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Fachtagung für Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb (TestRig)
expert Verlag Tübingen
2022
11
1. Fachtagung TestRig Fachtagung für Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb Tagungshandbuch 2022 Herausgegeben von Thomas Kuttner 1. Fachtagung TestRig 22. und 23. Juni 2022 Technische Akademie Esslingen Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Thomas Kuttner 1. Fachtagung TestRig Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb Tagungshandbuch 2022 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http: / / dnb.dnb.de abrufbar. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Das vorliegende Werk wurde mit großer Sorgfalt erstellt. Fehler können dennoch nicht völlig ausgeschlossen werden. Weder Verlag noch Autoren oder Herausgeber übernehmen deshalb eine Haftung für die Fehlerfreiheit, Aktualität und Vollständigkeit des Werkes und seiner elektronischen Bestandteile. © 2022. Alle Rechte vorbehalten. expert verlag - ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG Dischingerweg 5 · D-72070 Tübingen E-Mail: info@verlag.expert Internet: www.expertverlag.de Printed in Germany ISBN 978-3-8169-3529-2 (Print) ISBN 978-3-8169-8529-7 (ePDF) Technische Akademie Esslingen e. V. An der Akademie 5 · D-73760 Ostfildern E-Mail: maschinenbau@tae.de Internet: www.tae.de 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 5 Vorwort Prüfstandsversuche sind aus der heutigen Entwicklung von technischen Produkten nicht wegzudenken. Ganz gleich, ob es sich um hochtechnisierte Produkte handelt, wie zum Beispiel Flugzeuge oder Autos oder eher Gegenstände des Alltags wie zum Beispiel Fahrräder und Tabletcomputer oder Küchenmaschinen - alle diese Erzeugnisse werden auf Prüfständen getestet. Mit Prüfstandsversuchen soll die Gebrauchstauglichkeit des Erzeugnisses unter den verschiedensten Einsatzbedingungen sichergestellt werden. In den Versuchen werden die Eigenschaften des Erzeugnisses und deren Komponenten getestet, um Funktion und Haltbarkeit nachzuweisen. Treiber dieses Prozesses sind einerseits Anforderungen aus Regelwerken und Normen, die verbindlich für den Hersteller sind. Ein Beispiel hierfür sind Erzeugnisprüfungen, wie z. B. Festigkeitsprüfung von Fahrzeugrädern. Andererseits sind Hersteller und Betreiber interessiert, Produkteigenschaften zu verbessern, um Qualitätsversprechen einzulösen und die Marktposition des Produktes und des Unternehmens zu stärken. Forderung nach immer kürzeren Entwicklungszeiten bei hoher Qualität stoßen einen Prozess an, in dem Versuche den Entwicklungsprozess und darüber hinaus auch die Nutzung des Produktes begleiten. Als Beispiel hierfür können Akustiktests für das Fahrzeuginterieur gelten. Sowohl die Anforderungen aus den Regelwerken als auch die entwicklungsbegleitenden Versuche führen zu der häufig nicht widerspruchsfreien Forderung nach aussagekräftigen, schnellen und preiswerten Ergebnissen aus Prüfstandsversuchen. Aus der Vielfalt von Anforderungen einerseits und Produkten andererseits resultiert ein breites Spektrum von Prüfständen zur Produkterprobung. Den „Universal-Prüfstand“ gibt es also nicht, sondern für jeden Anwendungsfall den darauf abgestimmten Prüfstandsversuch. Dabei ist der Bau und Betrieb von Prüfständen ein hochgradig interdisziplinäres Feld, in dem sich der klassische Maschinenbau mit der Elektrotechnik, Sensorik und Messdatenverarbeitung sowie der Regelungstechnik überschneiden. Obwohl schätzungsweise 15 % aller Absolventen der Universitäten und Hochschulen im Bereich Testing arbeiten, gibt es an den Hochschulen keine auf Prüfstandsentwicklung spezialisierte Studienrichtung. Aus diesem Grund sind die meisten, im Bereich der Prüfstände und der Prüfstandsentwicklung tätigen Beschäftigten Quereinsteiger. Tagungen und Konferenzen haben meist das Versuchsergebnis auf dem Prüfstand im Fokus und nicht die Entwicklung und den Betrieb von Prüfständen. Die Konferenz TestRig will die Lücke schließen und ein interdisziplinäres Forum für das vielfältige Feld der Prüfstandstechnik sein. Es ist erklärtes Ziel der Tagung, die Gesamtheit der Prüfstandstechnik abzudecken - vom Fundament bis zum Sensor, vom Regelungsalgorithmus bis zur Ergebnisinterpretation anhand von Fallstudien. Ebenso soll das breite Spektrum der Versuchsmöglichkeiten auf Prüfständen - von Betriebsfestigkeitsprüfständen über Funktionsprüfstände bis hin zu Sonderprüfständen - umfasst und dargestellt werden. Vielen Dank für Ihr Vertrauen, dass durch Ihre Anmeldung diese Veranstaltung erstmalig und in einem hybriden Format stattfinden kann. Als Sprecher des wissenschaftlichen Beirates möchte ich mich bei allen Vortragenden und Ausstellern für die Beiträge, beim Beirat für das stets positive Feedback und den Austausch sowie der Technischen Akademie Esslingen als Veranstalter für die permanente Unterstützung bedanken. Ich wünsche allen Vortragenden und Teilnehmern eine erfolgreiche Tagung mit neuen Impulsen für die Arbeit, einen ergebnisreichen Austausch und das erfolgreiche Knüpfen neuer Kontakte. Sprecher des Programmausschusses Prof. Dr.-Ing. Thomas Kuttner Universität der Bundeswehr München Fakultät Maschinenbau, Neubiberg 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 7 Inhaltsverzeichnis 1. Vom 1D-Shaker zum Hexapoden 13 Christian Gries 2. The „Big Vibration“ 19 Dipl.-Ing. Peter-Johann Sikora, Prof. Dr.-Ing. Michael Sauer M. Sc. 3. Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers 27 Kurthan Kersch, Christian Dindorf, Thomas Kuttner, Elmar Woschke 4. Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten 33 Felix Rehberger, Benjamin Riemer 5. Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen 41 Sebastian Hoffmann, Kristof Schlemmer, Sascha Dany, Holger Schmidt 6. Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen 53 Andreas Zörnig, Christian Daniel, Hendrik Schmidt, Elmar Woschke 7. FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants 61 Karl Jakob Winkler, Benedikt Siewerin, Dr. Thomas Tobie, Prof. Karsten Stahl 8. Accelerated ageing test bench - BigOxy 73 Chandra Kanth Kosuru, Hichame Ait El Mallali, Simon Eiden 9. Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen-Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se 77 Dr.-Ing. Armin Tobuschat 10. Elektrische Antriebe in Fahrzeugen auf Basis von Lithium-Ionen-Batterien und deren prüftechnische Behandlung während der Betriebsfestigkeitserprobung in Rüttelprüfständen * Daniel Duffner 11. Prüftechnik richtig angewandt 83 Alexander Hobt 12. Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 91 Alexander Eisfeld, Bernhard Toebe 13. Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen 97 Dr. Timo Jungblut, Luis Böhm, Dr. Michael Winter, Dr. Steffen Rödling 14. Modulare Funktionsarchitektur für mechatronische Prüfsysteme 109 Dr. Michael Winter, Stefan Glauer, Dr. Timo Jungblut, Dr. Steffen Rödling 15. Aspekte intelligenter Prüfstände 117 Gordon Bernhard Gruber, Stephan Ploegman 8 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 16. Data analysis in Hardware-in-the-loop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibility 121 Daniel Correa-Sanchez, M. Sc., Chandra Kanth Kosuru, M. Sc., Dr.-Ing. Hajo Hoffmann, Dr.-Ing. Klaus Lucka 17. Anhang 18. Programmausschuss 131 19. Autorenverzeichnis 133 * Manuskript lag bei Redaktionsschluss nicht vor Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Umweltsimulation von Schwingungs- und Stoßbelastungen - Shakerkursus Seminar (32705) 20. bis 22. Sept. 2022 Temperaturmesstechnik Seminar (35391) 7. + 8. Nov. 2022 Schraubenverbindungen Seminar (32215) 21. bis 23. Sept. 2022 Design of Experiments (DoE) Seminar (33769) 9. bis 11. Nov. 2022 Einführung in die moderne Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) Seminar (35729) 28. Sept. 2022 Frequenzanalyse Seminar (32337) 16. + 17. Nov. 2022 Umweltsimulation durch Klimaprüfungen Seminar (32194) 19. + 20. Okt. 2022 Versuchstechniken in der Komponenten- und Systemerprobung Seminar (35677) 24. + 25. Nov. 2022 Flex: Präsenz in Ostfildern oder Online-Teilnahme Präsenz in Ostfildern Weitere Informationen und Anmeldung unter www.tae.de Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Vor Ort oder online teilnehmen Weiterbildung Maschinenbau Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Umweltsimulation von Schwingungs- und Stoßbelastungen - Shakerkursus Seminar (32705) 20. bis 22. Sept. 2022 Temperaturmesstechnik Seminar (35391) 7. + 8. Nov. 2022 Schraubenverbindungen Seminar (32215) 21. bis 23. Sept. 2022 Design of Experiments (DoE) Seminar (33769) 9. bis 11. Nov. 2022 Einführung in die moderne Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) Seminar (35729) 28. Sept. 2022 Frequenzanalyse Seminar (32337) 16. + 17. Nov. 2022 Umweltsimulation durch Klimaprüfungen Seminar (32194) 19. + 20. 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Bedingt durch Bauart und Regelungsstrategie wurden dabei aufgezeichnete Zeitsignale in Spektren (PSD) umgewandelt, aus welchen wiederum vereinfachte logarithmische Diagramme und Tabellen abgeleitet wurden. Diese dienten als Eingabe für den eindimensionalen Shaker. Einzelereignisse oder andere Begebenheiten des Streckensignals gingen dabei verloren, genauso wie der Phasenzusammenhang der Raumrichtungen. Die 3 Raumrichtungen wurden dann als Translation nacheinander abgefahren (X, Y & Z-Shaker). Bei diesem Verfahren kann es leicht zum Unter.- oder Übertesten und damit zu unrichtigen Aussagen der Versuche kommen. Der bessere und neuere Weg ist das Testen in allen Raumrichtungen simultan in einem Aufbau. Hierbei kann auch ein Einzelereignis oder eine andere Eigenheit der Teststrecke, welche im Fahrzeug zu einer schlechten Bewertung führte, nach gebildet werden. Weiterhin bleiben auch die Phasenzusammenhänge der Raumrichtungen erhalten, was die Realitätsnähe wesentlich erhöht und so der Aussagekraft der Versuche zu Gute kommt. 1. Erzeugen der Ansteuerdaten für Prüfstände Zur Durchführung eines Versuchs auf einem Prüfstand, gleich welcher Art, ist ein Signal zur Steuerung notwendig. Die Herkunft und Art dieses Signals kann dabei sehr unterschiedlich sein. Zum einen kann man Signale als Amplitude über der Zeit, z.B. Kräfte, Wege, Beschleunigungen, Dehnungen, usw. durch Aufzeichnung mit einem AD-Wandler generieren. Dies setzt allerdings einen fahrfähigen Aufbau voraus, welcher in der Lage ist über eine Teststrecke zu fahren. Gibt es diesen nicht und macht auch die Nutzung eines Vorgängermodells keinen Sinn, ist diese Vorgehensweise keine Option. In diesem Fall könnte die Nutzung von digitalisierten Strecken eine Möglichkeit sein. Über eine Simulation mit MKS-Modellen und den Streckendaten können Signale erzeugt werden, welche mit aufgezeichneten Signalen vergleichbar sind. 1.1 Messungen an einem Fahrzeug auf der Teststrecke Bei Messungen an Fahrzeugen auf Teststrecken ist eine zuverlässig funktionierende Messtechnik eine sehr wichtige Grundlage, um entsprechend aussagekräftige und nutzbare Daten in angemessener Zeit und mit vertretbarem Aufwand (besonders im Ausland) zu erzeugen. Dies setzt einen langzeitstabilen Einbau aller Komponenten Abb. 1 DMS - Applikation einer Strebe (z.B. Klebeverbindung, Kabelverlegung [besonders ist hier die Freigängigkeit aller Fahrwerksteile beachten, um Beschädigungen der Kabel zu vermeiden], DMS- Applikation, usw.) und eine intensive Überprüfung des gesamten Aufbaus, von der Stromversorgung bis hin zu jedem einzelnen Messaufnehmer, voraus. Weiterhin ist es genauso wichtig die räumliche Orientierung aller Komponenten zum globalen Koordinatensystem hin zu überprüfen. 14 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Abb. 2 Beschleunigungssensor am Rahmen Eine ausführliche Dokumentation erleichtert, bei vielleicht später auftretenden Fragen der Plausibilität, eine Aussage treffen zu können. Auf Grund von Geheimhaltungs.- und anderer Vorschriften kann das Anfertigen von Dokumentationen, je nach Lokalität, bisweilen schwierig sein. Wenn alle Randbedingungen (z.B. Streckenanmeldung für Fahrzeug und Personal, Transport, Wetter, …) stimmen steht einer erfolgreichen Messung nichts mehr im Wege. Es empfiehlt sich mit dem Auftraggeber eine Abfolge von Validierungsmanövern und den eigentlichen Messungen abzusprechen. Eine Wiederholunganzahl von 2 bis 3 je Messung ist eine gute Grundlage, um sporadische Störungen durch ungewünschte Einzelereignisse (z.B. Steinschläge) ausgleichen zu können. Mögliche Einstellungsvarianten des Fahrwerks oder anderer messungsrelevanter Parameter (z.B. Beladung, Reifendruck, …) erhöhen die Anzahl der Durchläufe entsprechend. Eine Dokumentation aller Vorgänge und Randbedingungen (z.B. Fahrzeuggewicht, Tankinhalt, Reifen, …) auf der Teststrecke ist für die spätere Aufbereitung der Daten wichtig. Besonders vorteilhaft hat sich eine schnelle Vorabauswertung der Messdaten (durch vorbereitete Skripte und Diagramme kann dies in wenigen Minuten erledigt werden) auf der Strecke erwiesen, da hierbei ein Defekt oder eine Störung sofort festgestellt werden kann, ohne wertvolle Zeit mit später nicht verwertbaren Messungen zu verschenken. Für eine Reparatur auf oder nahe der Teststrecke ist allerdings die Kenntnis des Gesamtaufbaus und das Vorhandensein aller notwendigen Mittel vor Ort unbedingte Voraussetzung. Daher ist es zu empfehlen nur Personal mit entsprechenden Kenntnissen zu Messungen zu senden. Eine Besonderheit ist die Messung im öffentlichen Straßenverkehr, da hier zu allem vorher genannten noch weitere Vorschriften und Gesetze hinzukommen, welche unbedingt einzuhalten sind. Abb. 3 Auswertung von Messdaten 1.2 Messungen auf Prüfständen Bei dieser Variante entfallen viele Einschränkungen im Vergleich zur Messung am rollenden Fahrzeug (z.B. Stromversorgung, Kabelverlegung, …). Allerdings setzt sie einen gewissen Projektfortschritt voraus, um für eine verwertbare Messung notwendige Randbedingungen vorzufinden. Je nach Stand im Projekt und Anforderungen, kommt dies nur in wenigen Fällen vor. 1.3 Datenerzeugung durch Simulation Durch die Nutzung von validierten Berechnungsmodellen und digitalisierten Teststrecken können ebenso Daten zur Steuerung von Prüfständen erzeugt werden. Abb. 4. Fahrzeugmodell Diese sind mit den Daten von auf Teststrecken vermessenen Fahrzeugen vergleichbar. Voraussetzung ist hier aber, dass alle notwendigen Informationen zum Abstimmen des Berechnungsmodells (z.B. Konstruktionsstände, Steifigkeiten an Fahrwerksteilen, Motorlagern, Massen, Massenträgheitsmomente, …), sowie die Streckendaten vorhanden und plausibel sind. Dies kann zuweilen eine Herausforderung werden, alle Daten zusammen zu tragen. Die Anzahl der Datenkanäle kann durch die Eigenheit dieser Variante deutlich größer als bei 1.1. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 15 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden 1.4 Kombination von Teststrecke und Simulation Ist eine Teststrecke nicht digitalisiert oder der Zugriff auf diese Daten nicht möglich, stellt eine Kombination der Messung auf der Teststrecke und der Simulation eine weitere Möglichkeit dar, an bestimmte, unter Umständen nicht direkt messbare Daten zu kommen. Hierbei werden auf der Teststrecke die für die Simulation notwendigen Eingangs.- und Validierungsdaten (z.B. durch Messräder) wie in 1.1. aufgezeichnet. Nach erfolgter Berechnung der Teststrecken-Signale, kann mit den Daten der Validierungsmessstellen (z.B. Fahrwerksteile mit kalibrierten DMS) ein Vergleich und eine Bewertung der Berechnung durchgeführt werden. Wie bei 1.3. beschrieben können hierdurch eine große Anzahl von Datenkanälen zusätzlich zur vorangegangenen Messung erzeugt werden. 2. 1D-Shaker Da ein eindimensionaler Shaker, wie sein Name schon sagt, nur einen Kanal zur Regelung hat, muss man diesem natürlich eine hohe Bedeutung zukommen lassen. Auf Grund der historischen Entwicklung dieser Prüfmethode, hat dieses Konzept einige, heute eigentlich nicht mehr notwenige, Einschränkungen. So wird im Folgenden auf die Lage von Messstellen und Bauteilgröße, sowie der Notwendigkeit des PSDs eingegangen. 2.1 Die Lage der Messstelle bei der Datenaufzeichnung Da Fahrzeuge, aber auch alle anderen Messobjekte, Eigenfrequenzen in weiten Bereichen haben, welche das Verhalten aller Einzelbauteile lokal und global beeinflussen, muss man sich im Klaren sein, welchen Einfluss die Wahl der Messstelle bei der Datenaufzeichnung für die spätere Regelung haben wird. Abb. 5 Drahtmodell einer Karosserie So wird bei einer tiefliegenden Messstelle (geringes Z) mit großem Y ein deutlich größerer Z-Anteil im Signal zu erwarten sein, als in der Fahrzeugmitte. Je nach Lage der X-Koordinate haben die globale Biegung oder die Torsion ebenfalls auch noch Einfluss auf das Signal. Nach gleichem Prinzip wird sich eine Messstelle an der B-Säule unten, deutlich im Y-Anteil des Signals, von einer Messstelle am Dachrahmen unterscheiden, um dies beispielhaft darzustellen. Die globalen Eigenfrequenzen werden dabei von den lokalen Eigenfrequenzen überlagert. 2.2 Einfluss der Bauteilgröße und der Raumrichtungen Bei kleinen Bauteilen (z.B. Steuergeräte, Schalterkonsolen, …) ist der Einfluss aller Randbedingungen überschaubar, so dass man ohne große Abweichungen befürchten zu müssen, lokal testen kann. Bei großen und sehr großen Komponenten (z.B. Spoiler, Schiebedächer, …) unterscheiden sich die einzelnen Anteile der Signale auf Grund der räumlichen Ausdehnung und des bei 2.1. beschriebenen Einflusses teils erheblich. So kann man sich leicht vorstellen, dass der Z-Anteil eines Signals an der Außenkante einer Karosserie höher ist als in der Fahrzeugmitte. Abb. 6 Drahtmodell einer Karosserie Bei der Regelung eines solchen Bauteils auf dem 1D- Shaker kann es durch einen solchen Einfluss zu einer Überbeanspruchung des mittleren Teils der Komponente kommen. Umgekehrt führt ein Signal aus der Mitte zu einer Unterbeanspruchung der äußeren Teile. In beiden Fällen kann eine valide Aussage zum Testergebnis nur auf Grund besonderer Erfahrung getroffen werden. Bei gänzlich neu konstruierten Komponenten oder aus anderen Gründen („Anfang auf einem weißen Blatt Papier“) stellt dies eine zusätzliche Herausforderung dar, welche sich leichter gestalten lies. Ein weiterer Aspekt ist das Zusammenwirken der 3 Raumrichtungen. Da der eine Kanal des 1D-Shakers immer nur eine Raumrichtung abprüfen kann, ergibt sich die Notwendigkeit diese nach einander zu testen. Dies führt in Kombination mit der Signalaufbereitung als PSD (im nächsten Kapitel) zu weiteren nicht immer leicht einzugrenzenden Einflüssen. Der vorher natürlich im Signal vorhandene Zusammenhang der Raumrichtungen wird hierbei komplett entfernt. 16 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden 2.3 Das PSD (Leistungsdichtespektrum) Die in der Einleitung des Kapitels beschriebene Historie der 1D-Shaker führt dazu, dass zur Regelung üblicher Weise ein einaxialer Beschleunigungssensor genutzt wird. Ein Wegkanal an der Erregerspule des Shakers ist nicht üblich, da die schwingfähige Masse mechanisch in der Mittellage gehalten wird. Weiterhin baut die Regelstrategie darauf auf, dass ein zufällig erzeugtes Rauschsignal einer bestimmten Form bis zu einer bestimmten Amplitude hochgefahren wird. Im weiteren Verlauf einer Prüfung wird dieses bei jedem Durchlauf weiter angepasst. Diese bestimmte Form des Rauschsignals wird durch das PSD, welches aus dem gemessenen oder berechneten Zeitsignal der Beschleunigung abgeleitet wird, festgelegt. Abb. 7 Zeitverlauf & PSD eines Signals Somit ist das PSD die Grundlage dieser Regelstrategie und wird aus Gründen der leichteren Darstellung und Eingabe meist doppeltlogarithmisch abgebildet. Ein begleitender Effekt dieser Umwandlung ist das Verlieren des Phasenzusammenhangs der Raumrichtungen, sowie der Verlust spezifischer Einzelereignisse (z.B. einer Eigenheit der Teststrecke, wie Schlaglöcher oder Waschbretter), diese gehen in den meist wenigen Stützpunkten des PSDs unter. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist die Definition eines Signals über einen weiten Frequenzbereich mit geringem Aufwand. 3. 3D-Shaker (Z, RX & RY) Der 3D-Shaker mit 3 oder 4 Freiheitsgraden ist ein Zwischenschritt zum Hexapoden, welcher mit allen 6 Freiheitsgraden fahren kann. Die wichtigsten Freiheitsgrade, welche am Fahrzeug auftreten, sind das Huben (Z), das Nicken (Rotation um die Y-Achse) und das Wanken (Rotation um die X-Achse). Im Folgenden wird der Aufbau als 3 und 4D-Shaker, sowie die Regelung im 3Z und DOF-Mode erläutert. 3.1 Aufbau als 3 und 4D-Shaker Der 3D-Shaker besteht aus 3 servohydraulischen Prüfzylindern, welche je nach Tischgröße in einem gleichseitigen / -schenkligen Dreieck senkrecht auf einer Aufspannplatte befestigt sind. Als Verbindung zwischen Zylindern und Schwingtisch sind doppelte Kugelgelenke (Vorspannung einstellbar) mit einer Verbindungstange eingebaut. Die nicht geregelten Freiheitsgrade (X &Ytranslatorisch, sowie Rotation um die Z-Achse) werden durch 3 niederfrequent abgestimmte Biegefedern in der Mittellage gehalten, was ein Umfallen oder Eindrehen um Z verhindert. Abb.8 3D-Shaker Die Aufspanntische sind an ihre jeweiligen Aufgaben, seitens Größe und Schwingungsverhalten angepasst. Sie können mit mittlerem Aufwand umgebaut werden. Für die Aufnahme der Prüflinge dienen Prüfrahmen mit abgestimmten Koppelstücken oder einfache Adapter. Eine Erweiterung stellt die 4D Variante dar. Hierbei wird die Biegefeder der X-Achse durch einen weiteren servohydraulischen Prüfzylinder ersetzt, welcher liegend auf einem Turm aufgebaut ist. Die Ankopplung an den Schwingtisch ist identisch mit den Z-Anbindungen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 17 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Abb. 9 4D-Shaker 3.2 Regelstrategie 3Z/ DOF Im Grundregelkreis sind alle Zylinder über den internen Wegmesser weggesteuert. Als einfachste Variante in der Iteration wird jedem Prüfzylinder ein Zielkanal (meist Beschleunigung) zugwiesen. Die 3 oder 4 einzelnen Beschleunigungssensoren sind dabei idealer Weise an den gleichen Raumkoordinaten wie bei der Signalaufnahme angebracht. Dies führt in den meisten Fällen schnell zu einem guten Iterationsergebnis. Die obere Grenze des Frequenzbereichs der Iteration kann bei kleinen und steifen Aufbauten auch 200Hz überschreiten. Abb. 10 Soll Ist Vergleich bis 200Hz Bei der Regelstrategie nach Freiheitsgraden (DOF) gibt es mehrere Varianten. Im einfachsten Fall werden den 3 Freiheitsgraden (TZ, RX & RY) an einem Punkt die 3 Raumrichtungen eines 3-axialen Beschleunigungssensors zugewiesen. Dies ist besonders für kleine Prüfobjekte geeignet. Den Möglichkeiten, welcher Freiheitsgrad mit welcher Regelgröße verknüpft wird, sind sehr weite Grenzen gesetzt. So zum Beispiel ist es möglich die Freiheitsgrade TZ und RY mit der Durchbiegung (Wegsignal) eines Dachträgers zu regeln. 4. Hexapod Beim Hexapoden ist die Entwicklung servohydraulischer Prüfstände auf einem sehr hohen Niveau angekommen. Er hat mit 6 geregelten Freiheitsgraden (TX, TY, TZ [translatorisch], RX, RY, RZ[rotatorisch] à 6D) alle Bewegungsrichtungen fest definiert, so dass keine Biegefedern zur Entkopplung notwendig sind. Aufbau, Regelstrategie, sowie die Grenzen der Nachfahrgüte werden im Folgenden erläutert. 4.1 Aufbau Der Hexapod besteht aus 6 linearen Prüfzylinder oder auch Aktuatoren, welche servohydraulisch, aber auch in anderer Weise (z.B. elektrisch) angetrieben sein können. Ein servohydraulisch angetriebener Hexapod kann, je nach Größe mit bis zu 200Hz betrieben werden. Elektrische Varianten sind meist niederfrequenter. Eine weitere Unterscheidung im Aufbau besteht im Verbau der Aktuatoren, zum einen können diese fest verbaut sein und haben dann Koppelstangen mit 2 Kugelgelenken als Anbindung zum Schwingtisch Abb. 11 makross Hexapod mit feststehenden Aktuatoren oder die Aktuatoren sind mit 2 Kugelgelenken oben und unten bestückt und sind so selbst direkt die Verbindung zum Schwingtisch. 18 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Abb. 12 inova Hexapod mit integrierten Aktuatoren Bei festen Aktuatoren ist die Ölversorgung und Verkabelung deutlich einfacher und die zu bewegenden Massen sind wesentlich geringer, was einer dynamischeren Nutzung zu Gute kommt. Allerdings ist je Aktuator eine Koppelstange mit 2 Kugelgelenken notwendig, was die Anzahl der Teile und somit die Anzahl der Nachgiebigkeiten im Gesamtsystem erhöht. Aus diesem Grund müssen die Gelenke möglichst spielfrei sein, um ein Klappern, welches z.B. die Iteration auf Beschleunigungen oder akustische Bewertungen behindert, zu vermeiden. Sind die Aktuatoren direkt verbaut bleibt die Anforderung an die 12 notwendigen Gelenke gleich, jedoch werden keine Koppelstangen benötigt, was eine noch kompaktere Bauform ermöglicht. Eine weitere Bauform sind Schwingtische mit diskreten Achsen, welche auf Grund langer Koppelstangen und Konsolen für Aktuatoren einen sehr hohen Platzbedarf haben. Auch Kombinationen aus 2 Hexapoden oder ein Hexapod mit zusätzlichen translatorischen Verfahrachsen sind möglich. 4.2 Regelungsstrategie DOF Auch der Hexapod hat in jedem Aktuator einen internen Wegmesser, welcher mit dem Servoventil den Grundregelkreis bildet. Ihn aber über diese Regelkreise zu bewegen, ist nicht möglich, da bei einer Bewegung des Schwingtisches immer alle 6 Aktuatoren beteiligt sind. Das Verfahren einer einzelnen Achse würde somit nur zum internen Verspannen des Gesamtsystems führen. Die Lösung dieses Problems sind, die aus den Einzelwegen der Aktuatoren berechneten 6 Freiheitsgrade (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ). Auf deren Grundlage lassen sich für Iterationen Subsysteme (z.B. Beschleunigung) aufbauen, um komplexe Signale nachfahren zu können. Die räumlichen Koordinaten der Regelsensoren am Aufbau sollten möglichst genau den Positionen bei Messung entsprechen. Der wesentliche Vorteil des Hexapoden besteht in der Möglichkeit alle 6 Freiheitsgrade simultan fahren zu können, was dazu führt, dass die Bewegungen des Aufbau sehr realitätsnah sind. Einzelereignisse und Phasenzusammenhänge bleiben erhalten und können entsprechend bewertet werden (eine entsprechend schallarme Umgebung vorausgesetzt). Dies stellt, insgesamt gesehen, hohe Anforderungen an das Bedienpersonal. 4.3 Grenzen der Nachfahrgüte und eine Alternative Bei größeren Strukturen, wie z.B. Fahrzeugen oder Karosserieabschnitten (vgl. 2.1. & 2.2.) haben globale Eigenfrequenzen (besonders Torsion und Biegung) einen deutlichen Einfluss auf die Signale der einzelnen Messstellen. Da Schwingtische aller Bauarten aber möglichst steif ausgelegt und gefertigt werden, entsteht hier ein Widerspruch, welcher dazu führt, dass man in bestimmten Bereichen Abstriche machen muss. Ein perfektes Nachfahren aller Kanäle eines Signals unter diesen Randbedingungen ist physikalisch nicht möglich. Eine Alternative sind hier flexible Prüfstände, welche auf das Zielfahrzeug abgestimmt sind und mit entsprechend gestalteten Schnittstellen auch große Komponenten aufnehmen und testen können. Abbildungen [12] Inova GmbH 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 19 The „Big Vibration“ Große Prüflinge - hohe Massen - ein Shaker … … und was dann? Dipl.