarbeitungsmaschinen und Werkzeugma- schinenandererseitsbeizutragen. Das Buch soll dem Leser helfen, spezifische dynamische Erscheinungen in Antriebs- systemenkennenzulernen,zuanalysieren,zubewerten,zuberechnenundkonstruktivzu beeinflussen.EswerdendeshalbtypischedynamischeEffekteerklärtundbehandelt,diebei derEntwicklungeinesErzeugnisseszubeachtensind,wennz.B.durchdieDrehzahlerhö- hungeinhöheres„dynamischesProblemniveau“erreichtwird.ManchederErkenntnisse werdeninFormallgemeinerRegelnzusammengefaßt. AllenMitarbeiternmeinesLehrstuhls,insbesonderedenHerrenDipl.-Ing.GaoXing- liang ,Dr.-Ing.LudwigRockhausen,Dr.-Ing.PaulRodionow,Dr.-Ing.HolgerWeiß und Dipl.-Ing. Jörg Weiß sowiedem Studenten ArndGolle, die mit ihren Diskussionen undbeiderBerechnungvonBeispielenbehilflichwaren,möchteichfürdieMitarbeitdan- ken,insbesondereauchFrauGiselaRichter,dieallemeineWünschebeiderZeichnungvon BildernundTabellenerfüllteundFrauEugeniaTereschenko,diemichbeiderLiteraturbe- schaffungsehrunterstützte. DankfürAnregungenundDiskussionenrichte ich auch andiemirkollegial verbun- denen Herren Dr.-Ing. A. Laschet (ARLA Maschinentechnik/Wipperfürth), Dipl.-Ing. U. Schreiber (ITI Dresden), Dipl.-Ing. E. Schröder (Mannesmann Dematic/Wetter), Dr.-Ing.C.Spensberger(KupplungswerkDresden)undDr.-Ing.H.Wiese(MANRoland Druckmaschinen/Offenbach),diemirParameterwerte, praktischeBeispieleundBildma- terialzurVerfügungstellten.IchdankeauchdenHerrenProf.Dr.sc.nat.I.I.Blekhman (RussischeAkademie der Wissenschaften/SanktPetersburg), Dr.-Ing.A.Fidlin (Fa.LuK Antriebssysteme/Bühl),Dr.sc.techn.P.Hupfer(Fraunhofer-InstitutfürWerkzeugmaschi- nenundUmformtechnikChemnitz),Prof.Dr.rer.nat.E.Krämer(TechnischeUniversität Darmstadt),Prof.Dr. sc.techn. H. Loose(Fachhochschule Brandenburg), Prof.Dr.-Ing. H.H.Müller-Slany(UniversitätDuisburg)undDipl.-Ing.FriedmarDresig(RobertBosch GmbH Stuttgart), die Teile des Manuskriptentwurfs gelesen und mich mit ihren kriti- schenFragenundAnmerkungenzuklarerenFormulierungenundErgänzungenveranlaßt haben. Vorwortzur1.Auflage VII BesondersdankeichHerrnDr.-Ing.SteffenNaake,dermitvielGeduld,Sachkenntnis undVerständnisausmeinersichimLaufevonzweiJahrenentwickelndenManuskriptvor- lagedasBuchmanuskriptindievorliegendeFormgebrachthat. HerrnDr.MerklevomSpringer-VerlagdankeichfürdieverständnisvolleZusammen- arbeit. DankbarbinichauchBarbara,meinerliebenFrau,ohnederenermunterndenBeistand diesesBuchnichtentstandenwäre. Auerswalde,Dezember2000 Univ.-Prof.Dr.-Ing.habil.HansDresig TUChemnitzInstitutfürMechanik ProfessurMaschinendynamik/Schwingungslehre e-mail:[email protected] http://www.mb1.tu-chemnitz.de Vorwort zur 2. Auflage Für diezweite AuflagewurdenDruckfehler eliminiert sowieKorrekturenundeinigeEr- gänzungen vorgenommen. Zur Modellbildung gibt es neue Abschnitte, die sich auf die Vermeidung steifer Systeme (Abschn. 2.1.2.3), auf geschlossene Frequenzgleichungen von Kontinua-Biegeschwingern (Absch. 2.4.4.2), auf die Reibung (Abschn. 2.4.7) und die modaleAnregbarkeit (Abschn. 5.2.1) beziehen. Der bisherige Abschn.4.7 wurde als Abschn.2.4.5eingeordnet.GanzneugeschriebenwurdendieAbschnitteüberPlanetenge- triebe (Abschn.4.7),Stoßfolgen (Abschn.5.4.5) undVibrationshämmer(Abschn.5.7.4). Darinwerdenjeweils konkrete MaßnahmenzurSchwingungsminderungempfohlen.Im Literaturverzeichniswurdenschwererreichbareund/oderveralteteLiteraturstellengestri- chen,aberdafürneuesteLiteraturan35Stellenergänzt. Auerswalde,Juni2005 Prof.em.Dr.-Ing.