Bei der modalen Frequenzanalyse geht es darum, einen Wellenstrang bestehend aus mehreren über Steckverzahnungen und Gelenkwellen miteinander verbundenen Wellenstücken zu modellieren. Dabei besitzt jede Welle eine Verdrehsteifigkeit, die beispielsweise über FE-Analyse sehr schnell ermittelt werden kann, und ein Massenträgheitsmoment, welches über eine einfache CAD-Abfrage ermittelt werden kann.

Mit SimDriveline kann dieser Wellenstrang modelliert werden, dabei wird jede Welle in 2 ideal steife Teilwellen zerlegt und dazwischen eine Feder mit der Verdrehsteifigkeit der Welle eingefügt. Die hälftige Aufteilung des Massenträgheitsmoment auf die beiden Teilwellen ist ein Modellfehler, der verringert werden kann, indem im CAD der Schwerpunkt in axialer Richtung ermittelt wird. Dann ergibt sich beispielsweise eine 1/3-zu-2/3-Aufteilung über die Momentenwaage.

Als Koppelelement beider Wellen ist die Steckverzahnungen über das Simulationselement „rotational hard stop“ realisiert. Hierbei kann das Verdrehspiel beispielsweise in den Kugelgelenken der Gelenkwelle oder auch das Verdrehspiel einer leicht montierbaren Steckverzahnung simuliert werden.

Es wird eine ansteigende Frequenzanregung mit dem Chirp-Block erzeugt und auf alle einzelnen-Wellen aufgeprägt. Hierbei wird mit der Start-Frequenz von 0,1 Hz begonnen und dann über eine Simulationszeit von ca. 100s auf 1000 Hz erhöht. Damit ist jederzeit eine Zeit-Frequenz-Zuordnung möglich.

Die Anregung sollte an allen Starrkörpern angreifen, um eine jeweilige Resonanzbewegung auszulösen. Dazu kann entweder nacheinander die Simulation mit Anregungen an verschiedenen Stellen oder eine gleichzeitige Anregung an alle Stellen erfolgen. Damit werden alle theoretisch vorhandenen Resonanzen angezeigt unabhängig von dem tatsächlichen Anregungspfad und Höhe. Das bedeutet für die Praxis, dass diese ermittelten Resonanzen im System vorhanden sind, aber nicht zwangsläufig übermäßig angeregt werden.

Für tatsächliche und reale Anregungspfade wird dann wie in der Realität an Stellen angeregt, die Drehmoment erzeugen und Ungleichförmigkeit im Momentenverlauf aufweisen ... beispielsweise die elektrischen Maschinen (Prüfling und Prüfstand). Darauf wird aber in diesem Beitrag nicht eingegangen, da wir uns auf die Ermittlung der Resonanzfrequenzen im Wellenstrang bzw. in der Regelstrecke beschränken.

Um die Bewegungen der einzelnen starren Körper zueinander zu registrieren und messen zu können wird an beide Federenden ein Sensoreingang gelegt, der die Winkelauslenkung und Winkelgeschwindigkeit registriert und misst. Daraus kann man auch die Winkelbeschleunigung ableiten.

Wird die Simulation gestartet, erhält man eine Verlauf der Differenzdrehzahlen und über deren Ableitung die Winkelbeleunigung. Da der zeitliche Verlauf angezeigt wird, kann über die Zuordnung Anregungsfrequenz zu Zeit eine Zuordnung der größten Schwingbreiten zur Frequenz erfolgen.

Hier im Bild ist erstmal nur die Rotorwelle des Prüfstands angeregt. Aufgrund der zahlreichen Federn kann es sein, dass nur Bauteile nahe des angeregten Bauteils in Resonanzschwingung geraten. Daher wird die Simulation um weitere Anregungsorte erweitert, um möglichst ein vollständigen Schwingungsbild der rotatorischen Schwingung zu erhalten.

Im weiteren wird jetzt noch das Verdrehspiel in den Steckverzahnungen und in den Gleichlaufgelenken erhöht, um deren Einfluss auf die Frequenzen zu ermitteln und damit den Verschleisszustand mit zuberücksichtigen.