-Ing. Peter-Johann Sikora TIRA Academie - Environmental Simulation Expert, Schalkau, Thüringen/ Deutschland Prof. Dr.-Ing. Michael Sauer M.Sc. TIRA Academie - htw saar, Saarbrücken, Saarland/ Deutschland Zusammenfassung Nicht selten erreichen Prüflinge eine Größe, welche auf den herkömmlichen Tischen eines Shakers nicht mehr komplett aufgespannt werden können. Die so überstehenden Anteile des zu prüfenden Objektes müssen mit einer aufwändigen Fixtur „gefangen“ werden, um so unerwünschte Effekte zu eliminieren. Diese Fixturen bringen meistens ein sehr hohes Gewicht mit sich, sind nur für den Prüfling konzipiert. Zudem sind sie oftmals noch größer, als die überstehenden Prüfteile und erzeugen darüber hinaus unerwünschte Interferenzen. Die neuen Entwicklungen der Shaker Hersteller zeigen den Trend zur Konstruktion von Vibrationstischen mit externen Auflagen, s.g. Extension. Die Idee dahinter ist simpel, wie auch tückisch. Externe, lagergeführte Extension ermöglichen ein Aufspannen über eine sehr große Fläche, so zumindest die Theorie. Wie ist die Praxis? Mit dieser Veröffentlichung werden Informationen vermittelt, um • mechanische Grenzen zu respektieren • die notwendigen Anforderungen an das Test-Haus stellen zu können • das Lastenheft besser definieren zu können • Korrektheit der Messaussage beurteilen zu können • Fehlinterpretationen erkennen und definieren zu können Diese und reichlich andere Fragen zu Sinn oder Unsinn solcher Konstruktionen sollen Klarheit bei der Vorbereitung einer Testsequenz erklären: • Welchen Nutzen liefern solche Systeme? • Wie geht das Labor mit den neuen Technologien um? • Sind alle Labormitarbeiter in der Lage die Problematik zu erkennen? • Wie geht man mit erhöhten translatorischen Kräften um? • Sind solche Prüfungen sinnvoll, wenn große Querkräfte detektiert werden? • Welche Auswirkungen haben diese Effekte auf die Vorgabe aus der IEC 60068-2-6/ 27/ 64? 1. Mechanische Dynamik - Geißel oder Pflicht? 1.1 Tests mit großen Prüflingen am Beispiel des Standards IEC 60068-2-6 [1] Die Anforderungen aus den Standards und der Normung werden bei Prüfungen mit großen Massen und Dimensionen auf den Prüfstand gestellt. Die Labors und die Gremien haben den Anspruch möglichst immer replizierbare Prüfungen leisten zu können, um für eine flächendeckende Konformitätsaussage zu sorgen. Der Anspruch ist hoch. Key Points aus dem Standard: • Cross axis motion Clause 4.1.2.1 • Rotational motion Clause 4.1.2.2 • Reference Points Clause 4.1.4.1 • Check Points Clause 4.1.4.2 20 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 The „Big Vibration“ Man muss die Mechanik verstehen Abb. 2 Wie in der Abbildung 2 dargestellt, beeinflussen Exzentrisch zu Anregungsachse liegende Schwerpunkte das dynamische Verhalten des Testsystems. Trägheit und deren Folgen werden im Satz von Steiner, [3] (auch Steinersche Satz, Steiner-Regel oder Parallelachsen-Theorem) beschrieben und dienen zur Berechnung des Trägheitsmomentes eines starren Körpers, dessen Drehachse parallel verschoben wurde. Durch die Verschiebung, weg vom Schwerpunkt, verändert sich das Trägheitsmoment eines Körpers. Wenn jedoch das Trägheitsmoment durch eine Drehachse bekannt ist, kann man es für alle Drehachsen berechnen, die parallel zu dieser sind. Der Satz von Steiner [4] J2 = J1 + m • d² ist prinzipiell, auch wenn das Thema vielen immer wieder Bauchschmerzen bereitet, eigentlich nicht schwierig zu berechnen bzw. ihn anzuwenden. Es muss bekannt sein, dass es notwendig wird sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Missverständliche Spezifikationen machen Ergebnisse verschieden und nicht rückführbar. Aber genau das muss vermieden werden, wenn man den Anspruch auf hohe • Control Strategy Clause 4.2 • Mounting Clause 4.3 • Check Point Clause 8.2 Die Anforderungen sind klar definiert. Sind sie bei den neuen Entwicklungen noch zeitgemäß, oder bedarf es einer Zäsur? Will man nur den Passierschein A38 bekommen, oder will man das dynamische Verhalten des Prüflings verstehen? Schauen wir uns die möglichen Problematiken Schritt für Schritt an. Die vorliegenden Messergebnisse wurden in Messungen bei einem Testaufbau, wie in Abbildung 1 dargestellt. Abb. 1 1.2 Mechanische Grenzen Je nach technischen Ausführung des Vibrationsprüfstandes, rücken die mechanischen Grenzen bei Prüfungen mit großen Massen und Dimensionen zunehmend in den Fokus. Sei es, weil der Kraftvektor zu gering wird, oder die Aufspannfläche zu klein ist oder aber das mechanische Verständnis nicht vorhanden ist. Was führt wirklich zur Überschreitung des Möglichen? Betrachtet man die Dynamik der Testkörper [2], so wird relativ schnell klar, dass gerade sehr große und starke Vibrationsprüfstände in Grenzbereiche und darüber hinaus gebracht werden können. Test-Slots sind knapp und teuer. Jede Vibrationstestanlage hat Tragzahlen, die eine Sicherheit und Lebensdauer der Testeinheit garantiert. Die Kenntnis über diese Tragzahlen rückt aber in den Hintergrund, vor allem, um einen Testlauf durchführen zu können. Die mögliche Unkenntnis über die Folgen der Überschreitung mechanischer Grenzen führt zu Ergebnissen, die entweder nicht gewünscht sind, oder aber nicht erwartet werden. Im Hinblick auf die Rückführbarkeit und Replizierbarkeit der Testsequenzen folgen entweder Fehlmessungen, oder falsche Resultate. Je größer also die Dimension oder Masse des Testkörpers wird, umso wichtiger wird es, die Mechanik und die Ursachen der Dynamik zu kennen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 21 The „Big Vibration“ Replizierbarkeit der Ergebnisse erwartet. Betrachtet man die Anforderungen aus der ISO/ IEC 17025 [5], so wird sehr klar, dass die Anforderungen nicht nur angewendet werden, sondern auch verstanden werden müssen. Das Labor muss verifizieren, dass es ein Verfahren ordnungsgemäß durchführen kann (ISO/ IEC 17025 7.2.1.5). Hier dürfte bei vielen Laboren ein nicht unerheblicher Nachholbedarf bestehen. Wenn große Bewegung die mechanischen Bewegungsgrenzen des Prüfsystems überschreiten können, kann keine Anbindung von großen Massen und Prüfdimensionen auf der Z-Achse erlaubt sein. Als Ausgleich muss eine entsprechende Anbindung an geeignete Ausgleichslager vorgesehen werden. Hier ist die Steifigkeit der Spule alleine nicht mehr ausreichend, so dass weitere Lagerpunkte benötigt werden. Die Auswirkungen der transversalen Verschiebungen können ebenfalls zu einer extrem überhöhten Antwort führen, die zu Überlastungen der Schwingeinheit führen können. Durch die übermäßige mechanische Belastung kann es zu einer Berührung von Stator und Spule kommen, welche zu einem Kurzschluss führen kann. Ferner kann es zu unerwartet Ereignisse am Prüfling führen wie z.B. dem Lösen von internen Komponenten. Mechanisch-dynamische Bewegungen aus dem Testaufbau sind kein Indiz für die Shaker Beschaffenheit oder dessen Leistungsfähigkeit. Der pure Glaube daran, dass Testsystem werde es schon richten, ist falsch. Die Tragzahlen eines jeden Shaker beschreiben die Grenzen der Bewegungen, die zulässig sind. Insbesondere hier kommt es auf das Verständnis von Dynamik und mechanischer Integrität eines Körpers an. Bei exzentrischen Schwerpunktlagen im Shock Testfall braucht es eine Versteifung des Dynamik Körpers (Testaufbau) an zusätzliche Lager, z.B. Extension, um die Struktursteifigkeit des Testsystems zu erhalten. Um das Verhalten auf der Testfläche ableiten zu können, muss das Testsystem untersucht werden und seine Eigenschaften müssen bekannt sein! Ein Testaufbau verstärkt (Fixtur, DUT, etc.) im ungünstigen Fall die negativen Effekte des Testsystems und führt u.U. zu fehlerhaften Konformitätsaussagen. 1.3 Regel Grenzen Eine Vibrations-Test-Sequenz erfordert ebenso die Grundlagen für das Verständnis des Regelverhaltens, wie das Verständnis für die Einhaltung gewisser Grenzen (siehe Key Points 1.1). Die Regel-Grenzen bilden aber Effekte aus der Mechanik ab, die in visuellen und einsetzbaren Regel-Algorithmen eingestellt und umgesetzt werden müssen. Ist also das Verständnis für die Regelung in Korrelation zur Mechanik nicht die gleiche, oder erfordert es Ausnahmen, weil die Teststände es nicht anders erlauben, dann entstehen Effekte, die mechanisch unterschiedliche Aussagen liefern. Bei großen Massen und Dimensionen ergeben sich auch bei kleinsten Verschiebungen sehr große Effekte. Hier stellt sich die Frage, ist diese Diversität für die Prüfung von Relevanz und insbesondere, ist die Prüfaussage dann die gleiche, wenn die Konstellation des Testhauses eine andere wird? Die Regel-Grenzen beinhalten das tiefe Verständnis für Sensorik und wie sie funktioniert, genauso wie die Kenntnis für die Regelsoftware und deren Einstellmöglichkeiten. Das Verständnis für das mechanische Verhalten, sollte bei Prüfer und Auftraggeber das gleiche sein, um die Regelverhalten einer Testanlage gleich zu stellen. Die Rolle der Spezifikation wird damit nicht nur auf den Prüfling beschränkt, sondern muss auf die des Labors und der mechanischen Möglichkeiten der Testanlage ausgeweitet werden. Betrachtet man hier die unterschiedlichen Ausführungen der Systemhersteller, so wird sehr schnell klar, dass dies keine einfache Aufgabe ist, die zum Ziel der Replizierbarkeit harmonisiert werden muss. 1.4 Physikalische Grenzen Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten sind Axiome, die als absolut richtig erkannte Grundsätze gelten und gültige Wahrheit liefern. Diese Axiome bedürfen keines weiteren Beweises, denn eines ist klar: Die Physik ist unverhandelbar Zumindest auf der Erde! Würden die Aspekte der mechanischen Dynamik außer Acht gelassen, oder angenommen, dass die statische Klemmvorrichtung einer großen Masse für den dynamischen Testfall nicht relevant sind, würden diese Annahmen zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Taumeln und rotieren wird initiiert, wenn große, exzentrische Gewichte auf einem starken Vibrationsprüfstand ausschließlich auf dem Head Expander aufgeschnallt und dynamisch beaufschlagt werden! Abb.3 22 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 The „Big Vibration“ Abb.4 Im Vergleich - In Abbildung 3 sieht man ein Kippen bei einem Shock-Puls mit einem nicht ausbalancierten Prüfaufbau, während in Abbildung 4 die Kippung ausbalanciert ist, obwohl der verrichtete Weg größer ist. Es ist ein Irrglaube, dass der Hersteller eines Vibrationsprüfstandes die Physik überlisten und dazu noch einen Autopiloten für den Betrieb bereitstellt. In der ISO IEC 17025 wird das Regelwerk beschrieben, nachdem der Kunde verpflichtet ist die Maschinen für den Testzweck so zu beherrschen, dass eine Testkonformität gemäß IEC 60068-2-6/ 27/ 64 etc. herbeigeführt wird! Für große Massen und Dimensionen wird damit recht schnell klar: Es reicht nicht nur Grundlagenwissen zu haben, sondern auch das tiefe Verständnis für alle Faktoren der mechanischen Vibration, insbesondere der dynamischen Mechanik ist notwendig. Für Anlagenbetreiber liegt der Fokus auf der eigenen Testeinrichtung. Der Auftraggeber muss jedoch über die Konsequenzen einer Aufspannvorrichtung (Fixtur) genauso tiefes Verständnis für mechanische Dynamik liefern. Die Abhängigkeiten dieser Komponente werden unter Kapitel 2.1.2 behandelt. Hier widmen wir uns der Frage, was widerfährt dem Prüfling wirklich? 2. Anforderungen an das Test Haus Genauso wie ein Pilot einer A380 das Wissen um den Umgang mit dem Flugzeug verinnerlichen und ebenso in allen Lagen des Flugzustandes anwenden muss, sollte ein Test-Haus dafür sorgen, dass die Anlage, die für eine Testsequenz zur Verfügung gestellt wird, den physikalischen Gesetzten folgt und entsprechend bedient werden kann. Das Fachpersonal ist in der Pflicht Das prüfende Fachpersonal sorgt für die Validität, nicht die Maschine! Dabei ist es nicht selbstverständlich, dass alle Operatoren die eine und gleiche Ausbildung haben, oder Erlerntes gleich wirksam umsetzen. 2.1 Systemverhalten Für die Bestimmung des Systemverhaltens müssen, wie bereits im Kapitel 1.2 beschrieben, die Drehachsen des System bekannt sein. Durch große Massen und Dimensionen werden Kippmomente verstärkt. Ist das Trägheitsmoment der Drehachse bekannt, kann man bereits im Vorfeld die Wirkung für alle Drehachsen berechnen, die parallel zu dieser sind. Abb. 5 Wie in Abbildung 5 zu sehen, können Kippbewegung zur Verformung des Systems führen. Liegen diese eigenfrequenzabhängigen Kippbewegungen (Eigenmoden) im Frequenzbereich sehr dicht beieinander, ist ein Taumeln mit dem Testaufbau die Folge. Jeder Teststand bringt seine Eigenheiten in Form von Eigenfrequenzen und Eigenmoden mit. Keine Spule, keine Wicklung nach mechanischer Bearbeitung hat die gleichen Eigenschaften. Diese müssen bekannt sein, um im Bereich der zu untersuchenden Frequenzspektren keine Wechselwirkungen durch Frequenzüberlagerung zu initiieren und damit unerwünschte Ergebnisse / Fehlinterpretation zu verhindern. Darüber hinaus müssen auch die Eigenformen des Prüfsystems in Kombination mit dem Prüfling bekannt sein. Das Verhalten des Prüflings auf das Prüfsystem ist ausschlaggebend für die Prüfung selbst. Wie in Abbildung 5 beispielhaft dargestellt ist, können insbesondere bei Shock Prüfungen [6] sehr hohe Bewegungsdynamiken entstehen, die entweder den Prüfling ungewollt übertesten, oder das Testsystem überlasten. Abb.6 Durch fehlende Balance des Prüfsystems, wie in Abbildung 6 zu sehen ist, kam es in diesem Testfall zu einer erheblichen Über- / Untertestung am Ende des Schockpulses. Diese ungleiche Belastung wurde durch eine überlagerte Taumelbewegung verursacht 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 23 The „Big Vibration“ 2.1.1 Regelstrategien - Vorgabe und Anspruch Die Regelstrategie wird oft durch den Kunden vorgegeben, ohne dass dieser das eigentliche Testsystem in seine Berechnungen mit einbezieht. Hier wird davon ausgegangen, dass sich das Testsystem als ideale Prüfeinrichtung verhält und nicht mit dem Prüfling interagiert. Wird dann ein Test mit diesen Vorgaben durchgeführt, kann es wie beispielhaft in Abbildung 7. zu extremen Überhöhungen. Erst durch Anpassung der Regelstrategie in Bezug auf Anzahl und Position der Regelsensoren bei gleichzeitiger Adaption des mechanischen Aufbaus kann der gewünschte Prüfablauf, wie in Abbildung 8 dargestellt, realisiert werden. So gilt es nicht nur die mechanische/ dynamischen Eigenschaften des Prüfsystems zu kennen, sondern es muss gleichzeitig auch noch ein tiefes Verständnis der Regelung vorhanden sein, um replizierbare Testergebnisse ableiten zu können. Gerade beim Arbeiten mit großen und schweren Prüfsystemen muss die Regelung so angepasst werden, dass mechanische Überlastungen und Grenzüberschreitungen vermieden werden. Dies kann auf der einen Seite zu Übertestungen führen oder auf der anderen Seite den Prüfling oder das Prüfsystem unbeabsichtigt zerstören. Abb. 7 2.1.2 Bestimmung des Systemverhaltens Der Prüfling ist der Leidtragende aller Wirkungen! Um die Ursachen besser bewerten und eingrenzen zu können, muss das System in seinen Eigenschaften bekannt sein. Das System beeinflusst sich selbst und wird gleichsam von der System Peripherie und dem Testaufbau beeinflusst. Abb.8 Die Kette sieht wie folgt aus: Ebene 1: Systemverhalten -> Eigenmoden der Schwingspule -> Eigenmoden des Head Expanders -> Einfluss der Thermo-Barriere -> Querkraft Komponenten -> Wirkweise der Extension 2.1.3 Extension - Funktion und Idee Extension erweitern zwar die Aufspannfläche, sind aber in der Bewegung als „Fremdkörper“ zu betrachten. Grundsätzlich wird nur die Anregungsrichtung in den Freiheitsgraden unterstützt. Die Unterstützungspunkte erlauben dabei nur translatorische Bewegungen. D.h. der rotatorische Anteil (Drehbewegung um die Anregungsachse und Kippmoden um die Queranregungsachsen) wird nun von den Lagern aufgenommen. Bei der Bewegung muss die passive Zusatzmasse (Eigenmasse der bewegten Anteile) mit entsprechenden Trägheitsmomenten betrachtet und beachtet werden. Die so zusätzlich träge, bewegte Masse senkt die Eigenfrequenz des Systems ab, wird aber durch die Momenten Versteifung teilweise kompensiert. D.h. umso steifer die Testfläche ist, umso geringer ist der Anteil der Versteifung durch die Extension erforderlich. Bewegte Masse ist zeitgleich der größte Dämpfer für die Leistungsfähigkeit eines jeden Shakers, auch wenn der Vektor 300 kN beträgt. Hier ist die Kreativität des Konstrukteurs gefragt, die mechanische Integrität zu erfüllen, aber den Materialeinsatz hierbei möglichst klein zu halten. Damit ist es Fluch und Segen zugleich. Wird ein großer Headexpander verwendet, steigt die bewegte Masse um 24 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 The „Big Vibration“ ein Vielfaches an. Werden Extension verwendet, ist die Dynamik der Extension zu beachten. Da es zurzeit keine technischen Vorgaben für die Herstellung solcher Systeme gibt, sind bei Testungen auf verschiedenen Systemen, verschiedene Resultate/ Ergebnisse zu erwarten, da jedes System seine Besonderheiten und Eigenschaften mitbringt. Erst wenn diese harmonisiert und normalisiert sind, können Testdiversität und Konformität solcher Anlagen in Betracht gezogen werden. 3. Anforderungen an den Kunden Erst wenn die 1. Ebene bekannt ist, insbesondere mit der weitreichenden Betrachtung und der Wirkweise der Extension, kann die 2. Ebene betrachtet werden. Ebene 2: Prüflingsverhalten -> Design der Fixtur -> Eigenmoden der Fixtur -> Freiheitsgerade der Fixtur -> Schwerpunkt der Fixtur -> Prüfling Der Alltag eines Testhauses erlaubt es nicht die Eigenschaften der 2. Ebene zu untersuchen. Einerseits, weil die Konformitätsaussage beeinflusst werden würde und andererseits, weil ein Labor nicht für die Eigenschaften des Prüflings verantwortlich gemacht werden kann. Hier steht der Kunde in der Pflicht die erforderlichen Werte und Erfahrungen zu liefern, so dass eine „saubere“ Messung erfolgen kann. Dabei wären entsprechende Vortests als Maßnahme zu treffen und die Ergebnisse aus der 2. Ebene sollten dem Lastenheft beigefügt werden. So könnten etwaige Symmetriefehler bei der Platzierung auf dem Prüftisch bereits im Vorfeld geklärt werden. Mit solchen Voruntersuchungen würden unnötige oder unerwartete Ereignisse bei starken Resonanzüberlagerungen beider Ebenen erkannt und minimalisiert werden. 3.1 Einfluss der Fixtur auf das System Die Prüflingsfixtur kann aufgrund der für die Montage notwendigen Spannkräfte die Eigenschaften des Testsystems verändern. Durch Verspannungen und zusätzliche Massen können sich zuvor ermittelte Eigenformen und Eigenfrequenzen ändern und auf den Prüfablauf auswirken. Deswegen ist es notwendig diese Einflüsse zu kennen bzw. zu bestimmen, um einheitliche und konforme Testsequenzen erzeugen zu können 3.2 System Simulation als Werkzeug für die Systemoptimierung Eine digitale Simulation (FEM) erlaubt sowohl dem Betreiber als auch dem Kunden die schnelle und kostengünstige Einsicht für die Eingrenzung etwaiger Probleme. Der „Digitale Shaker-Zwilling“ könnte bei wachsenden Rohstoffpreisen und rasant ansteigenden Energiekosten einen weiteren Anreiz für die Art der Untersuchung bieten, um bereits im Vorfeld die Systemeigenschaften besser beschreiben und begreifen zu können. Allerdings erfordert die FEM auch eine einheit- liche Vorgehensweise, um Fehlinterpretationen zu verhindern. Der digitale Weg wird aber den Modalversuch nicht ersetzen können. Der Prüfling muss real getestet werden, um ein reales Ergebnis zu bestimmen. 4. Messunsicherheitsbetrachtung Das Testsystem in Betrieb mit Extension liefert weitere Fehlerquellen und sorgt für die Erweiterung der Faktoren, die in der Messunsicherheitsbetrachtung erfasst und berücksichtigt werden müssen. Bei Konformitätsaussagen nach ISO/ IEC 17025 [5] wird die sogenannte Entscheidungsregel zu einem undefinierten Bereich, wenn nicht alle Faktoren bekannt und definiert sind. Um eine solche Entscheidung treffen zu können, kommt es auf das Verständnis und die Wirkweise/ Funktion des Gesamtsystems an. Besondere Beachtung bekommt die Konformitätsaussage bei pass/ fail Entscheidungen, da diese dabei berücksichtigt werden muss. Somit muss klar und bekannt sein, ob der Fehler systemisch oder unerwartet ist. 5. Fazit Das Testsystem in Betrieb mit Extension bietet durch die geringere Masse im Verhältnis zu einem großen Head Expander eine größere Testvarianz mit mehr Prüfmasse, benötigt aber tiefe Kenntnisse der mechanischen Dynamik. Es ist unabdingbar tiefes Wissen aus der Schwingungslehre mitzubringen, um die Messsignale interpretieren und bewerten zu können. Ein Mangel dieses Wissens kann ein strukturelles Versagen der Shaker-Spule nach sich ziehen, beziehungsweise Testobjekte übertesten / zerstören. Es ist absolut notwendig die Regelsystematik zu verstehen und bedienen zu können, da sonst das Testsystem den zu prüfenden Körper beeinflusst, wie auch die mechanische Integrität an die Grenzen führt. Bei richtigen Einsatz ermöglichen Extension eine „saubere“ Messung. Schwingungssysteme sind nicht einfach und auch nicht homogen. Eine ungleichförmige Amplitudenverteilung ist natürlich und frequenzabhängig. Ein mangelndes Systemverständnis führt leicht zum Unterbzw. Übertesten der Prüflinge und kann im Worst Case das Prüfsystem oder den Prüfling zerstören! Der Kunde ist sich oft dieser Tragweite nicht bewusst - Hier muss Aufklärung erfolgen! 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 25 The „Big Vibration“ Dipl.-Ing. Peter-J. SIKORA Prof. Dr.-Ing. Michael SAUER M.Sc. Literatur [1] Umgebungseinflüsse - Teil 2-6: Prüfverfahren - Prüfung Fc: Schwingen (sinusförmig) (IEC 60068- 2-6: 2007); Deutsche Fassung EN 60068-2-6: 2008 [2] Technische Mechanik: Dynamik: Bd 3 von Peter Hagedorn ISBN: 9783817118359 [3] https: / / de.wikipedia.org/ wiki/ Steinerscher_Satz [4] Alfred Böge: Technische Mechanik: Statik - Dynamik - Fluidmechanik - Festigkeitslehre. Springer DE, ISBN 978-3-8348-8107-6 [5] Allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien (ISO/ IEC 17025: 2017); Deutsche und Englische Fassung EN ISO/ IEC 17025: 2017 [6] Umgebungseinflüsse - Teil 2-27: Prüfverfahren - Prüfung Ea und Leitfaden: Schocken (IEC 60068- 2-27: 2008); Deutsche Fassung EN 60068-2- 27: 2009 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 27 Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers Kurthan Kersch Robert Bosch GmbH, Powertrain Solutions, Center of Competence for Vibration, 71701 Schwieberdingen, Germany Christian Dindorf Robert Bosch GmbH, Powertrain Solutions, Center of Competence for Vibration, 71701 Schwieberdingen, Germany Thomas Kuttner Bundeswehr University Munich, Faculty of Mechanical Engineering, 85577 Neubiberg, Germany Elmar Woschke Otto von Guericke University Magdeburg, IFME Institute of Mechanics, 39106 Magdeburg, Germany Abstract Multi-axis vibration testing has become known as more realistic than commonly performed uniaxial tests. Failure modes can be reproduced in a more realistic manner. Furthermore, the fatigue damage caused by simultaneous excitation of all axes can be higher than performing sequential uniaxial tests. In order to perform multi-axis vibration testing for automotive components, Bosch has conducted several investigations on an electrodynamic 3D-shaker. The system is manufactured by IMV corporation and contains five shakers to obtain a rated force of 30 kN for each axis. As a preliminary step, the previous evaluation of the electrodynamic shaker system is extended. Therefore, further constraints of the fixture modifications are introduced and applied to an optimum test setup for larger and broader components. Then, a qualitative qualification test is conducted with a full multiaxial profile including amplitudes, phases and coherences. As an emphasis of the analysis, different controlling systems are used for the investigation. Thereby, also a quantitative comparison of the different controllers is made with respect to accuracy and functionality. During the studies, several assessment criteria for multi axis controllers are developed. 1. Introduction Vibration testing is an important step for the validation of newly developed automotive parts and structures. Test profiles are usually derived with different driving scenarios to cover all possible load situations. Within the automotive industry, vibration testing is mainly conducted on uniaxial shakers on which all relevant industrial standards are based. Gradually, the need to perform more multi-axis testing, resulting in a more realistic reproduction of the field loads, has arisen among the respective manufacturers. On contrary to aerospace applications, multi-axis testing is not established within the automotive industry which results in a lack of respective standards and methods. One of the main reasons are partially higher acceleration levels and frequency ranges up to 2000 Hz that are typically required within the scope of automotive testing, as can be seen in [5]. Multiaxial shaker systems with the respective requirements are no widely available standard equipment. The systems used in literature are mostly prototypes which serve for a scientific purpose. Both implementation and handling of the system is thereby usually described sparely. The main challenge of multi-axis shakers is the construction and handling of the bearing unit which couples the different shaker axes. For large industrial shakers, such as needed for automotive testing, resonances of the bearing unit due to the low stiffness are unavoidable which may violate the results, as indicated in [3]. A six-degree-of-freedom shaker is investigated [10], where both occurring system resonances are left unconsidered during testing. The shaker system evaluated in this work was previously investigated in [8], showing a complex, non-linear behavior with roughly 14 modes within a frequency range of 10 to 2000 Hz. As conclusion, for every shaker model a qualification test has to be undertaken. In this work, the main points of the preliminary investigations in [8] are recapitulated and complemented with further requirements of the manufacturer considering the fixture modification. 28 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers A new test setup for larger components is shown and a qualitative qualification test is undertaken. As a next step, the influence of two different vibration control systems are evaluated. Thereby, measurable assessment criteria are defined and applied to the respective shaker system. 