-habil.HansDresig Mittelstraße1 09244Lichtenau [email protected] IX Vorwort zur 3. Auflage Für die 3. Auflage wurden in den bisherigen Kapiteln der zweiten Auflage einige For- meln, Bilder und Tabellen ergänzt, Druckfehler eliminiert und Bezüge zu Richtlinien und zur Software aktualisiert. Wir haben die Kapitel „Torsionsschwingungen im KFZ- Antriebsstrang“(6–Fidlin),„SelbsterregteSchwingungen“(7–Fidlin)und„Vibrations- förderung“ (8 – Dresig), sowie die Abschnitte „Freie nichtlineare Schwingungen“ (2.7 – Dresig),„Grenzwerteextremer Kraft-undBewegungsgrößen“(4.9.3,4.9.4–Dresig)und „LinearveränderlicheErregerfrequenz“(5.4.7–Dresig)neuverfasst. VielesverdankenwirdenErfahrungen,dieeinerderAutorenwährendseinerlangjäh- rigen Arbeitbeider Fa.LuKGmbH &Co.KGsammelte. Wir bedanken unsbei derFa. LuKundspeziellbeiHerrnDr.WolfgangReikfürdieErlaubnis,dieseindie3.Auflagedes Buchseinfließen zulassen.EinigeAbschnitteentstandendurchdieZusammenarbeitmit denHerrenDipl.-Ing.StenUrban(2.7),Dipl.-Ing.GeorgJehle(7.3),Dr.-Ing.ThomasRisch (8.2.2)undDipl.-Ing.UweSchreiber(zurSoftwareSimulationX),denenwirfüranregende Diskussionendanken. November2013 Prof.Dr.-Ing.habil.HansDresig Prof.Dr.-Ing.habil.AlexanderFidlin [email protected] alexander.fi[email protected] www.dresig.de www.itm.kit.edu XI Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 ModellbildungmechanischerAntriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 EinführungindieModellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 ZielederModellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 TypenderBerechnungsmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.3 Beispiel:AntriebeinesMechanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 BewertungvonModellgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 RegelnzurVerifikationvonModellgleichungen . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 NormierungderParameterundderVariablen. . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.3 BerechnungsmodellevonSchubkurbelgetrieben . . . . . . . . . . . . 32 2.2.4 BeispielefürmehrereModellstufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3 InduktiveModellbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.2 ParametererregteSchwingungeneinerBuchschneidemaschine . . 61 2.3.3 SelbsterregteSchwingungeneinesWicklers. . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3.4 InstationäreBewegungenbeiKranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.3.5 DiskreteSchwingerstattKontinua(Balken-undStabmodelle). . . 91 2.4 DeduktiveModellbildung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.4.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.4.2 GrundfrequenzvonSchleifspindeln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 2.4.3 Von23zu5Parametern(FahrbewegungeinesBrückenkrans) . . . 106 2.4.4 VonräumlichenzueindimensionalenBalken-undStabmodellen. 111 2.4.5 SchwenkbewegungeinesAuslegerarms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 2.4.6 ModellreduktionmitderMittelungsmethode . . . . . . . . . . . . . . 139 2.4.7 Reibungseinflüsse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 2.5 ErmittlungvonParameterndesGesamtsystems. . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 2.5.1 Sensitivitätsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 2.5.2 Parameterermittlung aus gemessenen Eigenfrequenzen und Eigenformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 2.5.3 IdentifikationeinesSystemsmitzweiFreiheitsgraden . . . . . . . . . 158 XIII
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