Software: CAD - Tutorial - Dynamik - Uhrenbaugruppe
Um zeitliche Prozesse in mechanischen Baugruppen zu betrachten, sind mechanische Uhren sicher kein abwegiges Beispiel. Über Jahrhunderte hinweg dienten mechanische Schwinger (Pendel, Unruhe) als Taktgeber für die Messung der Zeit. Die Taktung der Zeit führt in den Uhren-Bauteilen zu periodisch schwankenden Belastungen, die Ursache für Verschleiß und Gangabweichungen sind.
Auf seiner Internetseite https://ciechanow.ski/mechanical-watch/ erläutert Bartosz Ciechanowski anhand umfangreicher 3D-Animationen die Wirkungsweise von Uhren-Baugruppen.
Sehr schöne Animationen unter anderem zu verschiedensten Hemmungen in mechanischen Uhren findet man auf der Internetseite von Volker Vyskocil: http://www.uhrentechnik.de (Inhalt > Bauteile > Hemmungen). Dort kann man auch eine Animation der Schweizer Hemmung bewundern, welche wir im Rahmen dieser Übung als Beispiel verwenden.
Auf mechanische Uhren zur Messung der Zeit könnte man inzwischen verzichten, weil dafür genauere elektronische (Quarzuhr) bzw. quantenmechanische Wirkprinzipe (Atomuhr) zur Verfügung stehen. Da sich mechanische Uhren in allen Preis-Segmenten jedoch als Lifestyle-Produkte etabliert haben, erlebt die Weiterentwicklung der mechanischen Uhr eine neue Blüte. Die Tradition des alten Uhrmacher-Handwerks wird hierbei verstärkt durch ingeneurtechnische Methoden ergänzt. Dazu gehören auch die Möglichkeiten der dynamischen Simulation von Uhrenbaugruppen.
Grundlage für die Dynamik-Simulation bildet in einem CAD-System das CAD-Modell der zu simulierenden Baugruppe. Wir werden deshalb zuerst das CAD-Modell für den Demonstrator einer Schweizer Hemmung erstellen:
- Neues Projekt "Dynamik_xx" (mit xx=Teilnehmer-Nr.) nimmt alle Inventor-Dateien für die Simulation der Uhrenbaugruppe auf.
- Bauteile und Unterbaugruppen werden in einem ZIP-Archiv bereitgestellt (Download).
- Teilnehmer der Lehrveranstaltung CAD-Konstruktion ersetzen nach dem Entpacken des ZIP-Archivs in den Dateinamen alle xx durch ihre Teilnehmer-Nr. 01..99 (Umbenennen z.B. im Windowsexplorer).
- Neue Baugruppe "Uhrwerk_xx": mit xx=00...99.
- Zusammenbau aller Komponenten als Prinzip-Modell mit "abstrakten" Lagerungen und ohne Berücksichtigung von Bewegungsabhängigkeiten.
Hinweis:
Die Bauteile und Unterbaugruppen wurden mit der Inventor-Version 2011 erstellt. Daraus resultierende Warnungen muss man so quittieren, dass eine Verarbeitung in der aktuellen Inventor-Version möglich ist.
Für den Zusammenbau verwenden wir konsequent Gelenk-Verbindungen ("drehbar" bzw. "starr"), um die automatisierte Erstellung des Dynamikmodells zu unterstützen:
- Platte_xx: als Träger für die eigentlichen Uhrenkomponenten am "Ursprung fixiert platzieren"
- Hemmungsrad_xx: Drehgelenk mit Abstand=20 mm zur Platte unter Beachtung der Zahnrichtung
- Ankerbaugruppe_xx: Drehgelenk mit Abstand=20 mm zur Platte unter Beachtung der Lage
- Anschlag_xx: 2x Verbindung (starr) in Platte zur späteren Begrenzung der Ankerbewegung
- Unruhe_xx (Unterbaugruppe):
- In unserem Demonstrator wird der rotatorische Feder-Masse-Schwinger einer Kleinuhren-Unruh durch ein Schwerkraft-Pendel ersetzt.
- Als Pendel dient eine rotatorische Trägheit mit Unwucht, welche sich unter der Platte befindet.
- Beim Definieren des Drehgelenks benutzen wir einen Abstand=13 mm zwischen Oberseite der Platte und der Unterseite der Doppelrolle mit der Ellipse.
Hinweis:
Beim Speichern der Baugruppe sollte man (falls noch nicht geschehen) zusätzlich alle Komponenten für das Speichern auswählen, damit eine Konvertierung in das Format der aktuellen Inventor-Version erfolgt.
Die einzelnen, drehbar gelagerten Uhrenkomponenten sind auf der Platte noch frei um ihre Achsen drehbar und können sich dabei gegenseitig durchdringen:
- Die Definition entsprechender Bewegungs- und Übergangsabhängigkeiten zwischen den Komponenten zur Einschränkung der Freiheitsgrade auf die real vorhandenen Möglichkeiten ist schwierig bis unmöglich.
- Insbesondere die schrittweise Bewegung des Hemmungsrades in Abhängigkeit von der Ankerposition lässt sich mit diesen Abhängigkeiten nicht modellieren.