2. Shaker Evaluation 2.1 System Description Subject of this work is an electrodynamic 3D-shaker system prototype which is shown in fig. 1 and labeled as IMV TS-3000-3.2H-CE. It consists of five independent shakers which are coupled through a bearing unit, as illustrated in fig. 2. Both horizontal axes (X and Y) are excited with two 15 kN shakers each, which are arranged in a push-pull configuration. The vertical Z-axis contains a single 30 kN shaker. Due to its quadratic design with an edge length of 320 mm and a number of 25 threaded holes, the usage of the shaker table is limited regarding the test setup. Figure 1: 3D-shaker system [8] Figure 2: Illustration of the 3D-shaker setup [6] In order to balance the systems bearing unit, a counterweight is mounted at its bottom as shown in fig. 2. Especially rotational modes around the horizontal axes, usually occurring at the vicinity of 110 Hz, may produce displacements that cause damage to the bearing unit. A respective specification for the balancing is provided in [4]. It contains upper and lower limits for the pairing of mass and height of the Center of Gravity (CoG), as indicated in fig. 3 which have to be maintained for extensive and endurance testing. Figure 3: Specification for shaker setup [6] In the preceding investigation [8], a preliminary sine sweep of the 3D-shaker with a bare setup showed roughly 14 resonances in total within a frequency range of 10 Hz to 2000 Hz. Some modes occur as harmonics or do only develop with a simultaneous XYZ-excitation indicating a nonlinear behavior. A more detailed description of the modes can be found in [6], based on Operational Deflection Shape (ODS) analyses. However, a shaker characterization in terms of Experimental Modal Analysis (EMA) turned out to be not meaningful due to the high system complexity. 2.2 Fixture Modification As a next step, different geometries were used in [8] as a modification to perform optimum measurements up to 2000 Hz. They are shown in fig. 4 and do mostly not comply with the specifications given in fig. 3, except the setup with a block and two frames (given in fig. 5). This setup, where the specimens are to be mounted and controlled on the top of the block, was also determined to be the optimum for small, central mounted and single-point controlled structures. The particular reasons are increased response signals due to the raised position and an increased stiffness which shifts a critical mode around 1850 Hz into a higher frequency range while lowering its modal participation. The two frames are applied in order to meet the required boundaries of fig. 3 and further enhance the setup by further increased stiffness. The entire setup has a total mass of 13.3 kg and a CoG height of 46 mm. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 29 Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers Figure 4: Different fixture setups for the evaluation [8] Figure 5: Setup for control location at center The control point is generally chosen to be close to the mounting locations of the specimen since the response power at any arbitrary point on the structure usually deviates from the responses at the control location. For larger or broader components, the given setup, as well as the central control position cannot be used anymore. Therefore, another setup has to be developed where a meaningful control can be accomplished at a more peripheral location. A plane structure is manufactured from a solid block shown in fig. 6 and referred to as adapter plate. Cavities are inserted at the bottom to meet the required mass (13.5 kg) and CoG height (45 mm), as shown in fig. 7. While the center of the adapter plate is not appropriate as control location for the critical mode around 1850 Hz, the setup can be controlled near the edge, as can be seen in fig. 6. Figure 6: Setup for control location at the edge [6] Figure 7: Setup for control location at the edge, bottom view [6] In a next step, the adapter plate is used for a real testing scenario. A typical fixture of a complex automotive component is mounted on the adapter plate, as shown in fig. 8 with the control location M1. The fixture enables the mounting of two components at the same time, however, only one is used for the test. Due to security of corporate know-how, the component is not shown in the figure. The entire test setup has a total weight of 18.3 kg and a total CoG height of around 50 mm and is thus compliant with the specifications in fig. 3. Figure 8: Setup for complex automotive component (not shown in picture, two units can be mounted) [6] 30 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers The random vibration test profile (critical frequency range of 10-1700 Hz) is derived from two vehicle measurements according to the method described in [7]. It is given in fig. 9 with the PSD values on the diagonals, the phases on the upper triangle and the magnitude squared coherences on the lower triangle. As vibration controller, the Dataphysics Signal Star Matrix was used for the test. The measurements are performed with triaxial Dytran 3133 series accelerometers and the control is performed with a triaxial PCB 356A61 accelerometer. The qualitative comparison between the defined profile and the actual measurements concludes in an accurate replication of the desired test definition. Figure 9: Profile (in red) and measured test values (in blue) for a complex automotive component, phases on the upper triangle, magnitude squared coherences on the lower triangle [6] 3. Vibration Controller Evaluation Apart from the 3D-shaker system itself, the vibration controller is of crucial importance, especially regarding its software component. In this section, different controllers and their particular configuration are compared qualitatively with measurable criteria that are to be defined beforehand. Since no insight into the controller programming is possible, it is treated as a black box. Vibration control actions are especially needed around resonances. The drive signals are decreased respectively to avoid overshoots or increased when being located at a vibrational node. Difficulties may occur if the resulting cross accelerations due to mass inertia counter the target profile, as can be seen exemplary in [3]. Furthermore, nonlinear behavior such as amplitude sensitive FRFs or unsteady vibrational nodes may lead to overshoots of the defined profile. In a complex system several issues may also occur at the same time. From a control perspective, a forced phase response (phase control) may also lead to distortions of the defined profiles. 3.1 Definition of Measurable Evaluation Criteria At first, measurable criteria are to be defined for the comparison since no differences in the front-ends of the considered controllers are observable. Therefore, the flowchart for random vibration control in fig. 10 according to [9] is referred and marked respectively. The control reference for random vibration is a positive definite Spectral Density Matrix (SDM). The aim of the entire process is to match the output spectrum with the reference. The predicted output Fourier spectrum is calculated based on a random part, a reference part and the system transfer matrix. They can be characterized as decoupled inputs. The random part is a vector of independent noise sources that are realized with a randomization of the phases and is also known as pseudo random. A Cholesky decomposition of the reference spectrum is used to obtain the reference part. Depending on the SDM, the decoupled inputs can be fully, partly or not correlated. The core of the control action is the algorithm that updates the decoupled inputs. Two basic approaches exist: The update of the reference part and updating the transfer matrix. The first approach numerically finds an update for both amplitude and phase based on the error, the second one continuously recalculates the transfer matrix. Both approaches can also be used together. The first defined criterion is the system identification process. It gives evidence about the processing of the initial transfer matrix and thus the starting point of the control actions. The accuracy of the system identification can be influenced by the type of random signal generation that is used. Apart from the already mentioned pseudo random, the so-called pure random is oftenly used. It is basically a random number generator based signal, as described in [2]. The different effects on the system identification are explained in [1], stating that better estimates of the frequency response functions can be achieved using pseudo random. Since the drive spectra being usually described in terms of voltage, the transfer matrix is given in terms of [(m/ s²)/ V]. The second criterion is the stability of the control loop in presence of disturbances as for example hum noise (current noise) that occurs on the amplifiers, as already described in [8]. The third detected criterion concerns the configuration of the control process algorithm. As mentioned beforehand, two basic methods are available: Updating the inputs through an error correction and updating the full transfer matrix. Figure 10: Flow-chart of random vibration control algorithm with measurable criteria for controller comparison 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 31 Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers 3.2 Comparison of Different Systems A qualitative comparison of the respective profile conformity is used to evaluate the differences. Two controllers are considered for the analysis. For all tests, the exactly same adjustable parameters are used for signal processing (PSD calculation), control steps (frequency lines and bandwidth) and initial input voltage (used for system identification). The transfer functions of the initial system identifications are shown in fig. 11 for both controllers and using a bare table setup. They show moderate deviations on the main axes and larger deviations on its cross-axes, especially in the higher frequency range. The most obvious reason appears to be the difference in the initial excitation: While controller 1 performs a continuous excitation, controller 2 conducts the initial excitation batch-wise. Thereby, the excited resonances are likely to fade while in the first case modes are able to develop. Furthermore, a cause might be the strongly nonlinear behavior of the shaker. Figure 11: Initial transfer functions of controller 1 (red) and controller 2 (black) [6] The next criterion, which is the influence of disturbances on the control loop stability, is evaluated with the setup from fig. 5. A low-level white noise random excitation is applied. The resulting PSD responses, which are given in fig. 12, show that controller 2 is able to remove the hum noise that is especially present at 850 Hz and 950 Hz. The reason for the difference might be a band stop filter, respectively a notch filter that removes hum noise at every 50 Hz in European power networks (60 Hz in US and parts of Asia). A notch filter is a strongly narrow version of a band pass filter which allows the reduction of noise without strong influence on the desired transfer functions. The results of the initial system identification, previously given in fig. 11, also show hardly any noise using controller 2. Figure 12: Influence of current noise at 850 Hz and 950 Hz on controller 1 and 2 [6] The configuration of the control process is evaluated with the same test setup that was used previously. While no difference can be detected for a standard continuous random vibration test, major advantages of using a transfer matrix update are detected for deterministic vibration control. Fig. 13 shows the PSD responses of different Time Waveform Replication (TWR) tests using an example signal. Thereby, the transfer matrix is updated during testing which is referred to as adaptive control, according to [11]. Besides a peak at 1450 Hz due to hum noise, no difference in accuracy is detected between controller 1 and 2 when omitting the adaptive control, which is not provided by controller 1 at all. Figure 13: Time Waveform Replication of an example signal with different controller configurations [6] 4. Conclusion This paper aimed at extending the preceding investigations of an electrodynamic 3D-shaker system. Thereby, further aspects of the fixture modification were introduced. A new fixture for larger components was proposed and evaluated with an example vibration test. An emphasis of the investigation was put on the influence of different vibration controllers. Several assessment criteria were defined and applied using two different vibration controllers. 32 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Evaluation of an Electrodynamic 3D-shaker System using different MIMO Vibration Controllers The particular investigation concludes in the utility of notch filters, as well as adaptive control for an accurate vibration testing. Furthermore, the precision of the initial system identification may take a positive influence on the vibration control with providing reasonable start values. When conducting a controller analysis, it is beneficial to start with simple conformity comparisons. Thereby, either simple profiles can be used or the excitation of only one axis while keeping both other axes as close to zero as possible (zero-reference control). References [1] Cornelis; Toso; Verpoest; Peeters (2014): Improved MIMO FRF estimation and model updating for robust time waveform replication on durability test rigs. Proc. 26th ISMA including USD, pp. 737-752. [2] Gatto; Peeters; Coppotelli (2010): Flexible shaker excitation signals for improved FRFestimation and non-linearity assessment. Proc. 24th ISMA including USD, pp. 2475-2488. [3] Gregory; Bitsie; Smallwood (2008): Comparison of the response of a simple structure to single axis and multiple axis random vibration inputs. Proc. 79th Shock and Vibration Symposium. [4] IMV Corporation (2015): Operation Manual. [5] International Organization for Standardization (2012): ISO 16750-3: Road Vehicles - Environmental Conditions and Testing for Electrical and Electronic Equipment - Mechanical Loads. [6] Kersch (2020): 3D-Shaker Testing for Automotive Components (PhD Thesis). University of Magdeburg. [7] Kersch; Wagner; Kuttner; Woschke (2020): Improved techniques for uniaxial and multiaxial vibration test profile definition. Journal of the IEST, vol. 63, no. 1. [8] Kersch; Woschke (2020): Fixture modifications for effective control of an electrodynamic 3D-shaker system. Sound and Vibration, vol. 54, no. 2, pp. 75- 84. [9] Peeters; Debille (2002): Multiple-input-multipleoutput random vibration control: Theory and practice. Proc. 20th ISMA, pp. 507-516. [10] Smallwood; Gregory (2008): Evaluation of a six- DOF electrodynamic shaker system. Proc. 79th Shock and Vibration Symposium. [11] Underwood; Ayres; Keller (2011): Filling in the MIMO matrix, part 2 time waveform replication tests using field data. Sound and Vibration, vol. 45, no. 9, pp. 8-17. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 33 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten Felix Rehberger KTM AG, Mattighofen, Österreich DI (FH) Benjamin Riemer KTM AG, Mattighofen, Österreich Zusammenfassung Aufgrund der Erweiterung des Entwicklungszentrums der KTM AG wurde ein neues Prüfzentrum für Motoren, Komponenten und Baugruppen von Motorrädern errichtet. Dabei wurden eine vollständig neue Hydraulikanlage und zahlreiche neue Prüffelder und Prüfstände eingerichtet. Eine der fundamentalen Neuerungen des Prüfzentrums für Komponenten- und Baugruppenversuche sollte der multiaxiale Schwingtisch (MAST) darstellen. Im Zuge der Planungen und in weiterer Folge der Errichtung des MAST wurden bisherige Erfahrungen an ähnlichen Prüfstanden von externen Dienstleistern analysiert und für die Anwendung an Motorradkomponenten adaptiert bzw. optimiert. Dabei stellten hohe vertikaldynamische Bewegungen die größte Herausforderung dar, die mit sportlich orientierten Motorrädern in entsprechenden Einsatzgebieten erreicht werden können. Um diese Anforderungen zu erfüllen, bedurfte es einer umfangreichen Planungsphase sowie entsprechenden Anpassungen an die baulichen Fortschritte und Gegebenheiten. Doch auch zum Betrieb des MAST mussten einige Dinge berücksichtigt werden. Dazu zählen primär Arbeitserleichterungen als auch sicherheitsrelevante Anpassungen um Schäden aber auch Verletzungsrisiken zu minimieren, denn beim Betrieb können Bauteile der Prüflinge Schäden erleiden. Dadurch können Bruchstücke zur Gefahr werden. Deshalb sollten hier Vorkehrungen getroffen werden um die Arbeit zu erleichtern, wie einer Plattform zur erleichterten Montage der Prüflinge. Zur Erhöhung der Sicherheit wurden Bleche eingesetzt, die den Prüfstand vor Schäden durch Prüflingsteile schützt. Insbesondere abgeschlagene Druckbehälter an den Zylindern stellen eine ernste Gefahr dar. Zusätzlich zu den Blechen wird eine Sicherung der Komponenten eingesetzt, welche über einen Schwenkkran realisiert wird. In den nachfolgenden Abschnitten werden die oben angeführten Punkte im Detail beschrieben und erläutert. Dabei wird auf die Anforderungen des Prüfstands, als auch die tatsächliche Realisierung und eventuelle Probleme eingegangen. 1. Anforderungen an den Prüfstand Um einen Prüfstand in diesem Ausmaß in Betrieb zu nehmen, müssen zuerst ein paar Eckdaten festgelegt werden, die der Prüfstand erfüllen soll. Für KTM war es erforderlich, Motorradkomponenten und Baugruppen zu Prüfen. Dabei sollten sechs Freiheitsgrade darstellbar sein. Somit konnte nur ein Hexapod oder ein Orthogonalsystem herangezogen werden um diese Anforderungen zu erfüllen. Als Lösung wurde hier ein Orthogonalsystem gewählt, da ein Hexapod die hochdynamischen Bewegungen eines sportlich orientierten Motorrads nicht abbilden konnte bzw. unterschiedliche Anforderungen an die jeweiligen Freiheitsgrade hatte. 1.1 Abgrenzung der Anforderungen Die Abgrenzung der Anforderungen an die zukünftige Aufgabe des Prüfstands ist für die Planung ebenfalls sehr wichtig, da mit diesen Eckdaten, die Dimensionierung entsprechend stattfinden kann. Nachfolgend sind die Eckdaten für den multiaxialen Schwingtisch angeführt: - Abbildung aller sechs Freiheitsgrade - Beladung des Tischs mit bis zu 500kg - Translatorische Wege von bis zu 150mm in longitudinaler Richtung, bis zu 100mm in lateraler Richtung, sowie bis zu 300mm in vertikaler Richtung - Rotatorische Winkel von bis zu 14 Grad um die Roll- und Gierachse, sowie bis zu 34 Grad um die Nickachse 34 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten Manche der zuvor angeführten Werte scheinen für den Motorradbetrieb recht hoch, werden aber bei entsprechenden Modellen durchaus erreicht oder sogar überschritten, da bei manchen Manövern z.B. beim Überfahren eines Bahnübergangs hohe Beschleunigen am Fahrgestell auftreten, die nur mit entsprechenden Hüben erreicht werden können. 1.2 Konzeptauswahl Prüfstandsbauweise Anhand der zuvor beschriebenen Grenzwerte müssen Überlegungen zur Auswahl des richtigen Prüfstands getroffen werden. Im Falle der KTM AG standen anfangs zwei Bauweisen zur Diskussion. Zum einen wurde ein 6 DOF Hexapod und zum anderen ein 6 DOF Orthogonalsystem überlegt. Während der Planungsphase wurden beide Konzepte als weitgehend möglich erachtet. Es stellte sich später jedoch heraus, dass ein Hexapod die Anforderungen nicht erfüllen konnte. Die Planungen erfolgten Anfangs jedoch trotzdem für beide Bauweisen, da die Entscheidung zu diesem Zeitpunkt noch nicht feststand. Während der Planung wurden dabei verschiedene Konzepte der späteren grundsätzlichen Bauweise (Orthogonalsystem) in Betracht gezogen. Abb. 1 schematische Darstellung - Orthogonalsystem Je nach Bauweise wird außerdem eine seismische Masse zur Schwingungsdämpfung in entsprechender Größe benötigt. Die Form der seismischen Masse muss ebenfalls an den zukünftigen Prüfstand angepasst sein, sodass diese Masse ihre Funktion auch erfüllen kann. Die seismische Masse wird auf Luftfedern gelagert und entkoppelt so den Prüfstand vom Fundament des Gebäudes. Ohne diese Entkopplung könnten die vom Prüfstand verursachten Schwingungen auf das Gebäude übertragen werden und die Bausubstanz beschädigen. Dabei sollten Schwingungen unter 2 Hz entkoppelt werden. Die seismische Masse wird in Abschnitt 2.1 näher erläutert. 1.3 Infrastruktur für einen MAST Abschließend muss für einen Prüfstand in dieser Größe auch die Betriebsmittelinfrastruktur berücksichtigt werden. Dabei sollte der Öldurchfluss mit entsprechender Reserve eingeplant werden. Bei Verwendung von pneumatischen Komponenten am Prüfstand, muss außerdem ausreichend aufbereitete Druckluft zur Verfügung stehen. Im Falle des MAST bei der KTM AG musste eine Ölflussreserve von nominal etwa 1236 l/ min realisiert werden. Der durchschnittlich erwartete Öldurchfluss im Betrieb war mit etwa 400 l/ min geschätzt. Dies wurde bereits im neuen Aggregatekonzept berücksichtigt, weshalb hier keine Engpässe zu erwarten waren. Für die Leckölabsaugung wurden neue Absaugeinheiten eingeführt, welche mit Druckluft betrieben werden. Auch hier muss für ausreichende Reserven gesorgt werden. Dafür wurde eine eigene Luftaufbereitung vorgesehen, welche für die gesamte Prüfhalle herangezogen wird. Daher wird diese hier nicht näher erläutert. 2. Planung und Errichtung des Prüfstands Nach der anfänglichen Abgrenzung der Prüfstandsanforderungen, wurde mit der Dimensionierung und Planung des zukünftigen MAST begonnen. Die Planungen zu diesem Prüfstand begannen bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Bauphase der Erweiterung des Entwicklungszentrums. Um einen Prüfstand in der Größe auch sinnvoll unterzubringen muss dementsprechend Platz zur Verfügung stehen. 2.1 Herstellung der seismischen Masse Im Falle der KTM AG wurde dies bereits in der Architekturplanung berücksichtigt, sodass auch die seismische Masse während des Baus errichtet werden kann. Die Vorbereitung zu diesem Prüfstand begannen im Jahr 2016 um die baulichen Maßnahmen dafür rechtzeitig vorzusehen. Das Gießen der über 128 Tonnen schweren Masse musste in der frühen Bauphase erfolgen. Etwa ein Jahr nach Beginn der Planungen wurden, während dem Rohbau, die Armierungen der Massen im Hallenfundament vorbereitet (siehe Abb. 2). Abb. 2 Anker und Ankerschablone der seismischen Masse Im weiteren Verlauf wurden die Außenwände als fertige Elemente angeliefert und mit den Armierungen und Ankern verschraubt. Damit war die Außenhülle vorbereitet und die Masse konnte entsprechend mit Beton ausgegossen werden. Um ein Abheben der Masse vom Kellerfundament zu ermöglichen wurde eine Folie ausgelegt, auf der die Masse nicht haften bleibt. Die fertige Masse war, mit Aushärtung des Betons, etwa drei Monate nach dem Gießen fertig ge- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 35 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten stellt. Eine Abbildung der fertigen Masse, noch ohne Aufbauten oder anbauten, ist in Abbildung 3 ersichtlich. Abb. 3 Fertiggestellte seismische Masse Für die Fertigstellung der seismischen Masse muss der Beton einige Wochen aushärten. Danach wurde eine T- Nuten-Platte montiert. In der ursprünglichen Variante sollte der Prüfstand direkt mit den Ankern in der seismischen Masse verbunden werden. Später fiel die Wahl auf eine T-Nuten-Platte, da dadurch eine flexiblere Montage von Prüfstand und Erweiterungen möglich ist. Zur weitestgehenden Entkopplung des Prüfstands von der restlichen Bausubstanz sah das Konzept vor, Luft- Feder-Dämpfer-Systeme einzusetzen, um die niederfrequenten Schwingungen auf ein Minimum auf das Gebäude zu reduzieren. In Abbildung 4 ist die fertige Plattform, also die seismische Masse mit der T-Nuten-Platte und den Luftfedern zu sehen. Von der Vorbereitung im Rohbau bis zu Fertigstellung, wie sie unten zu sehen ist, verstrichen so etwa sechs Monate. Abb. 4 Seismische Masse mit Luftfedern und T-Nuten- Platte ohne Rinnen Abschließend wurden noch Auffangrinnen rund um die Plattform vorgesehen, um kleinere Flüssigkeitsmengen von z.B. Öl oder Wasser aufzufangen. Dabei ist darauf zu achten, dass entsprechende Überwachungssysteme berücksichtigt werden, um ein Überlaufen zu vermeiden. Dieses wurde bei der KTM AG in Form eines Füllstandsensors im Auffangbehälter realisiert. 2.2 Planung des MAST Parallel zur Errichtung der seismischen Masse verlief die Planung des eigentlichen Prüfstands. Die Planungen des MAST starteten gemeinsam mit der Entscheidung der Erweiterung des Prüfzentrums im Herbst 2016. Dabei war das erste Konzept noch mit einer direkten Montage auf die seismische Masse geplant. Eine direkte Verschraubung in die Anker hätte aber den Nachteil gebracht, dass keine Zusatzaufbauten für den normalen Betrieb montiert werden können. Abb. 5 Fertig konstruierter Orthogonalprüfstand Das erste Konzept des Prüfstands war bereits im Frühling 2017 durch die inova GmbH vorgestellt worden, welches dann als Orthogonalsystem ausgelegt wurde. Wie bereits beschrieben, wäre ein Hexapod für den Anwendungsfall bei der KTM AG nur bedingt geeignet. In weiterer Folge wurden mehrere Änderungen des Prüfstands vorgenommen, bis er im Sommer 2018 zur technischen Abnahme und Fertigungsfreigabe kam. Während diesem Planungszeitraum wurde für den Prüfstand eine Tischfläche von 600x1200mm mit einem M20-Lochraster von 100x100mm definiert. Das ermöglicht eine flexible und sichere Montage der Prüflinge. Weiters wurde für die vertikalen Aktuatoren ein Hebelsystem mit zweistufiger Übersetzung eingebunden (Abb. 5). Dadurch können Geschwindigkeit, Hub, Beschleunigungen und Kräfte an den vertikalen Aktuatoren angepasst werden. Abb. 6 Anbindung der Gelenkstäbe an den Umlenkhebeln, für zweistufige Übersetzungen Außerdem wurden im Zuge der Planungen eine Sicherung des Tischs vorgesehen, um ein unerwünschtes Kippen bzw. Bewegen des Tischs während etwaiger Rüst- 36 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten tätigkeiten und bei drucklosen Zylindern zu vermeiden. Diese Sicherung ist auch in den Regelkreis eingebunden und verhindert z.B. den Zutritt zum Prüfstand, wenn der Sicherungsstift nicht ordnungsgemäß einrastet. Zur weiteren Erhöhung der Sicherheit muss eine Einzäunung berücksichtigt werden und so gegen unbefugtes Betreten abzusichern. Um hier ein ausreichendes Maß an Sicherheit zu gewährleisten, muss die Einzäunung dementsprechend gewählt werden. Dabei wählte die inova GmbH den geeigneten Schutz und dessen Höhe der Einzäunung aus. Als Resultat wurde eine entsprechende Umzäunung aus Plexiglas mit einer automatisch verriegelbaren Tür gewählt, welche über die Steuerungselektronik geschlossen wird, bevor Druck ins System aufgeschaltet wird. Mit all diesen Änderungen innerhalb der Planungsphase, wurde die Dimensionierung der Aktuatoren und Aufnahmen derer durch die inova GmbH fertiggestellt. Im Zuge der gesamten Planungs- und Konstruktionsphase wurden die verschiedenen Prüfstandskomponenten auf deren Festigkeit und Schwingungsstabilität mithilfe von FEM- Simulationen geprüft. Dadurch konnten bereits erste Abschätzungen auf dessen Eigenresonanzen getroffen werden und auf die Anforderungen hin optimiert werden. Die tatsächlichen Eigenmoden der Komponenten müssen aber trotzdem bei der Inbetriebnahme ermittelt werden. Abb. 7 Eigenmodenanalyse des Tischs 2.3 Errichtung des MAST Nach der technischen Abnahme im Frühjahr 2018 wurde bei der inova GmbH mit der Fertigung des MAST begonnen. Bis zur Lieferung und Montage ab November desselben Jahres, mussten ebenfalls einige Tätigkeiten berücksichtigt werden. Dazu zählten die Vormontage bei der inova GmbH am Fertigungsstandort in Prag, wo ein Funktionstest, die Sichtkontrolle auf mögliche Mängel und die Vorabnahme erfolgte. Eventuelle Nacharbeiten müssen dann ebenfalls innerhalb des geplanten Zeitraums erledigt werden. Aufgrund etwaiger Nacharbeiten können Verzögerungen im Zeitplan die Folge sein. Die Einbringung der verschiedenen Bauteile in die Prüfhalle und auf die noch nicht angehobene seismische Masse war ebenfalls mit Herausforderungen verbunden. Da die Prüfhalle noch nicht fertiggestellt war und damit die Böden noch nicht vollständig aufgebaut waren, konnten nicht alle Bereiche ungehindert befahren werden. Viele Bauteile wurden daher mit Stapler und Hallenkran kombiniert über das vorhandene Rolltor eingebracht und positioniert. Als anspruchsvoll stellte sich dabei das Gewicht des Hauptsockels der drei lateralen Aktuatoren dar, denn mit einem Gewicht von etwa fünf Tonnen war dieser Sockel für den Hallenkran alleine zu schwer. Deshalb musste mit Hilfe von Schwerlastrollen und hydraulischen Hebern der Sockel platziert werden. Nach etwa vier Wochen konnte der MAST zum ersten Mal in Betrieb genommen werden. Bis zur Übergabe an die KTM AG vergingen jedoch noch weitere Monate, in denen die Elektronik mit ihren Sensoren und Steuerungen programmiert wurden. Während der Fertigstellung der Elektronik wurden die Funktionalität und dessen Leistungsfähigkeit geprüft. Sollte sich während dieser Phase herausstellen, dass etwaige Vorgaben an die Performance nicht erreicht werden, ist hier Nachbesserungsbedarf gegeben, bevor der Prüfstand in den Betrieb übergeben wird. Abb. 8 Fertiggestellter MAST nach Erstinbetriebnahme Nachdem alle Anforderungen erfüllt waren, konnte der MAST im Mai 2018 durch die inova GmbH an die KTM AG übergeben werden. Mit diesem Datum wurde der Betrieb des Prüfstands für die Entwicklungstätigkeiten der verschiedenen Motorradmodelle aufgenommen. 