Software: SimX - Nadelantrieb - Wirkprinzip - Federvorspannung

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Experiment: Einfluss der Federvorspannung

Frage 1: Bestwert ohne Federvorspannung

Die bisherige Optimierung sollte ohne Vorspannung der Rückholfeder vorgenommen werden. In Abhängigkeit von Geometrie.L_Faktor=1.xx (mit Teilnehmer-Nummer xx=01..99) erhält man eine optimale Lösung für den schnellsten Antrieb. Gesucht sind die Werte des numerischen Bestwertes für:

• Zykluszeit
• Ruheposition der Nadelspitze
• Ankerdurchmesser
• Elastizitätskonstante der Rückholfeder
• Einschaltzeit des Magneten

Frage 2: Bestwert mit Federvorspannung

• Wichtig: Hierfür sind Änderungen im SimulationX-Modell erforderlich.
  1. Dafür beenden wir zuerst das OptiY (mit Speichern der aktuellen Konfiguration).
  2. Danach beenden wir das SimulationX (ohne Speichern des aktuellen Zustandes, welcher im Rahmen der Optimierung erzeugt wurde).

Die Vorspannung im SimulationX-Modell muss so gewählt werden, dass zumindest die Gewichtskraft von Anker und Nadel kompensiert werden. Das entspricht einer Beschleunigung von 1 g (=Erdbeschleunigung). Um eine gewisse Sicherheit gegen leichtere Stöße zu haben, soll die Feder so vorgespannt sein, dass trotz einer Beschleunigung von a=20 g die Nadel in der Ruhelage verbleibt:

• Die aufzubringende Vorspannkraft F hängt ab von der beschleunigten Masse m, die erst während der Optimierung aus der Magnetgeometrie ermittelt wird (F=m·a).
• Die beschleunigte Masse entspricht dem Wert von Nadel.m, da diese im Modell auch die Ankermasse enthält.
• Der notwendige Vorspannweg s0 hängt ab von der erforderlichen Vorspannkraft F und der Elastizitätskonstante Feder.k, die auch erst während der Optimierung ermittelt wird.
• Die Wegvorgabe Vorspannung.x setzen wir deshalb auf den Wert Nadel.x0+s0, wobei wir anstatt "s0" die entsprechende Berechnungsformel einsetzen. Als vordefinierte Konstante können wir für die Erdbeschleunigung gravity verwenden.
• Damit gewährleisten wir, dass die Rückholfeder in der Ruhelage immer exakt die 20-fache Gewichtskraft von Nadel und Anker kompensieren kann!

Unter diesen Bedingungen ermitteln wir erneut mit L_Faktor=1.xx die Parameter für die optimale Lösung:

• Zykluszeit
• Ruheposition der Nadelspitze
• Ankerdurchmesser
• Elastizitätskonstante der Rückholfeder
• Einschaltzeit des Magneten
• Wert des Vorspannweges s0 der Feder in µm (s0 entspricht in Nadel-Ruhelage dem Wert von Feder.dx, den man im Modellexplorer von SimulationX ablesen kann.)
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