3. Erweiterungen des MAST Obwohl der Betrieb bereits mit der Übergabe im Mai 2018 anlief, waren einige Erweiterungen für den Betrieb noch nicht installiert. Für den reibungslosen Rüstbetrieb am Prüfstand empfiehlt sich eine Arbeitsplattform, welche rund um den Prüfstand errichtet werden sollte. Voraussetzung dafür ist, dass entsprechend Platz zur Verfügung steht, wie es bei der KTM AG der Fall war. Bei der Plattform muss die Arbeitssicherheit gewährleistet sein, da die Plattform überhöht ist und somit einige Risiken mit sich bringt. Folglich muss also gewährleistet sein, dass eine Absturzsicherung vorhanden ist und der Zugang erleichtert wird. Hierfür wurden ein Geländer und eine Treppe vorgesehen. Die Aussparung für die Koppelstangen der vertikalen Krafteinleitungen im Boden der Plattform kann aufgrund der Tischbewegungen 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 37 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten nicht mit einem Geländer gesichert werden. Deshalb wurde hier eine möglichst kleine Öffnung eingeplant, um die Absturzgefahr auch beim Tisch möglichst gering zu halten, ohne die Funktion des Prüfstands einzuschränken. Weiters wurden im Zuge der Plattformkonstruktion mehrere Schutzbleche für die Zylinder angebracht. Diese schützen die Aktuatoren vor möglichen Prüflingsteilen, sollten Schäden am Prüfling auftreten. Dadurch ist sichergestellt, dass die Pufferspeicher der Aktuatoren, sowie Servoventile und Kolbenstangen geschützt werden. Abb. 9 MAST mit Arbeitsplattform und Schutzblechen Zur weiteren Vermeidung von Schäden oder Gefahren durch Prüflingsteile, ist es sinnvoll einen Objektfang bzw. -sicherung vorzusehen. Dies kann mit fest installierten Systemen wie Balken oder Trägern realisiert werden, oder im Falle der KTM AG mithilfe eines Schwenkkrans. Dieser ermöglicht mit einfachen Laufkatzen und entsprechenden Gurten die Sicherung der gefährdetsten Teile, aber auch die einfachere Montage von Prüflingen mithilfe des Hallenkrans, da die Sicherungseinrichtung einfach zur Seite geschwenkt werden kann. Abb. 10 MAST mit allen Erweiterungen Abschließend sollte auch für entsprechenden Schallschutz gesorgt werden. Da es sich um hochdynamische Bewegungen handelt und die meisten Komponenten zu Baugruppen verschraubt werden, können hier Schwingungen und Schallemissionen entstehen, die in unmittelbarer Nähe bis zu 100dB(A) und mehr erreichen. Bei der KTM AG wurde dieses Problem mit entsprechenden Schallschutzplatten in der gesamten Halle verwirklicht. Dadurch wurde das Lärmniveau, als auch der Hall stark reduziert. 4. Für den Betrieb wichtige Themen Als wichtiger Punkt für den Betrieb sollten mögliche Datenerfassungssysteme betrachtet werden. Dabei muss berücksichtigt werden, was wo gemessen werden soll. Hier stellen sich folgende Fragen: - Was soll gemessen werden? Dehnungen, Beschleunigungen, Kräfte, … - Werden Steuersignale für elektronische bzw. elektrische Komponenten benötigt? - Sollen Bus-Signale ausgewertet werden können? - … Abb. 11 Ansicht auf den aktuellen Zustand des MAST mit Prüfling Anhand dieser Fragen können viele Anforderungen ermittelt und Vorentscheidungen bezüglich der zu verwendenden Messysteme getroffen werden. Als sinnvolle Messdaten haben sich bei Freimassenprüfständen diverse Dehnungen an den Fahrzeugkomponenten sowie Beschleunigungen etabliert. Für Dehnungsmessungen werden üblicherweise DMS verwendet. Daher muss für diese Messstellen eine entsprechende Messkette für analoge Signale vorgesehen werden. Bei KTM werden dafür analoge Eingänge mit einem Spannungsbereich von ±10V bereitgestellt. Damit werden die DMS-Messstellen über einen separaten Messverstärker ausgelesen und dann von der Steuerungssoftware in einen Dehnungsmesswert umgerechnet. 38 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten Beschleunigungen können auf unterschiedliche Weisen gemessen werden. Für diese Signale haben sich bei der KTM AG kapazitive Beschleunigungssensoren etabliert. Außerdem können piezoresistive und piezoelektrische Sensoren verwendet werden. Für Beschleunigungsaufnehmer ohne analogem Ausgangssignal wird jedoch zusätzliche Hardware zur Datenauswertung benötigt. Für die einzelnen Messysteme wurde eine zentrale Anschlussbox mit individuellen Stecksystemen eingerichtet. Dabei lag der Fokus auf einfach zu steckende Systemstecker, welche für jeden Messsystemtyp einen separaten Stecker vorsehen. Dadurch kann ein Anschließen an einen falschen Eingang bzw. Ausgang und Schäden an der Elektronik unterbunden werden. Als Stecksystem wurden weitgehend LEMO®-Stecker verwendet, da diese mit Ihrem Push-Pull-Mechanismus die Anforderungen erfüllten. In Abbildung 12 ist die Anschlussbox abgebildet. Abb. 12 Anschlussbox MAST 5. Zeitlinie Im Nachfolgenden wird die Zeitlinie von Beginn der Planungen bis zur vollständigen Inbetriebnahme des multiaxialen Schwingtischs in Orthogonalbauweise gezeigt. Die Zeitlinie zeigt eindeutig den hohen Zeitaufwand, um einen Prüfstand dieser Dimension in Betrieb zu nehmen. Auch nach Inbetriebnahme beanspruchen die einzelnen Erweiterungen entsprechend Zeit zur Planung und Errichtung. Grob kann damit ein Zeitraum von Planungsbeginn bis Fertigstellung mit etwa drei Jahren angenommen werden. Abb. 13 Zeitachse „MAST“ 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 39 Planung und Errichtung eines multiaxialen Schwingtisches für Motorradkomponenten 6. Fazit Die Planung und Inbetriebnahme eines Prüfstands dieser Dimension bedarf einer langen Vorbereitungszeit. Zu Beginn der Überlegungen muss festlegt werden, welche Anforderungen der Prüfstand erfüllen soll. Im Falle der KTM AG wurde festgelegt, dass mit dem multiaxialen Schwingtisch Motorradkomponenten und -baugruppen geprüft werden sollen. Danach kann mit der Konzeption begonnen werden, um die Eckdaten zu definieren. Mithilfe der Eckdaten zeigt sich, ob ein Hexapod oder ein Orthogonalsystem als MAST geeignet ist. Bei der KTM AG fiel die Entscheidung auf einen orthogonalen MAST. Herausforderung hierbei sind die resultierenden Beschleunigungen, welche mit einem Sportmotorrad erreicht werden können. Insbesondere müssen hierfür die verschiedenen Freiheitsgrade separat betrachtet werden. Die vertikalen Bewegungen stellen dabei die Hauptbelastung dar. Nachdem die Entscheidung auf eine geeignete Bauweise als MAST getroffen wurde, kann mit der Auslegung des Prüfstands begonnen werden. Bei der Auslegung müssen parallel zur Konstruktion mithilfe von FEM-Methoden die Festigkeit und Frequenzstabilität geprüft werden. Dies ermöglicht bereits in frühen Phasen ein Optimieren des Prüfstands auf seinen zukünftigen Einsatzzweck. Sind alle Parameter erfüllt und freigegeben, kann mit der Produktion begonnen werden. Parallel zur Planung und Auslegung des Prüfstands muss die Infrastruktur zur Errichtung und zum Betreiben näher betrachtet werden. Aus baulicher Sicht muss dafür ausreichend Platz zur Verfügung stehen. Die Entkoppelung und Schwingungsdämpfung zur Bausubstanz sind dabei ebenfalls nicht zu vernachlässigen. Bei der KTM AG erfolgte dieser Aspekt während der Erweiterung des Entwicklungszentrums bereits in der frühen Bauphase. Für den Betrieb muss eine eventuell bestehende Hydraulikanlage und Luftaufbereitung erweitert werden. Wichtig ist dabei, dass ausreichende Reserven zur Verfügung stehen. Für die Montage und Positionierung der Prüfstandsbauteile können Kräne und Stapler verwendet werden. Auch kleinere Werkzeuge wie Schwerlastrollen oder hydraulische Heber können dafür herangezogen werden. Durch die Wahl einer T-Nuten-Platte als Montageelement, konnte bei der KTM AG die Positionierung flexibel gestaltet werden. Ist der Prüfstand in Betrieb genommen, können Erweiterungen für den reibungslosen Betrieb geplant werden. Sinnvolle Hilfen wie eine Montageplattform oder ein Objektfang erhöhen die Sicherheit und den Arbeitskomfort. Die Montageplattform und der Objektfang dürfen die Tischbewegungen nicht einschränken. Für den Objektfang bei der KTM AG fiel die Wahl auf einen Schwenkkran. Dadurch ist das Rüsten des Prüfstands mit dem Hallenkran nicht eingeschränkt. Ist noch kein Schallschutz vorgesehen, muss dieser ebenfalls berücksichtigt werden. Durch die hohe Dynamik des Prüfstands kann es zu hohen Lärmbelastungen kommen. Für den gesamten Planungs- und Errichtungsaufwand kann ein grober Zeitrahmen von etwa 3-4 Jahren eingeplant werden. Aufgrund der komplexen Bauform des Prüfstands sollte für Fertigungsbzw. Bauzeiten ausreichend Zeit berücksichtigt werden. Im Falle der KTM AG war der Prüfstand nach etwa dreieinhalb Jahren vollständig fertiggestellt. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 41 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Themenschwerpunkt: Multivalent nutzbare Prüfstandslösungen Sebastian Hoffmann IABG mbH, Einsteinstr. 20, D-85521 Ottobrunn, Deutschland Kristof Schlemmer MOOG Luxembourg S.à r.l., 421 Z.A.E. Wolser F, L-3290 Bettembourg, Luxemburg Sascha Dany MOOG Luxembourg S.à r.l., 421 Z.A.E. Wolser F, L-3290 Bettembourg, Luxemburg Holger Schmidt MOOG Luxembourg S.à r.l., 421 Z.A.E. Wolser F, L-3290 Bettembourg, Luxemburg Zusammenfassung Anhand der beispielhaften Anwendung eines Federprüfstandes wird gezeigt, dass die elektro-hydrostatische Technologie sowohl bei den Investitionskosten (installierte Leistung) als auch bei den Betriebskosten (Energieverbrauch) optimal eingesetzt werden kann. Der Ansatz nutzt ein intelligentes Energiemanagement und ist besonders vorteilhaft für Anwendungen mit einer großen Anzahl von Lastzyklen, bei denen Energie zwischen verschiedenen Bereichen und/ oder Subsystemen verschoben wird. Weitere Vorteile werden erörtert, wie z. B. dauerhafte Lasthaltefähigkeit, hohe Flexibilität und Kompaktheit in einem tragbaren Layout, Skalierbarkeit und Erweiterbarkeit durch modularen Aufbau sowie eine vielseitige und leistungsfähige Bewegungssteuerungs- und Automatisierungslösung. Der Beitrag schließt mit einem Ausblick auf weitere und zukünftige Entwicklungen. Schlüsselwörter: Elektro-hydrostatisches Antriebssystem, Energiemanagement, Energieeffizienz, zyklische Prüfung Zielpublikum: Industriehydraulik, Prüfung, Systeme 1. Einführung und Technologieübersicht In den letzten Jahren ist die Elektrifizierung von Maschinen und Antriebstechnik in der Industrie zu einem sehr wichtigen Thema geworden. Dieser Trend resultiert zum einen aus den steigenden Stromkosten und den damit verbundenen zunehmenden Anforderungen an die Energieeffizienz, zum anderen aus dem Wunsch, den Ölanteil in Industrieanlagen zu reduzieren oder gar auf rein elektrische Antriebstechnik umzustellen. In vielen Anwendungen bietet die Hydraulik jedoch deutliche Vorteile gegenüber rein elektromechanischen Systemen. Um die Vorteile der elektrohydraulischen (EH) Technik, wie Kraftdichte, Robustheit und Spielfreiheit, mit den Vorteilen der elektromechanischen (EM) Technik, wie Energieeffizienz, Umweltfreundlichkeit und Geräuscharmut, zu kombinieren, werden immer häufiger elektro-hydrostatische Betätigungssysteme (EAS) eingesetzt. Diese "hybriden" Systeme vereinen die Vorteile sowohl der elektrohydraulischen als auch der elektromechanischen Technologie in einem einzigen Paket, wie Becher [1] in Abbildung 1. EAS bieten Optionen, wenn einerseits eine hohe Kraftfähigkeit erforderlich ist und andererseits z. B. Energieeinsparungen, Umweltfreundlichkeit oder der Wegfall von Rohrleitungen gewünscht sind [2], [3]. Folglich hat das Interesse an der EAS-Technologie zu einem Boom in der industriellen Forschung, Entwicklung und Vermarktung geführt. Nichtsdestotrotz steht dieser technologische Übergang noch immer vor erheblichen Herausforderungen, um in der anspruchsvollen industriellen Praxis akzeptiert und auf breiter Basis umgesetzt zu werden. Dies gilt umso mehr für Anwendungen mit anspruchsvollen technologischen Konfigurationen und Anforderungen. Vielen Anwendern fällt dieser Schritt 42 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen leichter, wenn die Leistungsdimensionen auf einen überschaubaren Bereich begrenzt sind oder die Anforderungen an Genauigkeit und Beschleunigung nicht zu hoch sind. Die meisten der heute etablierten Anwendungen in diesem Bereich gehören daher zu dieser Kategorie. Abbildung 1: Vergleich der elektromechanischen und hydraulischen Antriebstechnologien mit der EAS-Technologie Wir werden jedoch in dieser Veröffentlichung zeigen, dass dies keine natürliche Einschränkung ist. Bei geeigneter Anwendung bietet der EAS-Ansatz vor allem für Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Beschleunigung vorteilhafte Eigenschaften, insbesondere in Kombination mit der Anforderung eines geringen Energieverbrauchs. Daher kann diese Art der Anwendung von EAS als neuartig und innovativ angesehen werden, da sie den Einsatzbereich dieser Technologie durch intelligente Übertragung, Anpassung und Synthese geeigneter Konzepte, Lösungen und Komponenten erweitert. 1.1 Einfache EAS-Lösungen Um EAS-Systeme für bestimmte Anwendungen zu optimieren, gibt es verschiedene Lösungsansätze, die sich auf unterschiedliche Aspekte konzentrieren. Dies sind z. B. Investitionskosten, Betriebskosten, Platzbedarf, Leistung oder Umweltfreundlichkeit. Auf der hydraulischen Seite der Antriebseinheit kann die Optimierung auf einen oder mehrere dieser Aspekte über die Systemarchitektur und das Design der Komponenten mit verschiedenen standardisierten Konzepten erreicht werden. Die Optimierung der elektromechanischen Energiewandlung wird durch eine geeignete Wahl des Energiemanagements erreicht. Es gibt mehrere Konzepte, die sich in ihren Optimierungszielen, Vorteilen und der Komplexität unterscheiden, siehe z.B. [4]. Typische EAS-Lösungen, insbesondere für einachsige Anwendungen, sind als Energieverbraucher konzipiert. Bei Prozessen, bei denen der weitaus überwiegende Anteil der Energie für die Verformung oder thermische Behandlung des Bauteils verwendet wird (z. B. bei der Metallumformung und bei Pressen), ist die potenziell regenerierbare Energiemenge vernachlässigbar. Das einfachste und daher am weitesten verbreitete Konzept in solchen Systemen ist der Einsatz von AC-AC-Frequenzumrichtern, die direkt an das Stromnetz angeschlossen sind und die Servomotoren antreiben. Diese Geräte bestehen aus einem Gleichrichter, der die Wechselspannung fester Frequenz in den Gleichstrom-Zwischenkreis (DC-Bus) transformiert, und einem Wechselrichter zur Erzeugung der variablen Wechselspannung in einem Bauteil und sind daher sehr platzsparend und kostengünstig. Die Verwendung von Ableitwiderständen zur Wärmeableitung von überschüssiger Energie ist eine gängige und wirtschaftliche Lösung, z. B. in vielen Anwendungen der Metallumformung. Die wirtschaftlichen Vorteile dieser Lösung liegen vor allem in den Investitionskosten, da die Anzahl und Komplexität der benötigten Komponenten recht gering ist. Allerdings sind die Anforderungen an die installierte Leistung und die Nennleistungen aller Komponenten im gesamten Antriebsstrang hoch, da sie von den Leistungsspitzen des Arbeitszyklus und nicht von der mittleren Leistung über die Zeit bestimmt werden. Je nach Anwendung kann das Verhältnis zwischen Spitzenleistung und mittlerer Leistung sehr hoch sein, was diese Lösung ungünstig macht. 1.2 EAS-Lösungen mit Energiemanagement Bei vielen Anwendungen, wie auch bei der hier vorgestellten, stehen nicht nur die Investitionskosten im Vordergrund, sondern auch das Optimierungsziel der Betriebskosten, des Platzbedarfs und der installierten Leistung, um die Anforderungen an den Aufstellungsort zu reduzieren. Reidl et al. [4] beschreiben den Einfluss des Verhältnisses von durchschnittlicher Leistungsaufnahme zu Spitzenleistung. Um die installierte Leistung und die Betriebskosten einer Maschine zu reduzieren, ist die Energieeffizienz eine der entscheidenden Anforderungen an die Antriebstechnik. Dieser Wirkungsgrad kann durch die Verringerung der Verluste auf der Komponentenseite und durch die Rückgewinnung von überschüssiger Energie aus dem Arbeitszyklus verbessert werden. Da die EAS-Technologie die Hauptverluste an den Hydraulikventilen eliminiert, indem sie die Drosselsteuerung durch Servoventile ersetzt und die Anzahl der anderen hydraulischen Widerstände reduziert, ist ihr Wirkungsgrad besser als der von EH-Systemen. Moderne Hydrauliksysteme nutzen jedoch häufig ein hydraulisches Energiemanagement, bei dem die Spitzen- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 43 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen leistung des Systems von Hydraulikspeichern und die mittlere Leistung von den Verdrängerpumpen des Hydraulikaggregats (HPU) bereitgestellt wird, wie (1) in Abbildung 2. Auch wenn diese Systeme in Bezug auf den Verbrauch nicht besonders energieeffizient sind, stellen sie doch vorteilhaft niedrige Anforderungen an die installierte Leistung. Wenn ein EAS in einer bestimmten Anwendung eingeführt werden soll, um die Energieeffizienz zu verbessern (möglicherweise neben anderen fallspezifischen Vorteilen dieser Technologie), erlaubt es das unterschiedliche Arbeitsprinzip nicht mehr, die Vorteile des hydraulischen Energiemanagements zu nutzen. Stattdessen muss die Aufgabe des Energiemanagements auf die elektrische Seite des Systems verlagert werden. Der zuvor beschriebene einfache dissipative Ansatz kann diese Funktionalität natürlich nicht bieten und könnte sogar eine Erhöhung der installierten Leistung im Vergleich zu einem konventionellen System bedeuten, was unerschwinglich ist (siehe (2) in Abbildung 2). Daher kann nur der intelligente Einsatz fortschrittlicherer und komplexerer Energiemanagementsysteme die EAS in die Lage versetzen, die anspruchsvolle Kombination von Anforderungen moderner Antriebssysteme zu erfüllen. Durch den Einsatz eines zusätzlichen Active Front End (AFE) kann die aus dem Lastzyklus zurückkommende Energie wieder in das Netz übertragen werden, ohne die Energie im internen DC-Bus des Systems zu speichern. Dies führt zu geringen Anforderungen an die Größe des DC-Busses des Systems, kann aber auch zu einer hohen Kurzschlussleistung am Transformator/ Netzanschlusspunkt führen, was die Anforderungen an die Einspeiseleistung noch weiter erhöht. Diese Anforderungen an den Aufstellungsort in Kombination mit dem Risiko der Beeinflussung anderer Anlagen durch Rückwirkungen von Oberschwingungen und den hohen Investitionskosten der AFE disqualifizieren dieses Energiemanagementkonzept für bestimmte Anwendungen. Abbildung 2: (1) konventionelle hydraulische Lösung (EH); (2) einfache EAS-Lösung; (3) EAS-Lösung mit Energiemanagement 44 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Abgesehen von den höheren Installationskosten wollen oder dürfen viele Anwender die Energie nicht in das Netz zurückspeisen, sondern müssen sie im Zwischenkreis speichern, z. B. in einer elektrischen Energiespeichereinheit wie einer Kondensatorbatterie. Diese Speichereinheit kann an den internen DC-Bus des kompakten AC-AC- Antriebs angeschlossen werden, um eine hohe Energieeffizienz in Kombination mit niedrigen Anschaffungskosten zu erreichen (siehe (3) in Abbildung 2). Energie, die aus dem System zurückkommt, sowie Pufferenergie aus dem Netz kann im DC-Bus gespeichert werden, um sie in der Hochlastphase des Arbeitszyklus zu nutzen. Um das System noch weiter zu verbessern, können der Gleichrichter und der Wechselrichter in Kombination mit einem Energiespeicher getrennt werden, um den Gleichrichter und damit die installierte Leistung und die Anforderungen an das Netz zu reduzieren. Eine solche dezentrale Systemarchitektur ist besonders vorteilhaft für mehrachsige Systeme mit synchronisiertem Arbeitszyklus, da die Gleichrichtereinheit mehrere Achsen auf sehr kostengünstige Weise versorgen kann. 1.3 Ausweitung des Anwendungsbereiches: Prüfung Prüfanwendungen haben als Anwendungen mit einem bedeutenden schnellen Bewegungsmodus ein sehr hohes Potenzial für das Energiemanagement, da es eine dominante Bremsphase gibt, die Energie in den elektrischen Zwischenkreis zurückführt. Im speziellen Fall von Prüfanwendungen ist die Belastung des Prüflings in der Regel zyklisch, oft sinusförmig und manchmal mit sehr hohen Frequenzen. Bei Belastungstests soll sichergestellt werden, dass die eingebrachte Energie nicht durch plastische, sondern durch elastische Verformung absorbiert und ein erheblicher Teil der Energie wieder an das System abgegeben wird. Das sehr schnelle Bewegungs- und Belastungsprofil, ähnlich einer Federkennlinie, enthält einen sehr hohen regenerativen Anteil, der durch ein gutes Energiemanagementkonzept wieder genutzt werden kann. Die Ableitung der Energie über Blindwiderstände ist für diese Anwendungen nicht zu empfehlen, da die hohe Frequenz eine große durchschnittliche Energiemenge in sie einbringen würde und die Bauteile sehr groß sein müssten. Aber auch der Einsatz eines aktiven Netzteils für hochfrequente und schnelle Tests ist mit einem überproportional großen Bauteilaufwand verbunden. Aufgrund dieser zyklustypischen Anforderungen bietet sich ein AC-AC-Netzteil mit einer Kondensatorbatterie im internen Zwischenkreis als geeignetes Energiemanagementsystem an. Bei dieser Lösung muss nur die Verlustenergie aus dem Netz eingespeist werden, während die zurückgespeiste Bremsenergie im Zwischenkreis zwischengespeichert und anschließend wieder in das System eingespeist wird. Dies führt zu einem sehr energieeffizienten System mit geringen Anschaffungskosten, insbesondere für einachsige Prüfanwendungen. 2. Motivation, Spezifikation und Anforderungen an die Beispielanwendung Die Entwicklung und Qualitätsüberwachung von federnden, hochbelasteten Fahrzeugkomponenten, wie Fahrwerksfedern und Stabilisatoren, erfordert möglichst betriebsnahe Schwingungsprüfungen. Wesentliche zu prüfende Qualitätsmerkmale sind z.B. die Festigkeit unter möglichst realistischen Belastungs-, Temperatur- und Klimabedingungen. Die Anforderungen an einen Dauerlaufprüfstand für elastische Bauteile sind die Aufbringung großer Kräfte in Kombination mit großen Hüben und gleichzeitig einer hohen Anzahl von Schwingungen. Beispielsweise erfordert die Ermüdungsprüfung einer Achsfeder aktueller Fahrzeuge eine dynamische Oberlast von 25 kN und einen Schwinghub von 180 mm bis zu einer Grenzzahl von 10 6 Lastwechseln. Um eine ausreichende statistische Sicherheit bei der Lebensdauerabschätzung zu erreichen, müssen mindestens zehn Bauteile geprüft werden. Neben einer hohen Prüfgeschwindigkeit zur Verkürzung der Prüfzeit erfordert das Verfahren auch eine hohe Energieeffizienz bei der Prüfung. Dieses Beanspruchungsfeld lässt sich hervorragend mit Resonanzprüfständen abdecken. Die IABG entwickelt seit mehreren Jahrzehnten energieeffiziente Dauerlaufprüfstände auf Resonanzbasis, wie sie in Abbildung 3, die die oben genannten Parameter in einem Prüfstand vereinen. Abbildung 3: Prüfstand Als Ergänzung zu den hocheffizienten Resonanzprüfständen hat die IABG den Bedarf nach mehr Flexibilität und Vielseitigkeit erkannt und dies mit einem neuartigen Prüfstandskonzept umgesetzt, ohne dabei die Energieeffizienz zu vernachlässigen. Ein modulares Multitalent für flexiblen Einsatz, Betriebsfestigkeit, Funktionsprüfung und Komfortbewertung. Basis ist ein neu entwickelter energieeffizienter elektro-hydrostatischer Direktantrieb in einem modularen Lastrahmen. Als Alternative zur Standardhydraulik hat sich der elektro-hydrostatische Antrieb aufgrund seiner Vielseitigkeit als System der Wahl erwiesen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 45 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Auf dem von der IABG neu entwickelten VTRC (Variable Test Rig for Resilient Components) kann die Funktion und Lebensdauer von Federn und Stabilisatoren einschließlich aller zugehörigen Komponenten wie Federteller, Lager oder Koppelstangen für Stabilisatoren von PKWs unter klimatischen Bedingungen getestet werden. In solchen und vergleichbaren Anwendungen ist die enorme Energieeffizienz der neu entwickelten Antriebe ein großer Vorteil. Durch den hohen Wirkungsgrad lässt sich der Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen hydraulischen Antrieben mit Proportionalventilen um bis zu 70 Prozent reduzieren. Beim Einsatz mit federbelasteten Prüfteilen wird durch das Rückspeiseprinzip der Antriebe zudem Spannenergie in das System zurückgeführt. Diese Energie steht für gleichzeitige, asynchrone Bewegungen anderer Antriebe zur Verfügung oder kann zyklusabhängig in einem Gleichspannungszwischenkreis zwischengespeichert werden. Bei herkömmlichen hydraulischen Systemen bleibt diese Energie als Verlustenergie ungenutzt und muss über einen Wärmetauscher abgekühlt werden. Mit der Möglichkeit, ein zweites System asynchron zu betreiben, lassen sich die Gesamtbetriebskosten weiter senken. Die hohe Flexibilität erlaubt es zudem, verschiedene Komponenten in einer Anlage zu testen, um die Auslastung zu optimieren und die Produktivität zu steigern. Darüber hinaus bildet der verschleißarme Antrieb die Grundlage für eine hohe Verfügbarkeit der Gesamtanlage. Dank der kompakten Bauweise kann der Antrieb als weiterer Vorteil oberhalb der Prüflinge platziert werden. Dadurch benötigt das System deutlich weniger Bauraum als vergleichbare Produkte. Diese Bauweise verbessert auch den Verrohrungs- und Wartungsaufwand. Da die neuen IABG-Prüfstände lediglich die Netzversorgung als einzige Schnittstelle benötigen, können die Systeme unabhängig von anderer Infrastruktur betrieben werden. 3. Gemeinsamer Lösungsprozess Ausgehend von den anfänglich gegebenen Anforderungen hat sich die Zusammenarbeit zwischen der IABG und Moog als äußerst effektiver Ansatz erwiesen, um ein flexibles, energieeffizientes und robustes Konzept mit einer kleinen und beweglichen Maschinenaufstellfläche zu entwickeln. Insbesondere die Forderung nach einem kundenspezifischen Design der Baugruppe ist eine der gemeinsamen Entwicklungen, die perfekt zu den standardisierten EAS-Konzepten von Moog passt. Um die beste Lösung für das Energiemanagement zu finden, nutzten die Spezialisten der Moog-Standorte in Bettembourg (LUX) und Böblingen (GER) ihre große Erfahrung in der Konstruktion und Simulation kompletter Maschinenachsen und der Leistungselektronik und arbeiteten im Simultaneous Engineering eng mit den Testexperten der IABG zusammen. 3.1 EAS-Designkonzept In dem vorgeschlagenen EAS-Konzept wurde ein offener Vorlast-Hydraulikkreislauf gewählt, der auf einer elektro-hydrostatischen Pumpeneinheit (EPU) in Kombination mit einem Zylinder mit gleichem Querschnitt basiert. Ein hervorstechender Vorteil dieser Pumpenkonstruktion, die von einer Radialkolbenpumpe abgeleitet ist, ist die Fähigkeit eines permanenten Lasthaltebetriebs, der statischen Lasthaltung unter kontrollierten Bedingungen über mehrere Stunden hinweg ermöglicht. Da das System sowohl dynamische als auch statische Tests erfordert, ist dieses Pumpendesign in Kombination mit der hohen Pumpendrehzahl von 3700 U/ min die effizienteste und robusteste Wahl. Ein weiteres starkes Argument für die EPU ist die Option der doppelten Verdrängung, die es ermöglicht, statische Tests mit einer geringeren Verdrängung und einem viel geringeren erforderlichen Drehmoment durchzuführen und somit den Motor und die Leistungselektronik zu verkleinern. Die Anforderungen an ein System, das ständig mit hoher Leistung und hoher Zuverlässigkeit läuft, begünstigen den Einsatz einer externen kleinen Boost-HPU. Die Hauptfunktion dieser Boost-HPU besteht darin, das Hydrauliksystem mit einem niedrigen Druck von ca. 5-10 bar zu beaufschlagen, um die volle Leistungsfähigkeit der hohen Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie den Vier-Quadranten-Betrieb der EPU zu ermöglichen, unabhängig von Zylinderhub, Öltemperatur oder Druck im Arbeitszyklus. Darüber hinaus dient es dazu, eine angemessene Öltemperatur und -qualität unter allen Arbeitsbedingungen zu gewährleisten. Zur Unterstützung der Vier-Quadranten-Konstruktion der EPU, die die Grundlage sowohl des hydraulischen Antriebsstrangs als auch des elektrischen Energiemanagementsystems bildet, sind einige Standard-Hydraulikfunktionen wie Druckentlastung und Rückschlagventile in den EAS-Hauptverteiler integriert. Darüber hinaus werden mehrere Sicherheitsfunktionen des Systems durch eine STO-Funktion (Safe-Torque-Off) im Frequenzumrichter sowie durch sicherheitsrelevante Cartridge-Ventile auf der Zylinderseite erreicht; dargestellt in Abbildung 4. 46 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 4: Hydraulikschema des verwendeten EAS-Konzepts 3.2 Dimensionierung und Simulation Für die Dimensionierung des Systems müssen mehrere Betriebspunkte als äußere Grenzen des Arbeitskennfeldes erkannt werden. Diese Arbeitspunkte sind durch die Frequenz der Zylinderbewegung gegeben, die die maximale Geschwindigkeit, die maximale Beschleunigung und die benötigte Kraft zum Belasten der Feder definiert. Das Arbeitskennfeld muss bei horizontaler oder alternativ bei vertikaler Zylinderanordnung anwendbar sein; zusätzlich ist sowohl wechselnde als auch pulsierende Belastung möglich. Ein weiterer vorgegebener Freiheitsgrad besteht darin, das System mit doppelter Frequenz bei halbem Hub bei gleicher Maximalgeschwindigkeit durch Verdoppelung der Beschleunigung anzutreiben. In einem iterativen Optimierungsprozess unter Einsatz von Simulations- und Auslegungswerkzeugen wie Matlab/ Simulink und ServoSoft wurden die Abmessungen des Zylinders und die Größe der Pumpe mit einem bestimmten Verdrängungsvolumen festgelegt. Abbildung 5: Modell der Systeme 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 47 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Die ermittelte p-Q-Funktion, die die erforderlichen Druck- und Volumenströme während des Bewegungszyklus beschreibt, wird als Input für das Modell der elektrischen und hydraulischen Systeme verwendet (siehe Abbildung 5). Das Pumpenverhalten des EPU (z. B. Leckagen und Verluste) wird mit Hilfe eines von Schraft et al. [5] beschriebenen neuronalen Netzansatzes berücksichtigt, was zu einer Beschreibung des elektrischen Leistungsbedarfs über die Zeit führt. Abbildung 6: Leistungsbedarf und entsprechende Zwischenkreisspannung Das Leistungsbedarfsprofil wie in Abbildung 6 ist die Grundlage für die Dimensionierung der benötigten elektrischen Leistung im Zwischenkreis des Frequenzumrichters und für den Frequenzumrichter selbst. Im jeweiligen Zyklus muss die Kompressionsenergie der Feder in elektrische Energie umgewandelt und in der elektrischen Leistung gespeichert werden. Dies führte zu einer Verringerung der Antriebsgröße um 20 bis 30 % im Vergleich zu einer Lösung ohne elektrisches Speichersystem und zu einer erheblichen Minimierung des Anzapfwiderstands, wodurch die Abwärme und der Bedarf an Kühlkapazität verringert werden. Als Energiespeicher werden Elektrolytkondensatoren verwendet, da dies die optimale Lösung in Bezug auf Robustheit, Lebensdauer und Effizienz ist. Für die erste Bewegung wird die gesamte Energie aus dem Netz entnommen. Für alle folgenden Bewegungszyklen wird nur die Verlustleistung aus dem Netz entnommen, während die Bewegungsenergie wiederverwendet wird; dies ist im Folgenden dargestellt Abbildung 7 (als Beispiel gewählter Betriebszustand). Dennoch ist das elektrische Antriebssystem hinsichtlich Drehmoment, Kapazität im Zwischenkreis und maximalem Motorstrom des Elektromotors der EPU so ausgelegt, dass der Prüfzyklus aus einer lastfreien Endlage gestartet werden kann. Dies ist eine Voraussetzung für die Aufbringung einer pulsierenden Last auf den Prüfling. Abbildung 7: Leistungs-/ Energiebedarf für pulsierende Last bei 1,5 Hz 48 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Die Verringerung der benötigten Einspeiseleistung führt auch zu einer Reduzierung der Größe und der Kosten des Schaltschranks und der darin enthaltenen Komponenten wie Sicherungen, Schalter oder Kabel. Daher ist die Amortisationszeit der zusätzlichen Kosten für das Elektrolytkondensatorsystem relativ kurz (1-2 Jahre, abhängig von der Anzahl der Prüfstunden). Darüber hinaus bietet die Flexibilität des konzipierten Systems die Möglichkeit, eine weitere hydrostatische Achse mit einem dedizierten DC-AC-Antrieb (ohne integrierte Gleichrichterstufe) an den gemeinsamen DC-Zwischenkreis anzuschließen und dabei sowohl die Einspeiseleistung als auch den Kondensatorspeicher zu nutzen. Dies führt zu einer einfachen Aufrüstung des Systems mit einer (geringen) zusätzlichen elektrischen Kapazität zum bereits vorhandenen Zwischenkreis. 3.3 Maßgeschneiderte Lösung für die Prüfstandsintegration Sowohl der hydraulische als auch der elektrische Teil des Antriebssystems sind auf einem tragbaren Rahmen untergebracht, um die Anforderungen der IABG an eine hochflexible und leicht bewegliche Einheit, das sogenannte "Power Rack", zu erfüllen. Der Aktuator selbst, der Gleichgangzylinder und die Halterung für den Prüfling sind direkt auf dem Prüfstand montiert. Die hydraulische Verbindung wird durch kurze Schläuche hergestellt, wobei die Einschränkungen der Systemdynamik berücksichtigt werden. Für diesen Aufbau von geteilten Hydraulikbaugruppen waren die Standardkonfigurationen der modularen EAS-Produkte von Moog nicht ohne weiteres einsetzbar. Speziell für diese Anwendung wurde eine kundenspezifische Lösung mit einem Hydraulikverteiler auf dem Power Rack und einem hydraulischen Sicherheitsverteiler auf dem Prüfstand entwickelt, die beide auf dem modularen EAS-Standard basieren. Alle Anforderungen an die funktionale Sicherheit im Automatikbetrieb sowie im Einrichtbetrieb wurden berücksichtigt und umgesetzt. Das Power Rack umfasst das Hydraulikaggregat, bestehend aus der EPU, der Boost-HPU, einem kleinen Akkumulator sowie dem Filter- und Kühlkreislauf. Um dem Szenario des mobilen Einsatzes gerecht zu werden, ist ein drehzahlgeregelter Luftkühler notwendig, der lastabhängig arbeitet. Alle hydraulischen Anschlüsse sind auf einer Schottleiste mit Schnellkupplungen geführt. Wie in Abbildung 8 dargestellt, ist auch der Schaltschrank, inkl. Frequenzumrichter mit Kondensatoren und SPS, auf dem Rahmen montiert. Dadurch kann die komplette elektrische Verdrahtung der Hauptkomponenten lokal am Rahmen ausgeführt werden; die elektrische Systemschnittstelle umfasst nur den Netzanschluss und einen einzigen Feldbusanschluss für die Prüfstands-Sensorsignale. Abbildung 8: Power Rack 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 49 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Im Gegensatz zu fest eingehausten Maschinen, die vergleichbare hydraulische Systeme verwenden, ist der Aktuator, der gefährliche Bewegungen ausführt, sehr exponiert. Der Nutzer des Systems wird in jedem Fall in die Nähe des hydraulischen Aktuators kommen. Dies können wie im konkreten Fall ein Linearzylinder und auch ein Schwenkantriebe sein. Anders als bei geschlossenen Maschinen, bei denen vergleichbare hydraulische Systeme verwendet werden, ist der Gefahr bringende Aktuator sehr exponiert. Die Zugänglichkeit ist nicht zu vermeiden, weil das flexible System variabel mit Prüflingen bestückt werden muss. Um dem Rechnung zu tragen, wurde eine Sicherheitskonzept erarbeitet. Es deckt volle Situationen ab. - Prüfbetrieb - Einrichtbetrieb - Störungsfall Für alle Szenarien ist der oben genannte Sicherheitsblock direkt am Aktuator Voraussetzung. Er muss fest verrohrt in der Nähe des Zylinders installiert werden. Der Block ist mit redundanten Sicherheitsventilen pro Kolbenseite ausgerüstet. Die Ventile sind monostabil und im stromlosen Zustand geschlossen. Die Bestückung beider Kolbenseiten ist die Voraussetzung für eine variabel Einbaulage des Zylinders. Im Prüfbetrieb wird der Bediener durch eine zugehaltene und trennenden Schutzeinrichtung vor der Gefährdungsstelle geschützt. Im Einrichtbetrieb ist die unmittelbare Nähe zum Aktuator notwendig, um die Prüflinge zu positionieren und in deren Adaption zum Prüfsystem zu fixieren bzw. leicht vorzuspannen. In diesem Zustand muss eine sichere Geschwindigkeit mit sicherheitsgerichteten Bauelementen realisiert werden. Der Tastbetrieb ist eine weitere Lösung zum sicheren Einrichten. Durch eine Drossel im Sicherheitsblock wird der Volumenstrom zum Zylinder mechanisch inhärent reduziert und eine sichere Geschwindigkeit gewährleistet. Im Gegensatz zu einer Druckreduzierung wird die Geschwindigkeit fest eingestellt und der Prüfling kann bereits mit Kraft beaufschlagt werden. Im Störungsfall wird immer auf eine Rückfallebene zurückgegriffen. Diese basiert darauf, dass das Öl in beiden Zylinderkammern durch die jeweils redundant ausgeführten Sicherheitsventile eingesperrt wird. Der Zylinder wird dadurch an jeglicher Bewegung, selbst unter Last, gehindert. Das hydraulische System wird insgesamt drucklos gehalten. Dafür wird die sicherheitsgerichtete Funktion STO (safe torque off) des Umrichters genutzt. Im Störungsfall werden alle Ventile geschlossen und der Antriebsmotor der EPU in den Zustand STO versetzt. Das System ist in Form von Moment, Kapazität Zwischenkreis und maximaler Motorstrom des E-Motors der EPU so ausgelegt, dass der Prüfzyklus aus einer lastfreien Endlage angefahren werden kann. Dies ist Voraussetzung für das Aufbringen einer schwellenden Last am Prüfling. Mobiler Einsatz bedingt Luftkühlung und lastabhängig/ umgebungstemperaturabhängig drehzahlvariablen Lüfterantrieb. 3.4 Bewegungssteuerung und Automatisierungskonzept Zur Automatisierung und Überwachung der gesamten Anlage wird eine kombinierte Beckhoff SPS und Sicherheitssteuerung eingesetzt. Wie in Abbildung 9 dargestellt, kommuniziert die kombinierte Anlagen- und Sicherheitssteuerung mit dem Umrichter und dem Zusatzgerät über einen EtherCAT-Bus, der eine Datenübertragung in Echtzeit ermöglicht. Diese Basisarchitektur ermöglicht eine flexible Erweiterung des Systems. So können beispielsweise weitere Messkanäle einfach in das System und den Datenbus integriert werden. Auch zusätzliche Peripheriegeräte, wie sie z. B. für Korrosions- und Umwelttests benötigt werden, lassen sich einfach über EtherCAT ansteuern und integrieren. Darüber hinaus ist diese Architektur auch hinsichtlich der Implementierung der Algorithmen zur Aktorsteuerung sehr variabel. 50 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 9: PLC- und Bewegungssteuerungskonzept 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 51 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Zum einen können Firmware-Funktionen des Umrichters z.B. für die Lageregelung des Antriebs genutzt werden. Das optional integrierte Hydraulik-Firmwarepaket des Moog MSD-Servoantriebs bietet einen Kraftregelmodus, einen Lageregelmodus oder einen Lageregelmodus mit Kraftbegrenzung. Auch im Hinblick auf die technischen Grenzen des EPU ist eine aktive Dämpfung und Kompensation von Rohrdynamik und Resonanzeffekten sowie eine Leckagekompensation implementiert. Die Sollwerte werden in diesem Fall in Echtzeit auf der SPS berechnet und über EtherCAT an den MSD-Servoantrieb übertragen. Dieser Ansatz ist vor allem für einfache Regelungsaufgaben sinnvoll. Zum anderen können die Regelalgorithmen alternativ in der SPS implementiert werden. Dieser Ansatz bietet entscheidende Vorteile, wenn komplexere Regelungsaufgaben, wie z. B. nichtlineare oder adaptive Regelungsalgorithmen, angewendet werden sollen oder wenn mehrere Achsen in einem System betrieben werden sollen. In diesem Fall können die Vorteile des Energiemanagementsystems voll ausgeschöpft werden. Darüber hinaus ist in Kombination mit einer durchgängigen Werkzeugkette aus Simulationsumgebungen wie MATLAB-Simulink auf diese Weise eine effiziente Implementierung komplexer Regelungen möglich, da die Algorithmen zunächst anhand eines numerischen Modells der Anlage entwickelt, optimiert und getestet und anschließend effizient auf das Zielsystem übertragen werden können. Darüber hinaus ist es möglich, diese beiden Ansätze zu kombinieren. So kann beispielsweise ein grundlegender Lageregelkreis, der auf dem Umrichter implementiert ist, leicht für übergeordnete Regelkreise, wie nichtlineare Kraftregelkreise oder adaptive Amplituden-Phasen-Regler, die auf der SPS implementiert sind, erweitert werden. Moog hat für alle gängigen SPS-Systeme EAS-spezifische Steuerungssoftwaremodule entwickelt, die die genannten Grundfunktionen für den Betrieb einer EPU umsetzen. Insgesamt ergibt sich so eine große Spielwiese, die es ermöglicht, auf spezifische Anforderungen zugeschnittene Regelalgorithmen schnell und effizient zu implementieren und in Betrieb zu nehmen. Ein im Bedienterminal integrierter PC stellt die Oberfläche für den Benutzer dar. Neben einer grafischen Benutzeroberfläche zur Bedienung und Parametrierung des Prüfsystems können hier weitere Softwaremodule implementiert werden, die nicht in Echtzeit ausgeführt werden müssen. Beispiele sind Funktionen zur automatischen Testauswertung und Reportgenerierung, Schnittstellen zu Datenbanken oder Software zur Testautomatisierung. 4. Zusammenfassung und Schlussfolgerung In diesem Beitrag haben wir das Beispiel einer effizienten Schwingfestigkeitsprüfung und die Vorteile der EAS- Technologie für Anwendungen mit einer großen Anzahl von Energieumwandlungszyklen aufgezeigt. Es wurde auf den geringen Platzbedarf des hydraulischen und elektrischen Antriebs in Verbindung mit höchster Flexibilität bei der Prüfstandsanordnung hingewiesen. Der Hauptvorteil liegt in der Optimierung des Energieverbrauchs, insbesondere in der Verringerung des Energiebedarfs für die Einspeisung. Diese Lösung macht den EAS-Ansatz zu einer technisch und wirtschaftlich sinnvollen Option auch für Konstellationen, in denen nicht nur die Betriebskosten, sondern auch die installierte Leistung und die Investitionskosten hoch sind. Der Anwendungsbereich der Technologie wird dadurch erweitert. Die Modularität des Aufbaus, sowohl auf der hydraulischen als auch auf der elektrischen Seite, ermöglicht darüber hinaus mehrere Erweiterungsmöglichkeiten. Zusätzliche Mehrfachprüfantriebe, z.B. für die asynchrone Prüfung von zwei oder vier Prüflingen auf einem Prüfstand, können mit einer gemeinsamen Boost-HPU kombiniert werden. Der gekoppelte DC-Bus, der die Umrichter mit einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher verbindet, ermöglicht es, rekuperierte Energie zwischen den Achsen zu teilen und zu verschieben, was wiederum Kosten, Platzbedarf, Gesamtenergieverbrauch und insbesondere den Bedarf an Einspeiseleistung reduziert. Daher ist der vorliegende Prototyp nur als erster Schritt zur Erweiterung der Leistungs- und Machbarkeitsgrenzen der EAS-Technologie zu sehen. Weitere Schritte werden folgen, sowohl in verwandten Anwendungen auf dem Testmarkt als auch in anderen Anwendungen, in denen diese Vorteile zum Tragen kommen. In unserem konkreten Beispielfall wird die nächste Evolutionsstufe eine weitere Reduzierung der Einspeiseleistung in einer Mehrachsenumgebung vorsehen. Dies wird durch ein in [4] vorgeschlagenes Konzept erreicht, bei dem eine gemeinsame AC-DC-DC-Einspeisung oder eine AFE, die eine große passive Kondensatorbank auflädt, als Stromquelle für mehrere DC-AC-Wechselrichter dient. Die Inbetriebnahme des Prototyps ist für März 2022 geplant und wird von der Validierung des beschriebenen Konzepts gefolgt. Weitere Optionen ergeben sich aus der Skalierbarkeit dieses Prüfstandskonzepts für unterschiedliche Federbelastungen, da die Modularität der Moog EAS-Toolbox die Kombination verschiedener EPU-Größen mit den entsprechenden hydraulischen Grund- und Sicherheitsverteilern, HPU-Größen und Frequenzumrichtertypen und -größen erlaubt. 52 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Flexible und Energieeffiziente Prüfsysteme für Dauerlaufprüfungen: Herausforderungen und Lösungen Literatur [1] Becher, D., Electrohydrostatic actuation system an (almost) complete system view, In: 12th International Fluid Power Conference, 12. IFK, Dresden, Deutschland, 12. bis 14. Oktober 2020. [2] Brahmer, B., On adaptive electro hydrostatic actuators, In: 11th International Fluid Power Conference, 11. IFK, Aachen, Deutschland, 19-21, März 2018. [3] Händle, W., Kirch, K. , Das Beste aus zwei Welten, Case Study - Electro hydrostatic actuation system, Moog Inc. https: / / www.moog.com/ content/ dam/ moog/ literature/ ICD/ Moog_The_Best_of_Both_ Worlds.pdf, Zugriff am 25. Januar 2022. [4] Reidl, T. , Weber, J., Ihlenfeldt, S. , Investigation of energy management topologies for forming presses with electro hydrostatic drivetrains, In: 12th International Fluid Power Conference, 12. IFK, Dresden, Deutschland, Oktober 12-14, 2020. [5] Schraft, J. P., Becher, D., Weber, J. Condition monitoring strategy for pump-driven hydraulic axes, In: BATH/ ASME 2020 Symposium on Fluid Power and Motion Control, September 9-11, 2020. [6] Ristic, M. , Wahler, M. , Elektrifizierung der Hydraulik eröffnet neue Wege für intelligente energieoptimierte Systeme, In: 11th International Fluid Power Conference, 11. IFK, Aachen, Germany, March 19-21, 2018. [7] Putz, M., Blau, P., Energy storage in drive systems of servo presses for reduction of peak power and energy recovery, In: 18th European Conference on Power Electronics and Applications, Karlsruhe, Germany, September 5 -9, 2016. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 53 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen Andreas Zörnig Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Christian Daniel Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Hendrik Schmidt IKAM GmbH, Magdeburg Elmar Woschke Institut für Mechanik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Zusammenfassung Zur mechanischen Prüfung von Kugelgleichlaufgelenkwellen werden Verspannungsprüfstände genutzt. Das Institut für Kompetenz in AutoMobilität (IKAM), das sich auf die Untersuchung von Fahrzeugteilen wie Gelenkwellen spezialisiert hat, und der Lehrstuhl für Technische Dynamik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg entwickeln derzeit eine Methode, bei der mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) der Verschleißzustand zerstörungsfrei im Betrieb erfasst werden kann. Die DMS sind dabei am Außenteil des Gelenks appliziert, sodass eine Änderung der Kontaktkraft der Kugeln aufgrund einer Materialabtragung zu einer messbaren Änderung der Dehnung führt. Die entsprechenden Messdaten werden über ein Telemetriesystem direkt aus dem rotierenden System übertragen. Ein Prüfprogramm dient der diskontinuierlichen Ermittlung des Schadensausmaßes. Nach einer Auswertung unter Nutzung statistischer Kenngrößen kann auf die Größe und den Ort des Schadens geschlossen werden, wodurch Lebensdauertests im Bewusstsein des Beginns eines Schadens frühzeitig beendet und daher Prüfkosten und Ressourcen eingespart werden können. 1. Prüftechnik für Gelenkwellen Kugelgleichlaufgelenkwellen werden in Verspannungsprüfständen Lebensdauertests unterzogen. Eine grobe Bestimmung des Verschleißes erfolgt üblicherweise über die Erfassung des Verdrehspiels mittels Drehwinkelsensoren an der Einspannstelle. Bild 1: AC-Festgelenk (Angular-Contact) von GKN Löbro, 1988 [10] Feste Kugelgleichlaufgelenke ermöglichen einen Versatzausgleich des Beugewinkels ohne Kardanfehler, Verschiebegelenke erlauben darüber hinaus den axialen Ausgleich. In Bild 1 ist ein Festgelenk dargestellt. Dieses besteht aus einer Welle, auf der eine Nabe befestigt ist. Das Außenteil als auch die Nabe besitzen 6 Laufbahnen, auf denen sich Kugeln befinden und das Drehmoment übertragen. Durch die Relativbewegung der Kugeln in Form einer kinematischen Kette wird der Winkelausgleich ermöglicht. Der Käfig dient der Steuerung der Kugelbewegung. Die Gelenke sind mit Fett versehen, um eine Lebensdauerschmierung zu gewährleisten [1], [2], [10]. 1.1 Lebensdauerprüfstände für Gelenkwellen Neben einfachen Torsionswechsellastaktuatoren gibt es zur Durchführung von Lebensdauerprüfungen Teststände, welche die Gelenkwelle vorspannen und einer kontinuierlich umlaufenden Beugung unterziehen. Beim Glaenzer-Prüfstand steht die Welle und das Gelenk wird umlaufend gebeugt [6]. Der Vorteil liegt darin, dass aufgrund der nicht rotierenden Teile keine rotierende Daten- und Energieübertragung notwendig ist. Heutzutage werden üblicherweise Vierquadrantenprüfstände genutzt 54 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen (siehe Bild 2). Hierbei drehen sich die durch ein Getriebe vorgespannten Gelenkwellen, sodass der Einfluss der Fliehkraft und der Schwerkraft besser berücksichtigt wird. Während der Tests können das Drehmoment, die Drehzahl, der Beugewinkel und die Länge eingestellt werden. Damit können real auftretende Lastzyklen, wie in einem Fahrzeug gefahren werden. Diese Tests werden an einer Maschine des Instituts für Kompetenz in Auto- Mobilität (IKAM), einen Aninstitut der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg durchgeführt. Bild 2: Vierquadrantenprüfstand für Gelenkwellen mit Telemetrie, Dehnungsmessstreifen, Beschleunigungs-, pyroelektrischen-, Drehmoment-, Axialkraft- und Winkelgeschwindigkeitssensoren am IKAM 1.2 Messverfahren zur Bestimmung des Verschleißes an Gelenkwellen Die Erkennung von Schäden in Wälzlagern ist in Wissenschaft und Technik ein viel betrachtetes Thema. Dabei werden häufig Beschleunigungssensoren appliziert und unter Nutzung mathematischer Methoden im Zeit- und Frequenzbereich kann auf den Schaden geschlossen werden [5], [8], [11], [15]. Auf dem Außenteil eines Gelenks befestigt, kann eine globale Aussage über Vorgänge im Inneren erfolgen. Eine grobe Aussage über den Verschleißzustand eines Gelenks lässt sich mit Drehmoment-, Drehwinkel- und pyroelektrischen Sensoren bewerkstelligen, wobei mit letzteren unterschiedlich erwärmte Laufbahnen sichtbar werden. Um hingegen Detailanalysen zu ermöglichen und den Verschleißzustand der einzelnen Bauteile eines Kugelgleichlaufgelenks zu bestimmen, ist es zielführend, so dicht wie möglich an den Kontaktstellen zu messen. Zu den möglichen Messverfahren, die eine selektive Kugelposition bestimmen könnten, gehören der Wirbelstromsensor, welcher in die Bauteile eingelassen werden müsste. Das Ultraschall Resonanzverfahren wäre für die komplizierte Geometrie des Außenteils wenig geeignet [12]. Die Signalqualität eines Mikrophons wäre von Maschinengeräuschen beeinträchtigt. Der Lasertriangulationssensor, das Laservibrometer, der konfokale Lichtsensor und das Ultraschalldickenmessgerät müssten für jede einzelne Bahn im System mit rotieren und daher einen erhöhten baulichen Aufwand bedeuten. Die Erfassung der Kugelbewegung per Kamera könnte nur ohne Dichtmanschette erfolgen. Eine Stromdurchgangsmessung an den Kugelkontaktstellen wäre nicht möglich, da Nabe, Käfig und Außenteil ständig in Kontakt sind und den Strom leiten. Für die Erfassung von Verschleißpartikeln im Fett wären Bohrlöcher an den Bahnen im Außenteil notwendig. Die favorisierten Dehnungsmessstreifen können direkt auf dem Außenteil auf der gegenüberliegenden Fläche des Kugel-Bahn-Kontakts appliziert werden [4]. Die Dehnung gibt indirekt Aufschluss über die Kontaktkraft. Jedoch wird ein Telemetriesystem benötigt. Dieses wird ebenfalls bei Beschleunigungssensoren benötigt. Generell ist die Signalerfassung aufgrund der begrenzten Übertragungsrate der Telemetrie eingeschränkt, sodass Hochfrequenzphänomene, wie die Entstehung und die Überrollung von Rissen, nicht erfasst werden. 2. Messungen Zur Erfassung der Dehnungen an den Kontaktstellen der Kugeln, werden am Außenteil Dehnungsmessstreifen angebracht. Ein kurzes Prüfprogramm mit verschiedenartigen Lasten dient dabei der gezielten Schadenserfassung. 2.1 Aufbringung der Dehnungsmessstreifen Die Dehnungsmessstreifen sollten in der Nähe des Kugel-Laufbahnkontakts appliziert werden. Die Anbringung an der Nabe oder am Käfig gestaltet sich schwierig, da hierzu entweder Platz durch Materialentfernung geschaffen oder der DMS weit entfernt angebracht werden muss. Weiterhin muss dazu der Dichtungsbalg entfernt werden. Am Außenteil bzw. an der Glocke können sie jedoch auf der Rückseite der Laufbahn angebracht werden. Die genaue Position befindet sich ungefähr dort, wo die Kugel sich im ungebeugten Zustand befindet. Es können DMS für alle sechs Laufbahnen appliziert werden. Die Dehnung ist aufgrund der komplexen Geometrie der Bauteile und der variierenden Kugelposition in der Laufbahn nicht proportional zur Kugelkontaktkraft. Die Dehnungen der sechs DMS unterscheiden sich auch ohne Verschleiß, denn Fertigungsabweichungen, wie der Laufbahnteilungsfehler, oder Messabweichungen, wie eine ungenaue Platzierung, beeinflussen die gemessene Dehnung. An der Oberfläche des Außenteils entsteht unter Last ein multiaxialer Spannungszustand, zu dessen Erfassung drei DMS in Form einer Rosette notwendig wären. Es wird jedoch nur die tangentiale Komponente mittels einer Viertelbrücke erfasst, damit das Telemetriesystem mit möglichst wenig Datenkanälen auskommt. In Bild 3 wird ein Außenteil mit DMS gezeigt, welche mit tempe- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 55 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen raturbeständigem Klebstoff befestigt und an den Ausdehnungskoeffizienten von Stahl des Außenteils angepasst sind. Die Datenübertragung erfolgt per Telemetriesystem auf Bild 2, welches aus einem Modul mit Batterie und Verstärker besteht, das auf der Welle befestigt ist. Das Signal wird über eine Bluetooth Schnittstelle mit einer Übertragungsrate von 600 Hz pro Kanal übertragen. Bild 3: Dehnungsmessstreifen am Außenteil eines UF- Kugelgleichlaufgelenks (Undercut-Free) 2.2 Vorbereitung des Prüflings Typische Verschleißschäden eines Kugelgleichlaufgelenks lassen sich in verschiedene Schweregrade unterteilen. Weiterhin ist der Ort des Schadens relevant. Hauptsächlich entstehen diese auf den Kontaktflächen von Kugel und Außenteil, Kugel und Nabe sowie Kugel und Käfig. In Bild 4 ist eine Nabe mit einem Pitting auf der Laufbahn dargestellt, was eine Folge der Materialermüdung in Form einer oberflächlichen Abbröckelung darstellt. Dieser Schaden kann nach Größe der Fläche und Position unterteilt werden. Üblicherweise beginnt dieser an der Stelle, wo die Kugel sich im ungebeugten Zustand befindet. Bild 4: Nabe mit Pitting Zur reproduzierbaren Bestimmung der Position und Größe des Schadens müssen Messungen mit unterschiedlichen natürlichen oder künstlichen Schäden durchgeführt werden [15]. Um Gelenke mit natürlichen Schäden zu erhalten, müssen entweder gebrauchte Teile verwendet oder verkürzte Lebensdauertests gefahren werden. Da mit einem Lebensdauertest aber kaum definierte Schäden erzeugt werden können und die Kosten sehr hoch sind, ist es naheliegend, künstliche Schäden durch Materialentfernung zu erzeugen. Diese können in ihrer Form, Länge, Breite, Tiefe und Laufbahnnummer variiert werden. Nachteilig ist die nicht ideale Übereinstimmung mit der Geometrie und Oberflächenformation eines Pittings. Bei den beschriebenen Versuchen wird die Variation der Breite und Position auf der Nabe untersucht. In Bild 5 ist ein rillenförmiger Einschnitt in Bahn zwei zu sehen, der quer zur Laufrichtung der Kugel verläuft, welcher von 1,5 mm bis 4,5 Breite variiert wird. Er befindet sich nur bei positiven Drehmomenten in Kontakt. Bild 5: Nabe mit künstlicher Rille 2.3 Testprogramm Unter der Voraussetzung, dass übliche Fertigungsabweichungen vorliegen und kein signifikanter Verschleiß auftritt, liegen die Kontaktstellen von Kugel und Außenteil sowie Kugel und Nabe bei einem Drehmoment von 100 bis 200 Nm an. Der Kontakt liegt dabei näher zur Mitte der Laufbahn. Bei 800 Nm Drehmoment wird die Laufbahn mehr im Bereich der Kante belastet. Mit steigendem Drehmoment werden die Laufbahnen gleichmäßiger belastet. Die maximale Dehnung aufgrund der maximalen Kontaktkraft tritt nicht am Umkehrpunkt der Kugel in der Laufbahn auf. Die Lage des Maximums bezüglich des Drehwinkels und die Höhe verändern sich mit dem Beugewinkel. Die Drehzahl von 100 U/ min wurde gewählt, um möglichst geringe Einflüsse durch Fliehkraft, Vibrationen, Massenkräfte und durch hohe Verlustleistung verursachte starke Ausdehnung der Bauteile und veränderte Reibungsbedingungen zu gewährleisten. Darüber hinaus kann so eine akzeptable Abtastrate pro Umdrehung erzielt werden. Ein weitere Reduktion der Drehzahl ist aufgrund der ungenauen Drehzahlregelung unter ho- 56 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen her Last bei sehr kleiner Drehzahl nicht ratsam. Mit einem Beugewinkel von 6 and 12 ° können verschiedene Stellen der Laufbahn belastet werden. Bild 6: Dehnung auf Bahn zwei bei verschiedenen Lastschritten eines neuen Gelenks Zur Reduktion zusätzlicher Kosten und des Einflusses auf den Lebensdauertest selbst, ist es notwendig, dass die Verschleißcharakterisierung während des Lebensdauertests oder in Form eines kurzen Testprogramms erfolgt. Dieses kann beispielsweise für ein paar Sekunden nach einigen Stunden innerhalb des Lebensdauertests erfolgen. Derzeit benötigt das Programm noch mehrere Minuten. In Bild 6 und Tabelle 1 ist das Programm, welches aus einer Matrix von jeweils konstanten kinematischen- und mechanischen Lastgrößen besteht, dargestellt. Mit der Aufnahme von periodischen Dehnungssignalen über einige Umdrehungen kann beispielsweise eine Mittelung vorgenommen oder eine Veränderung über mehrere Umdrehungen erkannt werden. Tabelle 1: Konstante Lasten verschiedener Programmschritte Programm Winkelgeschwindigkeit [U/ min] Drehmoment [Nm] Beugewinkel [°] 1 100 200 6 2 100 -200 6 3 -100 -200 6 4 -100 200 6 5 100 800 6 6 100 -800 6 7 -100 -800 6 8 -100 800 6 9 100 200 12 10 100 -200 12 11 -100 -200 12 12 -100 200 12 13 100 800 12 14 100 -800 12 15 -100 -800 12 16 -100 800 12 2.4 Zeitsignal der Dehnungen Die Umdrehungsfrequenz der Gelenkwelle beträgt 1,67 Hz bei 100 U/ min. Die dominierende Frequenz des Dehnungssignals liegt bei 3,33 Hz, da das Dehnungssignal pro Umdrehung zwei Maxima enthält, was mit der Kinematik des Gelenks und der Position der Dehnungsmessstreifen begründet werden kann (siehe Bild 7). Bild 7: Signal eines DMS auf Laufbahn zwei eines neuen Gelenks bei Programm 13 Wie in Bild 8 zu erkennen, ändert sich die Form signifikant mit der Last- und Drehrichtung. Bei veränderlicher Last ändert sich die Position und die Größe der Kontaktstellen. Die Drehrichtungsumkehr verursacht veränderte Bewegungsabläufe der Bauteile, welche von Reibung, Elastizität, Spiel und Fertigungsabweichungen geprägt sind. Bild 8: Dehnung bei einer Umdrehung auf Bahn zwei eines neuen Gelenks des Programms 13, 14, 15, 16 (von links oben nach rechts unten) Bild 9: Dehnung aller sechs DMS bei einer Umdrehung auf Bahn zwei des künstlich geschädigten Gelenks mit 2,3 mm Rillenbreite des Programms 13 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 57 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen Bild 10: Dehnung bei einer Umdrehung auf Bahn zwei des künstlich geschädigten Gelenks des Programms 13 mit einer Rillenbreite von 1,5 mm (oben links), 2,3 mm (oben rechts), 4,5 mm (unten) In Bild 9 sind die Dehnungen aller sechs Messstreifen eines mit einem künstlichen Schaden auf der Nabe versehenen Gelenks dargestellt. Dabei macht sich die Überrollung des Schadens auf allen Dehnungssignalen zur selben Zeit in Form einer Abweichung vom sinusähnlichen Signal bemerkbar. Bild 10 zeigt Dehnungssignale von verschieden stark beschädigten Naben. Je breiter die Rille ist, desto stärker weicht das Signal von dem des neuen Gelenks ab. 3. Verarbeitung der Messergebnisse Die Existenz eines künstlichen Schadens lässt zusätzliche Maxima und Minima im periodischen Verlauf der Dehnung entstehen. Die Erfassung dieser Ereignisse kann mittels statistischer Formulierungen im Zeit- und Frequenzbereich erfolgen. Dazu gehören beispielsweise der arithmetische Mittelwert, die Momente der Ordnung beliebigen Grades und die Kurtosis. Ergänzend können fraktale Ableitungen und Filter angewendet werden [3], [5], [9], [11], [13], [14], [15]. 3.1 Zeitbereich Die statistischen Kennwerte werden vom Signal, das ein paar Umdrehungen bei unveränderter Last umfasst, gebildet. In Bild 11 wird beispielhaft der arithmetische Mittelwert für veränderliche Lasten und variierende Rillenbreiten dargestellt. Die 16 Schritte der Abszisse stellen die Lastart dar, wobei Beugewinkel von 6 und 12 °, Drehzahlen von +- 100 U/ min sowie Drehmomente von +-200 und +-800 Nm aufgebracht werden. Dabei symbolisiert + ein positives Drehmoment. Bei allen positives Drehmomenten unterscheidet sich die Nabe mit der 2,3 mm und 4,5 mm tiefen Rille signifikant von der neuen Nabe. Die Nabe mit der 1,5 mm tiefen Rille unterscheidet sich kaum von der neuen. Im Gegensatz zu vielen anderen statistischen Kennwerten ist der arithmetische Mittelwert der Aussagekräftigste. Bild 11: ´ Mittelwert der Dehnung der Bahn zwei bei verschiedenen Lasten und Rillenbreiten Bild 12: Ableitungen der Dehnung auf Bahn zwei einer Nabe mit 1,5 mm Rillenbreite des Programms 13 Eine weitere Möglichkeit der Erkennung von Diskontinuitäten besteht in der Nutzung der Ableitung, um steile Anstiege und Krümmungen hervorzuheben. In Bild 12 sind die Dehnung sowie die erste und zweite Ableitung einer Nabe mit einer 1,5 mm breiten Rille und in Bild 13 mit einer 2,3 mm breiten Rille zu sehen. Nur bei der 2,3 mm breiten Rille deuten die Ableitungen auf einen Schaden hin, sodass die Sensitivität bei geringen Rillenbreiten nicht gegeben ist. Bild 13: Ableitungen der Dehnung auf Bahn zwei einer Nabe mit 2,3 mm Rillenbreite des Programms 13 58 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen Bild 14: Schadenserkennung durch Produkt aller Bahnen der Hüllkurve des Absolutwerts des hochpassgefilterten Signals auf Bahn zwei einer Nabe mit 1,5 mm Rillenbreite des Programms 13 Bild 15: Schadenserkennung durch Produkt aller Bahnen der Hüllkurve des Absolutwerts des hochpassgefilterten Signals auf Bahn zwei einer Nabe mit 2,3 mm Rillenbreite des Programms 13 Diskontinuitäten können auch mit einem Hochpassfilter ausfindig gemacht werden (siehe Bild 14 und 15). Die größten Amplituden eines neuen Gelenks liegen bei Frequenzen von unter 12 Hz, sodass der Hochpassfilter hauptsächlich impulsartige Störungen verstärkt. Somit besteht das hochpassgefilterte Signal hauptsächlich aus Maxima, die sich an den Stellen der Schadensüberrollung befinden. Um die Wahrscheinlichkeit der Erkennung zu erhöhen, wird nach der Bildung der Hüllkurve des Absolutwerts das Produkt aller sechs Bahnen gebildet. Somit kann der sehr kleine Schaden von 1,5 mm Breite erkannt werden. Darüber hinaus eröffnet sich die Möglichkeit die geschädigte Bahn ausfindig zu machen, welche die höchsten Spitzenwerte besitzt. Mittels Drehwinkelsensor könnte eine Zuordnung zur Position des Schadens auf der Laufbahn hergestellt werden. Die Korrelation ist ebenso eine adäquate Methode zur Detektion eines Schadens. Dazu muss die Dehnungskurve des neuen Gelenks möglichst exakt über die Kurve eines Schadgelenks gelegt werden (siehe Bild 16 und 17). Dazu kann ein Suchalgorithmus oder ein Drehwinkelgeber genutzt werden. Bei positiven Drehmomenten ist die Antikorrelation der breitesten Rille am größten (siehe Bild 18 und 19). Außerdem ist sie bei der geschädigten Bahn zwei am höchsten. Bild 16: Kurven des neuen und geschädigten Gelenks des Programms 13 Bild 17: Kurven des neuen und geschädigten Gelenks des Programms 14 Bild 18: Kreuzkorrelation der sechs Bahnen des neuen und geschädigten Gelenks des Programms 13 Bild 19: Kreuzkorrelation der sechs Bahnen des neuen und geschädigten Gelenks des Programms 14 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 59 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen 3.2 Frequenzbereich Bei Wälzlagern ist eine Erkennung der geschädigten Bauteile anhand der kinematischen Überrollfrequenzen möglich [11]. Bei Kugelgleichlaufgelenken ist die Unterscheidung von Außenteil und Nabe nicht gegeben, denn das Gelenk vollführt eine Schwenkbewegung. In Bild 20 wird gezeigt, dass typische Frequenzen Vielfache der Drehfrequenz sind. Je breiter die Rille ist, desto größer ist der Unterschied der Spitzen des Frequenzbandes der Fouriertransformation (FFT) [7]. Zudem unterscheidet sich die geschädigte Bahn zwei am meisten von den anderen (siehe Bild 21). Bild 20: Spitzen der FFT der Dehnung aller Bahnen eines neuen Gelenks von Programm 13 Bild 21: Spitzen der FFT der Dehnung aller Bahnen einer Nabe mit 4,5 mm Rillenbreite von Programm 13 4. Schlussfolgerung Es konnte mit dieser Arbeit aufgezeigt werden, dass prinzipiell die Größe und der Ort eines Schadens innerhalb eines Kugelgleichlaufgelenks erfasst werden kann. Dabei ist die Aufbringung von Dehnungsmessstreifen auf dem Außenteil und der Einsatz von Telemetrie eine praktikable Technik. Für die Schadensdetektion ist die Nutzung eines kleinen Testprogramms mit variierendem Beugewinkel, Drehrichtung und Drehmoment hilfreich. Ein Schaden zeigt seinen Charakter in Form schroffer Änderungen des Signals, welches pro Umdrehung zwei Maxima hat. Diese Ereignisse können durch statistische Formulierungen, zu denen der arithmetische Mittelwert und die Kreuzkorrelation gehören, ausfindig gemacht werden. Darüber hinaus sind die Ableitung und der Hochpassfilter ein brauchbares Mittel. Im Frequenzbereich können die Maxima zur Unterscheidung der Größe und Lage eines Schadens genutzt werden. In Weiterführung der Arbeit können überlagerte Schäden an unterschiedlichen Bauteilen untersucht werden. Dabei kann auch die künstliche Intelligenz zum Einsatz kommen. Außerdem wird ein Vergleich von Messung und Berechnung mittels Mehrkörpersystems im aktuellen Projekt durchgeführt. Literaturverzeichnis [1] Bastert, C.-C.: Bewegungs- und Belastungszustand der Kugeln im Gleichlaufgelenk. Technische Universität Darmstadt, Dissertation, 1972 [2] Bauer, C.: Untersuchungen zu Beanspruchung, Fertigungstechnik, tribologischem Verhalten und Verschleißprüftechnik von Kugel-Gleichlaufverschiebegelenken. Universität Stuttgart, Dissertation, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 1, Konstruktion/ Maschinenelemente, Düsseldorf : VDI Verlag, Nr. 161, 1988 [3] Ebrahimi, E., Javadikia, P., Astan, N., Heydari, M., Bavandpour, M., Jalili, H., Zarei, A.: Developing an Intelligent Fault Diagnosis of MF-285 Tractor Gearbox Using Genetic Algorithm and Vibration Signals. Modern Mechanical Engineering, 2013, Band 3, Nr. 4, S. 152-160 [4] Ganzmann, R.-E.-E.: Entwicklung und Einsatz eines Axialkraft-Meßsystems für Gleichlauf-Verschiebegelenke. RWTH Aachen, Dissertation, Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen, 1993 [5] Goreczka, S.: Adaptives Verfahren für die Zustandsüberwachung von Wälzlagern. Otto-von- Guericke-Universität Magdeburg, Dissertation, Papierflieger Verlag, Clausthal-Zellerfeld, 2014 [6] Hildebrandt, W.-H.: Ein Beitrag zur qualifizierten Definition der Lebensdauer von Kugelgleichlaufgelenken der Rzeppa-Bauart unter besonderer Berücksichtigung der lokalen Pressungsverteilung im Kugel-Bahn-Kon-takt. Universität Duisburg, Dissertation, 2000 [7] Kammeyer, K.-D., Kroschel, K.: Digitale Signalverarbeitung : Filterung und Spektralanalyse mit MATLAB-Übungen. 9. korrigierte und erweiterte Ausgabe, Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2018 60 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Messtechnik zur Verschleißerkennung an Gleichlaufgelenkwellen in Verspannungsprüfständen [8] Lessmeier, C.: Datenbasierte Zustandsüberwachung von Wälzlagern in elektromechanischen Antriebsträngen. Universität Paderborn, Dissertation, Forschungsberichte des Lehrstuhls für Konstruktions- und Antriebstechnik, Band 9, Shaker Verlag, Aachen, 2017 [9] Phinyomark, A., Phukpattaranont, P., Limsakul, C.: Feature reduction and selection for EMG signal classification. Expert Systems with Applications, 2012, Band 39, Nr. 8, S. 7420-7431 [10] Seherr-Thoss, H.-C. Graf von, Schmelz, F., Aucktor, E.: Gelenke und Gelenkwellen : Berechnung, Gestaltung, Anwendung, 2. erweiterte Ausgabe, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2002 [11] Sturm, A., Förster, R., Hippmann, N., Kinsky., D.: Wälzlagerdiagnostik für Maschinen und Anlagen. VEB Verlag Technik, Berlin, 1985 [12] Vallen, H.: Acoustic Emission Testing : Fundamentals, Equipment, Application. Band 6, Castell Publication, Wuppertal, 2006 [13] Wang, F., Sun, J., Yan, D., Zhang, S., Cui, L., Xu, Y.: A Feature Extraction Method for Fault Classification of Rolling Bearing based on PCA. Journal of Physics: Conference Series, Band 628, 2015 [14] Wang, X., Zheng, Y., Zhao, Z., Wang, J.: Bearing Fault Diagnosis Based on Statistical Locally Linear Embedding. Sensors, Band 15, 16225-16247, 2015 [15] Westphal, C.: Untersuchung über Verfahren der Schadensfrüherkennung bei Wälzlagern. Technische Universität Braunschweig, Dissertation, 1989 Danksagung Diese Ergebnisse sind im Rahmen des Projekts „MECH- KROG“, Messtechnische Erfassung der Wälzkörper im Kugelgelenk bzgl. Roll- und Gleitverhalten, durch eine Förderung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) mit der Firma aixACCT mechatronics GmbH und dem Institut für Kompetenz in AutoMobilität (IKAM) entstanden. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 61 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants Karl Jakob Winkler Gear Research Center (FZG), Technical University of Munich (TUM), Munich, Germany Benedikt Siewerin Gear Research Center (FZG), Technical University of Munich (TUM), Munich, Germany Dr. Thomas Tobie Gear Research Center (FZG), Technical University of Munich (TUM), Munich, Germany Prof. Karsten Stahl Gear Research Center (FZG), Technical University of Munich (TUM), Munich, Germany For a high efficiency regarding costs and environment, gearboxes need to be lubricated by high-performance lubricants. Such lubricants are continuously newly developed or existing lubricants are developed further in order to fulfill the steadily increasing demands of modern gearboxes. As the interaction between lubricant and gear material cannot be predicted reliably, each lubricant needs to be tested and characterized regarding the common gear failure modes scuffing, micropitting, wear and pitting. The FZG test methods cover the mentioned gear failures and can all be performed with the FZG back-to-back gear test rig. The results of the FZG test methods enable the comparison and classification of the lubricants regarding each gear failure. Furthermore, the characteristic values of the tests can be used for the rating and designing of gear sets according to the standard series ISO 6336. The following paper will introduce the FZG back-to-back gear test rig, will explain the fundamentals, procedures, main influences and benefits of the FZG test methods concerning scuffing and micropitting and will give a rough overview on the FZG test methods regarding wear and pitting. 1. Introduction For a high efficiency regarding costs and environment, gearboxes need to be lubricated by high-performance lubricants. Such lubricants are continuously newly developed or existing lubricants are developed further in order to fulfill the steadily increasing demands of modern gearboxes. Since the interaction between lubricant and gear material cannot be predicted reliably based on the knowledge of physical or chemical parameters alone, each lubricant needs to be tested and characterized regarding different gear failure modes. Gear failure modes influenced by the lubricant are scuffing, micropitting, continuous (or slow-speed) wear and pitting. In order to compare the performance of lubricants regarding these failure modes, standardized test methods are necessary. Such test methods were developed at the gear research center, whose German name is Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau (FZG), of the Technical University of Munich. The FZG test methods can all be performed with the FZG back-to-back gear test rig. The results of the FZG test methods enable the comparison and classification of the lubricants regarding each gear failure. Furthermore, the characteristic values of the tests can be used for the rating and designing of gear sets according to the standard series ISO 6336 [13]. The following text will introduce the FZG back-to-back gear test rig, will explain the fundamentals, procedures, main influences and benefits of the FZG test methods concerning scuffing and micropitting and will give a rough overview on the FZG test methods regarding wear and pitting. 2. FZG Back-to-Back Gear Test Rig The standard FZG back-to-back gear test rig has a center distance of a = 91.5 mm [5] and is shown in Figure 2.1 as a schematic drawing. 62 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants Figure 2.1 FZG back-to-back gear test rig The test rig is driven by a three-phase asynchronous engine. The maximum speed of the motor is 3000 rpm. Test pinion and test gear are mounted on two parallel shafts which are connected to a drive gear stage with the same gear ratio. The shaft of the test pinion consists of two separate parts which are connected by a load clutch. A defined static torque is applied by twisting the load clutch using defined weights on the load lever or by twisting the load clutch with a bracing device. The torque can be controlled indirectly at the torque measuring clutch as a twist of the torsion shaft. The engine only has to provide the power loss of the two gear boxes in this closed power loop. For most of the standardized test procedures, the following test configuration regarding loading and test gears is chosen. The wheel is mounted on the torsion shaft and has the same speed as the engine. The load is applied in a way that the pinion is the driving gear and the gear is driven. The lubrication type of the test rig can be chosen between dip or spray lubrication. Lubrication with oil and grease is possible. The temperature of the lubricant can be controlled by a heating and cooling system. For spray lubrication, a lubrication device regulates the spray volume of usually 2 l/ min and the temperature. For dip lubrication, heating rods and cooling pipes in the gear box housing are used to control the temperature. The test rig is standardized in DIN ISO 146361 [5] and widely used all over the world for gear testing. 3. Scuffing 3.1 Fundamentals regarding Scuffing Scuffing is an instantaneous failure, where the gear flanks are locally welded together due to the pressure and temperature conditions of the tooth contact. At the same time, there are no protective layers on the flank surfaces present to prevent a metal-to-metal contact. Figure 3.1 shows scuffing on a tooth flank. Figure 3.1 Scuffing on a tooth flank Owing to the kinematics, the local welds are torn apart, as soon as the gear mesh moves on. For a pinion and wheel made of the same material, the partner with positive sliding on the fast moving addendum gains material. The partner with negative sliding on the slow-moving dedendum loses material. The scuffing forms new untempered surfaces, so called friction martensite, with a hardness above 1000 HV. The surfaces of friction martensite remove material from the tooth flanks in consecutive contacts. Below the friction martensite, temperature-influenced zones can be localized, with a reduction of hardness due to short-term tempering. The tooth flank surface and geometry are successively destroyed, the load-carrying capacity near the surface is reduced, and unfavorable residual stresses and notch effects are introduced. This leads to increased dynamics and noise emission as well as to a decreased pitting capacity, with other failure to follow. [1, 21, 23] 3.2 Test-Method for Scuffing The standard test method for determining the scuffing load capacity is described in DIN ISO 146351 [5]. The test is conducted on the FZG back-to-back gear test rig. Standardized test gears of the type FZGA are applied for this test method. The test gears are designed as spur gears with z1 = 16 teeth on the pinion and z2 = 24 teeth on the gear, a normal module of mn = 4.5 mm, a pressure angle of α = 20° and no tooth flank corrections. The center distance is a = 91.5 mm and the effective tooth width is b = 20 mm for both partners. The test gears are made of the case hardening steel 16MnCr5, they are case-carburized to a surface hardness of 60 - 62 HRC and grinded to a surface roughness of Ra1/ 2 = 0,35/ 0,3 ± 0,1 μm. Figure 3.2 shows an exemplary test gear of the type FZG-A. [23] 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 63 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants Figure 3.2 Test gear type FZG-A The scuffing test consists of 12 load stages (LS) with a running time of 15 minutes each. After every stage, the torque of the pinion is increased. The first stage starts with a torque of T1,LS1 = 3.3 Nm and can be raised to a maximum of T1,LS12 = 534.5 Nm at load stage 12. The Hertzian contact pressure is increasing from pC,LS1 = 146 N/ mm2 to a maximum of pC,LS12 = 1841 N/ mm2. The speed of the wheel is n2 = 1.455 rpm, equivalent to a circumferential speed of vt = 8.3 m/ s. The gears are dip lubricated and beginning in load stage 5, the starting oil temperature is heated to ϑoil = 90 °C. Starting with load stage 4, the gears are to be examined after every stage including a close observation of possible damages on the tooth flanks. If the summed up width of the scuffing damages from all teeth is larger than the width of one flank, the test is finished and the last running step is identified as the failure load stage. The failure load stage allows a classification of the lubricant regarding scuffing. The test is ended when the failure criterion has been met and or when the load stage 12 has been completed without meeting the failure criterion. In order to ensure that the damage on the surface is significantly caused by scuffing, light microscopic inspections of the tooth flanks are conducted. For additional information and analysis, the wear of the test gear can be measured by weighing the gears after the last accomplished load stage. Figure 3.3 shows the scuffing test procedure according to DIN ISO 146351 [5] with the weighing of the gears at the end of the test. From the test result of the scuffing test, the scuffing temperature limit θS int according to the integral temperature method can be derived into the scuffing load capacity calculation for gears in practice. For cylindrical gears DIN 39904 [3] or ISO/ TS 633620/ 21 [14, 15] applies, for bevel gears DIN 39914 [4] or ISO/ TS 633620/ 21 [14, 15]. This temperature can e.g. also be used as a basis of a relative comparison of different oils. It is also possible to relatively compare results of different scuffing test methods. Figure 3.3 Scuffing test procedure according to DIN ISO 146351 [5] including weighing of gears at the end of the test The test method according to DIN ISO 146351 [5] is referred to as A/ 8,3/ 90 and used for industrial gear oils. “A” refers to the test gear type FZGA, “8,3” refers to the circumferential speed of vt = 8.3 m/ s and “90” refers to the oil temperature of ϑoil = 90 °C. Based on the test method A/ 8,3/ 90, there are further test methods with intensified, more severe operating conditions for lubricants with higher scuffing load capacities. The intensified operating conditions ensure, that lubricants with high scuffing load capacities are comparable instead of all achieving the load stage 12. An exemplary test method with intensified operating conditions is the test method A10/ 16,6R/ 120 according to DIN ISO 146352 [6], which is used for automotive gear oils such as API GL 4. “A10” refers to the test gear type FZGA with a reduced face width of b = 10 mm, “16,6R” refers to a rotational reversed, increased circumferential speed of vt = 16,6 m/ s and “120” refers to an increased oil temperature of ϑoil = 120 °C. Further scuffing test methods using the FZG back-toback gear test rig are shown in Figure 3.4. Figure 3.4 Test methods for scuffing load carrying capacity using the FZG back-to-back gear test rig 64 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants 3.3 Influences on Scuffing 3.3.1 Protective Layers Scuffing is not observed when protective layers prevent metal-to-metal contact of the surfaces [20]. The protective layers can be maintained by the lubricant in different ways as shown in Figure 3.5. Figure 3.5 Protective layers maintained by the lubricant Hydrodynamic lubrication prevents the welding when the hydrodynamic film thickness is greater than the surface roughness. The operating viscosity determined at the bulk temperature of the gear is one of the main influence factors on the film thickness. Lubrication by physically adsorbed layers can occur when polar components in the base oils and additives are physically adsorbed on the surface and thus prevent a metal-to-metal contact. The adhesive forces between the molecules and the surface are reduced at higher temperatures and the protection is reduced. Lubrication by chemical reaction layers is possible at higher temperatures when chemical reactions protect the tooth flank surfaces from scuffing. The high temperatures which are necessary for the chemical film formation are locally and temporarily present in the contact. In the locations of lower temperature, as for example in valleys, hardly any reaction layers can be detected. Furthermore, no reaction layers can be found in scuffed areas, probably due to excessive temperatures and decomposition phenomena. [2] 3.3.2 Lubricant Viscosity The scuffing load capacity of unadditivated mineral oils increases with increasing viscosity. Using an ISO VG 460 oil instead of an ISO VG 46 oil results in a scuffing load capacity three times higher as shown in Figure 3.6 [21]. The increase of the scuffing load capacity for unadditivated oils is almost independent of the pitch-line velocity [1]. Where additive reactions are predominantly responsible for the surface protection, the influence of viscosity is comparatively low [1]. [2] Figure 3.6 Influence of oil viscosity on the scuffing load capacity of unadditivated lubricants [21] 3.3.3 Temperature The temperature is found to have a contradictory effect on the scuffing capacity. With increasing temperature, the lubricant viscosity, the film thickness and thus the scuffing load capacity of unadditivated mineral oils decrease. For oils with additives, the increasing temperature enhances the additive reactivity and compensating or overcompensating the decrease of the viscosity and eventually increasing the scuffing load capacity as shown in Figure 3.7. Figure 3.7 Influence of oil temperature on the scuffing load capacity of an additivated and unadditivated oil [30] The temperature affects the protective layers in various forms such as oil, bulk, flash or total contact temperature. To ensure sufficient protection over a wide temperature range, the different components of the base oil and the 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 65 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants additive package must provide overlapping activity. Figure 3.8 shows the temperature gap between the protective layers due to viscosity and additives. [30] Figure 3.8 Temperature gap between protective layers due to viscosity and additives [30] 3.3.4 Additives The influence of additives on the scuffing load capacity is determined by the type and concentration of the additives. Different additive types show different influences regarding the scuffing performance of the lubricant [1]. While a sulphurised natural oil shows the same or similar scuffing increase over the whole speed range, a 0.2 % concentration of ZnDTP gives a large scuffing improvement in the high-speed range, and a 0.2 % concentration of sulphur-phosphorus gives an even larger scuffing improvement. For an increase of the additive concentration, an increase of the scuffing load capacity is expected. Especially when comparing unadditivated mineral oils with additivated mineral oils, a significant increase of the scuffing load capacity is observed [1]. When comparing additivated oils with increasing additive concentration, an almost linear increase of the scuffing load capacity is followed by a saturation effect at higher additive concentrations. Figure 3.9 shows the influence of a tricresyl phosphate (TCP) additive concentration on the scuffing load capacity. [2] Figure 3.9 Influence of a tricresyl phosphate (TCP) additive concentration on the scuffing load capacity [21] 3.4 Benefits of the Standardized Scuffing Test Benefits of the standardized test method regarding the scuffing load capacity include the following: • The scuffing test can be conducted with the FZG backto-back gear test rig, such as numerous other tests regarding the gear load carrying capacity. • The total running time of the scuffing test takes only 3 hours, examination time excluded. • Lubricants can be classified in relation to one another and the results can be used for comparative assessment and further evaluation. • The failure load stage as a characteristic value can be used for gear ratings and designs according to ISO/ TS 6336-20/ 21 [14, 15]. Part 20 and part 21 of ISO/ TS 6336 cover the calculation of the scuffing load capacity according to the flash and integral temperature method. • Alternative operating conditions can be chosen to achieve reasonable test results for lubricants with different scuffing behavior. • The test procedure as well as the test rig and the test gears are standardized, allowing a common use and a good comparability of the results. 4. Micropitting 4.1 Fundamentals regarding Micropitting Micropitting is a phenomenon which can generally be observed in lubricated, highly loaded rolling and sliding contacts. Micropitting can limit the life time of gears and can thus be included when referring to gear failures. Micropitting can particularly be found on gears with a 66 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants high surface hardness together with unfavorable lubricating conditions. Oil viscosity, additives, peripheral speed, tooth flank surface (processing, roughness), heat treatment as well as the operating temperature influence the damage occurrence, development and intensity. Micropitting can be identified with the naked eye as a beamless grey blotch on the tooth flank. With a higher magnification, small-sized cracks and little disruptions are visible. Micropitting normally occurs on the dedendum flank of the driving gear. It propagates gradually over the flank and in extreme cases covers the whole active flank surface. Micropitting can cause profile deviations on the active flanks. In this case dynamical additional forces and gear noise can increase. Figure 4.1 Micropitting on a tooth flank The formation of micropitting can be explained with the following model concept. At first, plastic deformations of the surface roughness peaks take place. On the deformed areas detrimental chemical reactions caused by the lubricant additive package can lead to a reduction of the resistance of the surface layer. Under the influence of mechanical stresses, crack initiation can take place. The crack propagation, which is influenced by the main shear stresses, shows partly endurance failure characteristics. This results in the development of microscopic pits, caused by merging of single cracks, by tearing of undercut material parts or by remigration of cracks to the surface. Profile deviations occur by a continuing repetition of these processes. Consequently, micropitting is a fatigue damage that is initiated directly at the surface of the gear flanks due to stress concentrations at asperity contacts when the gears are operated in the regime of mixed or boundary lubrication. [31] 4.2 Test Method for Micropitting The standard test method for determining the micropitting load capacity of gears is described in the document FVA Informationsblatt 54/ 7 [10] respectively recently published DIN 399016 [7]. The test is conducted on the FZG back-to-back gear test rig. Standardized test gears of the type FZGC are applied for this test method. These test gears are designed as spur gears with z1 = 16 teeth on the pinion and z2 = 24 teeth on the gear, a normal module of mn = 4.5 mm, a pressure angle of α = 20° and no tooth flank corrections. The center distance is a = 91.5 mm and the effective tooth width is b = 14 mm for both partners. The test gears are made of the case hardening steel 16MnCr5, they are case-carburized to a surface hardness of 750 HV and grinded to a surface roughness of Ra1/ 2 = 0,5 ± 0,1 μm. Figure 4.2 shows an exemplary test gear of the type FZG-C. [10] Unlike the test gear type FZG-A, the FZG-C type gears used here are balanced with regard to sliding velocity and therefore are not prone to scuffing failures. Figure 4.2 Test gear type FZG-C The micropitting test consists of a load stage test with 6 load stages and an endurance test with 6 intervals. The running time per load stage is 16 h whereas the running time per interval is 80 h. The load stage test starts with a torque of T1,LS5 = 70 Nm at load stage 5 and can be raised to a maximum of T1,LS10 = 265,1 Nm at load stage 10. The Hertzian contact pressure is increasing from pC,LS5 = 795 N/ mm2 to a maximum of pC,LS10 = 1547 N/ mm2. The speed of the pinion is n1 = 2250 rpm, equivalent to a circumferential speed of vt = 8.3 m/ s. The gears are spray lubricated with an injection volume of 2 l/ min and the oil temperature should be chosen according the operating temperature in the subsequent application of the lubricant. Usual temperatures range between is ϑoil = 40 - 120 °C. Figure 4.3 shows the test procedure of the micropitting test according to FVA 54/ 7 [10] respectively DIN 3990-16 [7]. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 67 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants Figure 4.3 Test procedure of the micropitting test according to FVA 54/ 7 [10] respectively DIN 3990-16 [7] The test gears are removed from the test rig after every load stage and interval. The profile form deviation of the test gears is measured, flank photos of the micropitted areas are taken and the material loss is weighed. The failure criterion for the load stage test is an average profile form deviation of ffm > 7,5 μm whereas the failure criterion for the endurance test is an average profile form deviation of ffm > 20 μm. The test is additionally stopped, if pitting, scuffing or wear occurs. The test is ended when the failure criterion has been met or when the last load stage has been completed without meeting the failure criterion. Generally, the load stage test and the endurance test are performed. If the failure criterion of the load stage test is met in a load stage ≤ 7, then the endurance test is not conducted. If required, a modified endurance test can be performed on a lower load stage. The result of the load stage test is the failure load stage, the result of the endurance test is information on the progression of the micropitting at a higher number of load cycles. According to the failure load stage, the lubricant can be classified into the classes GFT-low, GFT-medium or GFT-high regarding the micropitting load capacity. GFT is the abbreviation for the German word Graufleckentragfähigkeit meaning micropitting load capacity. Figure 4.4 shows exemplary results of a micropitting test according to FVA 54/ 7 [10] with three exemplary lubricants of the classes GFT-low, GFT-medium and GFT-high. Figure 4.4 Exemplary results of a micropitting test according to FVA 54/ 7 [10] The test method according to FVA 54/ 7 [10] respectively DIN 399016 [7] is referred to as C/ 8,3/ 90. “C” refers to the test gear type FZGC, “8,3” refers to the circumferential speed of vt = 8.3 m/ s and “90” refers to a chosen oil temperature for the lubricant of ϑoil = 90 °C. The complete test C/ 8,3/ 90 needs 6 - 8 weeks of time and approximately 30 l of oil for the spray lubrication system. A shorter alternative to C/ 8,3/ 90 is the so called micropitting short test GFKT according to DGMK 575 [27]. GFKT is the German abbreviation for Graufleckenkurztest, which means micropitting short test. The differences between the micropitting short test and the micropitting test are the dip lubrication and a load stage test with only two load stages. The dip lubrication of the micropitting short test needs 1.5 l of lubricant for the gear box, which is significantly less compared to the 30 l of the micropitting test. For the load stage test, the two load stages 7 and 9 are tested, which results in a maximum duration of 6 days including a repeat test run for the micropitting short test. The micropitting short test cannot replace the micropitting test in terms of information and significance, but can serve as a complementary screening test for the authoritative micropitting test according to FVA 54/ 7 respectively DIN 399016 [7]. Figure 4.5 shows exemplary results of a micropitting short test according to DGMK 575 [27]. Based on the determined failure load stage in the micro-pitting test, a critical specific lubricant film thickness for the investigated lubricant at the present test conditions can be determined. This value can be introduced as a kind of strength value for the lubricant-material paring into the rating method acc. to ISO/ TS 6336-22 [16] . This allows the gear designer to consider the micropitting performance of the used lubricant within the load capacity calculation of gears in practice. Figure 4.5 Exemplary results of a micropitting short test according to DGMK 575 [27] 4.3 Influences on Micropitting 4.3.1 Lubricant With a higher lubricant viscosity an increase in the micropitting resistance can be expected [9]. This is explained by the increasing lubricant film thickness. Further investigations rank the influence of the viscosity in comparison to other parameters as rather low [25]. The 68 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants composition of the lubricant is attributed with a high influence on the micropitting resistance [11]. In experimental studies, synthetic base oils showed a reduced formation of micropitting compared to mineral oils. Figure 4.6 shows the influence on the micropitting load capacity of the viscosity and additive package of a lubricant. Regarding lubricant 1b, the additive package of lubricant 3b with a comparable viscosity shows a greater influence on the micropitting load capacity than the influence of the viscosity of lubricant 1a with the same additive package. Figure 4.6 Influence of the viscosity and additive package of a lubricant on the micropitting load capacity Generally speaking, it can be stated that the chemical-physical interactions between additive components and material are of decisive importance for the micropitting load capacity of a gear set. A reliable determination of the influence of the additive on the micropitting load capacity must be carried out experimentally by application of the standardized micropitting tests. Investigations with dipand spray-lubricated gears were carried out [25]. The dip lubricated tests showed less pronounced micropitting under otherwise identical operating conditions. The less pronounced micropitting for dip-lubricated gears is attributed to the better cooling. [18, 31] Operating Conditions The tooth flank pressure has a fundamental influence on the occurrence of micropitting. Although micropitting can already occur at relatively low loads and after a short running time, higher torques or pressures on the tooth flanks generally lead to an increased formation of micropitting [8, 11]. An increasing test temperature leads to a decreasing film thickness and is generally considered to have a negative influence on the micro-pitting load capacity. It should be noted, however, that if the temperature is lowered too much, additives cannot develop their full protective effect. Figure 4.7 shows the influence of the test temperature on the micropitting load capacity of different lubricants. For lubricant M2, the additives obviously compensate the decreasing film thickness and thus lead to higher micropitting load capacity at higher temperatures. The majority of the lubricants show a decreasing micropitting load capacity with an increasing temperature. As the operating temperature is an independent influence parameter, it is strongly recommended to run the micropitting test in the temperature range of the subsequent lubricant application. Figure 4.7 Influence of the test temperature on the micropitting load capacity With the increase of the circumferential speed and consequentially a greater lubricant film thickness, an increase of the micropitting load capacity can be expected. However, very high speeds for dynamic reasons and increase heat input can have negative effects. [11, 31] 4.3.2 Gear Geometry and Manufacturing The reduction of the area of negative sliding and the reduction of the absolute sliding velocities in this area, reduce the formation of micropitting. Accordingly, a positive profile shift can reduce the formation of micropitting. Profile corrections such as tip reliefs have a favorable effect on the micropitting load capacity, if the maximum pressure is shifted to a tooth flank area that has a significantly lower tendency to micropitting. With regard to a size influence, it was shown that an increase in the number of teeth and a reduction in the module can have a positive effect on the micropitting load capacity. The positive effect is associated with the reduction of the meshing section and the reduction of the absolute sliding velocities. [25, 31] The surface roughness of the tooth flanks was found to be a significant factor regarding the development of micropitting. A high surface roughness has a negative effect on the micropitting load capacity, as do pairs of smooth and rough gears. The effect of the surface roughness can be explained by excessive micro stresses which occur at the roughness peaks. [9, 11, 18] 4.4 Benefits of the Standardized Micropitting Test Benefits of the standardized test method regarding the micropitting load capacity include the following: • The micropitting test can be conducted with the standardized FZG back-to-back gear test rig, such as numerous other tests regarding the gear load carrying capacity. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 69 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants • Besides the result of the failure load stage as characteristic value, the test gives information on the development of the micropitting formation. • Lubricants can be classified in relation to one another and the results can be used for comparative assessment and further evaluation. • The failure load stage as a result can be used for gear ratings and designs according to ISO/ TS 6336- 22 [16]. Part 22 of the ISO 6336 series covers the calculation of the micropitting load capacity. • The micropitting short test can be used as a complementary screening test for the authoritative micropitting test. • The test procedure as well as the test rig and the test gears are standardized, allowing a common use and a good comparability of the results. 5. Further Test Procedures 5.1 Wear Wear is the continuous removal of material from the surface of the gear flanks with each revolution. Wear occurs on the addendum and dedendum of the tooth flank. In more advanced cases of wear, a horizontal line is revealed due to the rolling rather than sliding at the pitch diameter. Figure 5.1 shows wear on a tooth flank including a pronounced horizontal line at the pitch diameter. Figure 5.1 Wear on a tooth flank including a pronounced horizontal line at the pitch diameter (left arrow) Undesirable consequences of wear are the change in the profile form and the wearing off of the hardened case. Desirable consequences of wear are the smoothing of the tooth flanks and the improving of the contact pattern due to preconditioning, so called “running in”. Consequences of wear can be the increase of additional dynamic forces and in well-advanced stages, wear can lead to tooth root breakage. Figure 5.2 shows the schematic development of a gear tooth affected by wear Figure 5.2 Development of a gear tooth affected by wear The lubricant has a significant influence on the wear behavior, especially the viscosity of the base oil and the additives of the lubricant. The lubricant influence on the wear behavior can be determined using the standardized test method according to DGMK 377 [29]. This standardized wear test can be conducted with the FZG back-toback gear test rig as well. The results of the wear test enables a comparison of the wear behavior of different lubricants by classifying the lubricants in defined wear categories. The linear wear coefficients from the wear test can be used to calculate the expected wear for a field application according to the method of Plewe [22]. [19, 26] 5.2 Pitting Pitting is a fatigue failure on the tooth flank due to the rolling-sliding contact of the tooth flanks. The crack initiation is at or near the surface and the crack propagation leads into the material at a characteristic angle. Due to the crack propagation and persisting load on the damaged tooth flank, shell shaped material losses can occur. Consequences can be an increase of noise and vibrations and in case of a progressive pitting failure development, tooth breakage. Pittings predominantly occur in areas with negative specific sliding. The size and shape of the pittings vary dependent on the gear material. Figure 5.3 shows an exemplary pitting on a tooth flank of a case carburized test gear. Figure 5.3 Pitting on a tooth flank of a case carburized test gear (additional micropitting on tooth flank) 70 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants Main influence parameters on pittings include the Hertzian contact load, the tangential load, the sliding due to the gear geometry, micropitting formation, the temperature, the material, the heat treatment and the lubricant. A high lubricant viscosity reduces the risk of pitting formation. Additives such as EP-additives can effectively increase the pitting load capacity. Standardized rating methods for the pitting load capacity such as ISO 63362 [17] only consider the nominal viscosity of the lubricant. Chemical related influences of additive components are neither taken into account nor predictable. Thus, the experimental evaluation of the lubricant pitting performance is necessary. Standardized test methods exist in the form of the pitting test according to FVA 2/ IV [24] respectively CEC L-108-19 [28] which can be performed with the FZG back-to-back gear test rig. The results of the pitting test can be used for a comparison of the pitting behavior of different lubricants by classifying the lubricants according to the pitting lifetime. The surface roughness and micropitting formation have a critical influence on the test result. To reduce these interfering influences, a new CEC test method CEC L-108-19 [28] based on the pitting test according to FVA 2/ IV [24] was designed. Main changes include a reduced surface roughness of the test gears and defined reference lubricants including precision data regarding repeatability and reproducibility of the test method. [12] 6. Conclusion The FZG back-to-back gear test rig as a multi-purpose test rig allows to investigate different gear failures. Gear failures affected by lubrication include scuffing, micropitting, wear and pitting. In order to systematically evaluate the lubricant performance regarding those gear failures, standardized test methods were developed at the FZG. Scuffing can be described as an instantaneous welding of the mating surfaces of two gears. Micropitting can be described as numerous small cracks due to surface fatigue, visible as a dull matte surface on the gear flank. Wear is the continuous removal of material from the surface of the gear flanks with each revolution. Pitting is a fatigue failure on the tooth flank which leads to shell shaped material losses. The lubricant with its base oil, viscosity and especially additives affects the above mentioned gear failures. The tribological interaction between lubricant and gear cannot be predicted reliably. Thus, an experimental evaluation of the lubricant performance is necessary. The standardized FZG test methods allow for a relative comparison of gear lubricants as well as a systematic classification. The results of the test methods include characteristic values which can be used for the rating and designing of gear sets according to the standard series ISO 6336 [13]. Besides scuffing, micropitting, wear and pitting, the FZG back-to-back gear test rig can be used to determine gear characteristics such as gear efficiency, vibration as well as further fatigue failures such as tooth root breakage and tooth flank fracture. Furthermore the FZG test rig can be used to investigate and quantify influences from different gear materials, heat treatments, manufacturing processes, gear geometries or operating conditions on the gear performance. Consequential, strength numbers and characteristic values can be derived, which are typically required for a reliable gear rating and design. The test methods are constantly scrutinized and if needed enhanced. The modification and variation of operating conditions realize a broad bandwidth of lubricants that can be tested. The steady development enables a long-lasting comparison of the lubricants and a sustainable evaluation of their influence on the gear load carrying capacity. The standardized test rig, well defined test procedures and specially designed test gears that are suitable to investigate the desired failure limits allow a widespread use of the FZG back-to-back gear test rig and the FZG gear lubricant test methods. They are basic requirements for reliable and repeatable test results to characterize the performance of modern gear lubricants. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 71 FZG Test Methods - Testing and Characterization of High-Performance Gear Lubricants Bibliography [1] Collenberg, H. F., Untersuchung zur Fesstragfähigkeit schnelllaufender Stirnradgetriebe,” Dissertation, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, Technische Universität München, 1990. [2] Collenberg, H. F., Schlenk, L., Michaelis, K., and Höhn, B.-R., “Effect of Temperature on the Scuffing Load Capacity of EP Gear Lubricants,” Tribotest Journal, 7(4), pp.317 - 332, 2001. [3] Deutsches Institut für Normung e.V. 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Beuth Verlag GmbH, 2010. [7] Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), Zahnräder - FZG-Prüfverfahren - Teil 16: Bestimmung der Graufleckentragfähigkeit von Schmierstoffen - FZG-Prüfverfahren GT-C/ 8,3/ 90; Gears - FZG test procedures - Part 16: Determination of the micro-pitting load-carrying capacity of lubricants - FZG-test-method GT-C/ 8,3/ 90, Deutsche Norm DIN 3990-16: 2020. Beuth Verlag GmbH, 2020. [8] Elstorpff, M. and Oster, P., Zahnflankenüberlastbarkeit. FVA-Heft 440. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt/ Main, 1994. [9] Emmert, S. and Oster, P., Turbograufleckigkeit - Zahnflankenermüdung bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten - Graufleckigkeit und weitere Schadensfolgen - Einfluss von Flankenrauigkeit und hoher Umfangsgeschwindigkeit auf die Graufleckentragfähigkeit. FVA-Heft 396. Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V., Frankfurt/ Main, 1993. 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Tec- 4Fuels has developed an accelerated ageing test bench named “BigOxy” to study the fluid quality over longer periods in a short amount of time. With increase in research and development of several alternative fuels such as OME (Oxy-methylene ether), Alcohol blends with diesel, MTG (methanol to gasoline), etc., it is necessary to identify the behaviour of the fuels in long term. In BigOxy, we can use different types of fuels such as Diesel, Paraffinic fuels, Biodiesels (FAME) or Gasoline as well as other fluids like lubricants or cooling media. Additionally, the system is able to investigate various material compatibilities by immersion of materials or system components in the fluid during the test run. This paper will explain the test setup BigOxy and the principle of its working in various applications with a variety of fluids. 1. Introduction Accelerated ageing methods are used to identify the longterm behaviour (ageing behaviour) of fuels in a short period of time. Storing the fuels for longer periods to observe their behaviour seems impractical in all the cases. These methodologies help to identify the stability of the fuel over time and allows to take the necessary action to address the issue. Alongside the stability check, the fuel-material interaction can also be testing in a quick time. Fuel degradation or fuel ageing has been a problematic phenomenon during long term storage or when subjected to higher temperatures [1]. This phenomenon is observed in various applications such as domestic heating systems, automotive, generators, etc [2-4]. Degradation of fuels can lead to formation of heavy molecular compounds, normally known as deposits or sediments [1, 4]. These sediments can lead to injector blocking, irregular spray formations, fuel lines blocking, deteriorating the fuels properties leading to material incompatibilities, etc. To avoid this phenomenon, the fuels are mixed with different types of fuel stabilizers, which will help in increasing the fuels resistance towards ageing. There has been a significant research in progress towards the implementation of Novel-fuels as diesel or gasoline fuel blends or replacements. These Novel fuels include GTL (Gas to liquid), HVO (hydrotreated vegetable oil, blends of alcohols, and E-fuels such as OME (Oxy-methylene Ether), etc. With the introduction of these novel fuels, the importance of testing their stability and compatibility is high before market introduction. The accelerated ageing methods help in identifying their behaviour and compatibility over longer periods of time. 1.1 Auto-oxidation The phenomenon of fuel ageing during long term storage or when exposed to higher temperatures is due to auto-oxidation reaction [1]. When the fuels are exposed to atmospheric oxygen, the hydrocarbon molecules in the fuel react with this oxygen and start the auto-oxidation reaction. The ability of the fuel to resist this reaction is called fuel stability. The auto-oxidation reaction is described as follows: Figure 1: Mechanism of auto-oxidation [1, 5] 74 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Accelerated ageing test bench - BigOxy The auto-oxidation occurs when the hydrocarbons from the fuel are susceptible to react with oxygen in the atmosphere leading to the formation of alkyl radicals [1]. This is called the initiation step. This step is the slowest step of the reaction and once initiated the next steps follow rapidly. This initiation step is the determining factor for the fluid stability. Further, this radical would react the available oxygen and lead to a sequence of chain growth reactions (propagation step) forming hydroperoxides [1, 5]. Finally, these molecules further polymerise into long chain products or higher molecular products also called the sediments or deposits in the Termination step [1]. The accelerating ageing methods concentrate on the initiation step, by providing enough activation energy to kick start the initiation step by inducing higher temperatures [4]. Further steps are self-sustaining and fast occurring reactions [1, 6]. 1.2 Accelerated ageing methods There have been several types of accelerated ageing methods using the principle of PetroOxy [4, 5], Rancimat [6] and titrations with Carbonyl [3]. Alternatively, Rancimat method is also considered as an effective method to perform accelerated ageing method. Flitsch et al. [6] has use the Rancimat method to quantify the ageing products in Bio-diesel. But the volumes of the samples obtained after the test are in smaller quantities. Black et al. [3] use the method of titrating the sample with carbonyl to obtain an indirect parameter to obtain the age of the Pyrolysis oil. This method also includes the subjection of fuel sample to as high as 80 °C. The current paper focusses on the methodology derived from the principle of PetroOxy. Relative to the above mentioned methodologies, the principle of BigOxy provides more flexibility and opportunity to investigate bigger sample volumes [4, 5]. The major influential parameter in this method is the temperature. Also, this method has the advantage of avoiding any influence of external agents such as carbonyl. But also gives the flexibility to use ageing catalysts, if required [4, 5]. 2. BigOxy BigOxy is an accelerated ageing testbench, which uses the principle of PetroOxy (DIN EN 16091) but on a larger scale [5]. BigOxy consists of a larger reactor volume of 1.5 litre compared to 20 ml in PetroOxy. The basic principle of subjecting the fuel volume to higher temperatures to induce accelerated ageing remains the same. This method can age up to 1 litre of fluids at different temperatures and pressures. This section explains the test setup of the BigOxy and its principle in detail. 2.1 Test Bench The Piping and instrumentation diagram (P&ID) of the BigOxy testbench is shown in Figure 2. The test bench consists of a big thermal oil bath, where the reactors are placed to heat up to required temperatures. The bath can accommodate maximum of 8 reactors for each experiment. The bath is heated up using a heat-pump which regulates the temperature setpoint according to the requirement. Two stirrers are used to keep the temperature of the bath homogeneous across all reactor positions. Figure 2: P&ID of the BigOxy test bench The reactors are made of stainless steel, with a total volume of 1.5 litre. Figure 3 shows the image of the BigOxy reactor. The reactor is fitted with a steel tube on its side, where all the electrical components are mounted. The top of the reactor consists of PT100 thermocouple which measures the fluid temperature throughout the test. The side mount consists of a pressure transducer and solenoid valve. The pressure transducer is used to measure the gas phase pressure inside the reactor, while the solenoid valve is used to regulate the gas flow in and out of the reactor. Figure 3: BigOxy Reactor The setpoint for the heat pump is determined proportional to the required fluid temperature. Each reactor is independent to each other in case of pressure setting and the 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 75 Accelerated ageing test bench - BigOxy type of fluid that can be used; but heated to only one temperature set point in each instance due to the common oil bath. The reactors can accommodate fluid volumes from 500 ml to 1 litre. The gas phase can be pressurised around 1.2 - 5 bar (depending on requirement), considering the expansion of gases at higher temperatures. The oil bath is heated up to as high as 180 °C which corresponds to a fluid temperature of 150 °C. The temperature selection of the fluids is completely flexible depending on the requirement and the type of fluid that is used in the reactor for testing. For each experiment, the reactors are cleaned using solvents to completely remove the remains of the old sample and a new sample is filled. Then the reactor closed tightly and filled with gases to the required pressure. The reactors are subjected to leakage test for at least 10 hours and then place in the heated oil bath. The duration of this experiment is flexible, depending on requirement and the fluid type. The typical durations are 24 h, 48 h, 72 h and 128 h. The temperature and the pressure profiles are logged throughout the experiment and used for further analysis. 2.2 Data Analysis The pressure and temperature are continuously monitored over the entire experiment time. Then the two curves are plotted as a function of time, as shown in the Figure 4. Figure 4: Pressure and Temperature curves of a BigOxy experiment The light blue line indicates the pressure profile of the gas phase during the experiment, while the Dark blue line indicates the temperature profile of the fluid inside the reactor. The arrow indicates the respective axis that the curves belong to. The pressure increases as the gas expands due to the heat up of the reactor. The pressure stays constant as long as the fluid shows resistance to react with the atmospheric gas (reactor gas phase). One the reaction starts the fluid consumes the gas phase reactant molecules and lead to a pressure drop. Once the fluid consumes the required amount of reactant molecules, the pressure stabilises and keeps further stable until the end of the experiment. In case of liquid fuels, air is usually used as the gas phase and the reactant molecule is oxygen. The fuel consumes oxygen to start the auto-oxidation reaction. The stable phase until the start of the pressure drop is considered aa the induction time, which indicate the stability of fuel over time. The second stable phase after the pressure drop is considered as the termination stage where the effect is only due to heat (temperature). The induction time is used to compare the stability of different fuel samples. The auto-oxidation reaction which is considered to take longer periods is being accelerated with the influence of temperature of and pressure, which makes the current method an accelerated ageing method. 2.3 Fluid Analysis The samples that are subjected to accelerated ageing must be analysed to observe their change in physio chemical properties. Due to the process of ageing, the fluids tend to change their chemical composition and lead to the formation of new products [4]. For example, in liquid fuels, the fuels tend to lose their oxidation stability, and form more acids and water molecules [1]. In this case, the fuel samples must be analysed before and after the test method to compare the extent of change in their properties [1, 4, 5]. The analytics performed are Oxidation stability analysis (DIN EN 16091 and DIN EN 15751), Acid content (DIN EN 14104), Water content (DIN EN ISO 12937), etc. For other fluids such as cooling fluids the density, viscosity and vapour pressure could also be some critical properties to be analysed and compared with the fresh samples. This would indicate the expected change in properties upon ageing over extended periods of time. This comparison also provides the opportunity to test the effect of various property improvers, stabilizers, etc., also known as additives. The differentiation between different additives and the respective fluids should give the opportunity to provide an optimum final fluid sample for respective applications [5]. Figure 5: Chemical analysis of a middle distillate fuel Figure 5 shows an example on how the chemical properties could change due to ageing of a typical middle distillate fuel (Diesel). The X-axis indicate the initial pressure 76 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Accelerated ageing test bench - BigOxy applied in the gas phase of the reactor with same fuel volume of 500 ml in all the reactors. The PetroOxy is a measure of oxidation stability. This shows a reduction due to ageing, which is expected upon auto-oxidation reaction of the fuel [5]. The water content tends to rise with ageing, which is a by-product of ageing, as seen in the auto-oxidation process [1, 5] (Chapter 1.1). 3. Compatibility and Reproducibility To identify the compatibility of the testbench with the respective fluids, the fluid and the component interaction must be checked. The components that are in contact with fluids are mostly made of corrosion resistant stainless steel. The heat pump used for the heat up of thermal oil is an oil-specific heat pump. The thermal oil must be exchanged every 6 months, due to its deterioration of heat transfer properties. The reactors are made of stainless steel to avoid any fluid and metal interactions. The electrical components such as pressure transducer, thermocouple and solenoid valve are also resistant to the fluids or any gas phase interactions. This built up also makes the testbench highly reproducible while all the reactors are made of identical components and materials. Each test will have specific temperature as the oil bath is common for all reactors. To have a reproducible result in between experiments, the fluids are always sampled using a standard measuring cylinder. The gas phase is controlled using pressure regulator, which allows us to fill the gas phase to the required pressure in all the cases. The pressure transducers have an accuracy range of 0.5 % of the nominal value and the thermocouple sensor is at maximum deviation of 1 °C. The thermal oil bath is also heated to a specific setpoint depending on the fluid temperature requirement and the accuracy does remain at a range of ± 1 °C. 4. Applications The accelerated ageing method has been a part of different industrial and research projects. The methodology was used to differentiate between the fossil and bio-fuel stability and also differentiating the stability behaviour between the fossil fuels and biofuels and their blends [4]. Not only biofuels but also the system was found to be compatible with the testing of e-fuels of both diesel and gasoline like properties [5]. The test method was also used for the analysis of the fuel additive behaviour and the compatibility of the specific additive with different fuel types. Not only fuel but also different cooling fluids are tested to analyse their long-term behaviour at higher temperature applications. These fluids are tested at different parameters depending on the requirement of the customer. 5. Conclusion and Outlook The testbench is currently focussed on the adaptation to marine fuels. The testing is also focussed on the standardising the methodology for Gasoline fuels. The test bench is also being considered for the testing of fluids with the introduction of catalysts or catalytic materials dipped in the fluids. This could identify the material compatibility of the fluids in the practical applications. Also using different metals in the fluid while ageing can help in identifying the long-term behaviour of the specific metals when subjected to specific fluids at elevated temperatures and pressures. Correspondingly, several property improvers and stabilisers can be proposed upon requirement. The test bench is also further upgraded towards electric heating replacing the thermal oil heating. This will allow the testbench to be operated completely automatic and more variety of testing parameter and flexibility in the testing characteristics can be introduced. References [1] Owczuk M, Kołodziejczyk K. Liquid Fuel Ageing Processes in Long-term Storage Conditions. In: Biernat K (Ed.). Storage Stability of Fuels. InTech (2015). [2] Meshkatodd MR. Aging Study and Lifetime Estimation of Transformer Mineral Oil. American J. of Engineering and Applied Sciences 1(4), 384-388 (2008). [3] Black S, Ferrell JR. Accelerated aging of fast pyrolysis bio-oil: a new method based on carbonyl titration. RSC Adv. 10(17), 10046-10054 (2020). [4] Koch W, Eiden S, Feldhoff S, Diarra D. Entwicklung Einer Neuen Prüfmethode Zur Bewertung Der Stabilität Von Heizölen Mit Biogenen Anteilen: Winfried Koch, Simon Eiden, Sebastian Feldhoff, David Diarra. Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für Erdöl, Hamburg (2017). [5] Chandra Kanth Kosuru, Natalia Eurich, Simon Eiden (Ed.). Development of a Test method for Accelerated ageing of Gasoline fuels (2019). [6] Flitsch S, Neu PM, Schober S, Kienzl N, Ullmann J, Mittelbach M. Quantitation of Aging Products Formed in Biodiesel during the Rancimat Accelerated Oxidation Test. Energy Fuels 28(9), 5849- 5856 (2014). 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 77 Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen- Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se Dr.-Ing. Armin Tobuschat Realtest GmbH, 89143 Blaubeuren, Deutschland Zusammenfassung Der Vortrag beschreibt die Durchführung eines Betriebsfestigkeits - Nachfahrversuchs an Lithium Ionen - Batterien für Elektroantriebe in einem Rüttelprüfstand mit 7 Anregungsachsen zur Simulation der Teststrecke. Diese Batterien werden als Energiespeicher in Stadtbussen der Fa. MAN Truck & Bus SE eingesetzt. Es wird in diesem Teil 1 die reine dynamische Betriebsfestigkeitserprobung im Rüttelprüfstand beschrieben. Von der Messdatenerfassung mit den entsprechenden Sensoren, aus denen die sog. „Target“ - Signale erzeugt werden, über die Konstruktion und Herstellung der Prüfanordnung sowie den notwendigen Sicherheits - Einrichtungen, dem Einrichten des Prüfstandes auf die „Target“ - Signale, bis zur Durchführung des Prüflaufs gemäß einem festgelegten Prüfstandard wird diese komplexe Erprobungsart dargestellt. In Teil 2 erfolgt in einem nachfolgenden Vortrag die Beschreibung der Simulation der Klimarampen und den elektrischen Lade- und Entladerampen, die während des dynamischen Prüflaufs an der LiIo - Batterie erfolgen. 1. Einleitung Der Nachweis der Betriebsfestigkeit der Bauteile und Komponenten, die in Fahrzeugen serienmäßig in oft in großen Stückzahlen eingebaut werden, ist ein wichtiges Mittel, um Gewährleistungskosten infolge von auftretenden Schäden im Kundeneinsatz zu vermeiden sowie die Verkehrs- und Funktionssicherheit zu überprüfen. Mit Hilfe der modernen Prüftechnik können diese Nachweise an den Bauteilen auf experimentellem Wege in dafür hergestellten Prüfständen relativ schnell und kostengünstig erarbeitet werden. Die gegenwärtige Situation, bei der aufgrund des Klimawandels die Konstruktion und Fertigung von Fahrzeugen mit emissionsarmen Fahrzeugantrieben gefordert werden, stellt neue Herausforderungen an die Erprobung der Betriebsfestigkeit und Systemsicherheit dar. Insbesondere bei den Elektroantrieben, bei denen als Energiespeicher Hochvolt - Lithium Ionen - Batterien (LiIo) eingesetzt werden, ist die experimentelle Erprobung dieser Batteriesysteme zur Aufrechterhaltung der Betriebsfestigkeit und Systemsicherheit unumgänglich. 2. Prüfobjekt, Sensorik und Erzeugung der „Target“ - Signale zur Simulation der Teststrecken - Beanspruchungen im Prüfstand 2.1 Prüfobjekt und Sensorik Das Prüfobjekt ist eine von 6 Stück Lithium Ionen - Batterien, die auf dem Dach eines elektrobetriebenen Stadtbusses des Typs „Lions City“ der Fa. MAN Truck & Bus SE. Insgesamt befinden sich auf dem Dach 6 gleichartige Batterien. Abbildung 1 zeigt die LiIo - Batterien auf dem Dach eines Stadtbusses „Lions City“. Abbildung 1: Darstellung der Positionen der LiIo - Batterien auf dem Dach eines „Lions City“ Gemäß des vorgegebenen Prüfstandards, bei dem im Rüttelprüfstand eine bestimmte Anzahl an Teststrecken - km für die LiIo - Batterien gefordert werden, sind Messungen auf der Teststrecke mit Beschleunigungs - Sensoren und Dehnungsmessstreifen notwendig. Der Prüfstandard gibt für Omnibusse weiterhin vor, dass die Erprobung in turnus- 78 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen-Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se mäßigen Wechsel zwischen unbeladenem und beladenem Stadtbus durchgeführt werden muss. Deshalb erfolgten die Messungen mit diesen beiden Beladungszuständen. Aus diesen Messsignalen erfolgte die Erzeugung der „Target“ - Signale, auf die der Prüfstand eingerichtet wurde. Nachfolgende Abbildung 2 zeigt die Positionen der Beschleunigungs - Sensoren und Abbildung 3 die Dehnungsmessstreifen (DMS) an den Batterie - Haltern im Bereich der Schweißstruktur an der Batterie Position - Nr. 4. Abbildung 2: Darstellung der Positionen der Beschleunigungs - Sensoren auf dem Stadtbus - Dach und auf der LiIo - Batterie - Nr. 4 Abbildung 3: Darstellung der Positionen der DMS an den Haltern der LiIo - Batterie, Position - Nr. 4 2.2 Erzeugung der „Target“ - Signale Die Messungen auf der Teststrecke (Rüttelstrecke) erfolgten gemäß dem vorgegebenen Prüfstandard mit den entsprechenden Streckenabschnitten und Anzahl an Teststreckenrunden. Die Erzeugung der „Target“ - Signale erfolgte aus diesen Messsignalen für die beiden Fahrzeug - Beladungszustände, beladen und unbeladen. Abbildung 4 zeigt die Zeitfunktionen der aufgezeichneten Beschleunigungs - und Spannungs - Signale an den DMS. Die Erzeugung der „Target“ - Signale erfolgt mit dem Ziel einer Zeitraffung zur Prüflaufzeit - Verkürzung bei möglichst geringem relativem Schädigungsverlust zu erhalten. Dies erfolgt auf Basis der sog. „Rainflow Protection“ - (RP - ) Filterung: Hierbei wird an definierten „Master“ - Sensoren untersucht, welche Signalanteile zeitsynchron über sämtliche Sensoren entnommen werden können, um den vorgegebenen Schädigungsverlust an Signalen der „Master“ - Sensoren nicht zu überschreiten. Wichtig bei der Festlegung der „Master“ - Signale ist, dass die Signale der Schädigung proportional sind, Beschleunigungs - Signale sind dafür weitgehend ungeeignet, Spannungen, Dehnungen, Kräfte, ect. sind für die „RP“ - Filterung aufgrund des direkten potentiellen Zusammenhangs mit der Schädigung besser geeignet. Vorliegend erfolgt die „Rainflow Protection“ - Filterung auf Basis der Spannungen an den DMS, die als „Master“ - Signale definiert wurden. Das „Ausschneiden“ der Signalanteile erfolgt zeitsynchron über sämtliche Messkanäle, auch über die als nicht - selektierten „Master“ - Kanälen. Abbildung 4: Darstellung der Beschleunigungen und der Spannungen an den DMS, LiIo - Batterie - Position - Nr. 4aus 7 Runden Teststrecke (Rüttelstrecke) und dem Vorprogramm, Kopien aus der Software „Tecware“ der Fa. LMS - Siemens Abbildung 5 zeigt am Beispiel der Messstelle DMS_33 das Ergebnis der „RP“ - Filterung. Das rot dargestellte Signal ist das Original - Signal aus der Messung auf der Teststrecke. Grün dargestellt ist das „RP“ - gefilterte Signal, das bei einem vorgegebenen Schädigungsverlust von ΔDrel. = 2% erzeugt wurde. Damit ergibt sich eine Zeitraffung um rund Faktor 4. Abbildung 5 zeigt am Beispiel der Messstelle DMS_33 die durch die „RP“ - Filterung erzeugte Zeitraffung als Zeitfunktionen sowie die Ergebnisse in Form des Bereichspaar - Zählverfahrens und den relativen Schädigungen. Abbildung 5: Ergebnis der Zeitraffung mit der „RP“ - Filterung für den unbeladenen „Lions City“ für Messstelle DMS_33, rot dargestellt das gemessenen Original - Signale aus der Messung auf der Teststrecke, grün das „RP“ - gefilterten Signal, Kopien aus der Software „Tecware“ der Fa. LMS - Siemens 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 79 Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen-Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se Auswertungen der DMS - Messstellen an den Haltern sämtlicher LiIo - Batterien haben gezeigt, dass die größten relativen Schädigungen an den Haltern der LiIo - Batterie, Position - Nr. 4 vorhanden ist. Deshalb wurden die Messsignale für diese Batterie - Position zum Erzeugen der „Target“ - Signale und dem Einrichten des Prüfstandes zugrunde gelegt. 3. Erstellung der Prüfanordnung und Installation der Sensorik 3.1 Erstellung der Prüfanordnung Die Prüfanordnung wurde als Rüttelprüfstand mit 7 Anregungsachsen ausgeführt. Diese Prüfanordnung bestand aus 4 Vertikal - Prüfzylinder, 2 seitliche (Y) Prüfzylinder und ein Längs - (X) Prüfzylinder mit den entsprechenden Anbindungselementen an einem Dachsegment eines „Lions City“ sowie Gelenken und Umlenkhebeln für die Horizontal - Prüfzylinder (X und Y). Mit den 4 Vertikalzylindern bestand die Möglichkeit, schädigungsrelevante Torsionsbeanspruchungen, die sich infolge ungleicher Bewegungen und Verformungen zwischen vorne und hinten sowie links und rechts am Dachgerippe ergeben, zu simulieren. Abbildung 6 zeigt die Prüfanordnung. Abbildung 6: Darstellung der Rüttelprüfanordnung mit den 7 Anregungsachsen für die Teststrecken - Simulation an der LiIo - Batterie Als wichtiges Merkmal dieser Prüfanordnung sind die pneumatischen Schnelllösevorrichtungen (Abbildung 6, links unten dargestellt). Diese Schnelllösevorrichtungen waren an den 4 Ecken innerhalb der Querverbindungen vorne und hinten jeweils links und rechts installiert. Über Kipphebel wird das Dachsegment mit Hilfe von Pneumatik - Zylindern mit den beiden Querverbindungen kraft- und formschlüssig verbunden. Somit konnte bei Rauch- und Brandentwicklung das gesamte Dachsegment mit der LiIo - Batterie durch einfache Betätigung an Ventilschaltern der Pneumatik - Zylinder schnell vom Prüfstand entnommen werden und außerhalb der Prüfhalle an der LiIo - Batterie entsprechende Löschmaßnahmen eingeleitet werden. 3.2 Installation der Sensorik Die Installation der Beschleunigungs - Sensoren an den entsprechenden Positionen erfolgte in Analogie zur Installation der Sensoren bei den Teststreckenmessungen (siehe Abbildung 2). Auf den Einsatz von DMS musste aufgrund der Verfügbarkeit gleichartiger Halter wie die bei den Teststreckenmessungen verzichtet werden. Das Einrichten des Prüfstandes erfolgte ohne die Kontrolle der Spannungen an diesen DMS und lediglich auf die Beschleunigungen. Abbildung 7 zeigt die Positionen der Beschleunigungs - Sensoren am Dachsegment und auf der LiIo - Batterie innerhalb der Prüfanordnung. Auf die „Target“ - Signale der Beschleunigungen wurde der Prüfstand eingerichtet. Weiterhin wurden die Beschleunigungs - Sensoren für die Prüfläufe eingesetzt, um die Simulations - Qualität während des Prüflauf zu bewerten und als Abschaltkriterien bei auftretenden Unregelmäßigkeiten beim Prüflauf zu verwenden. Abbildung 7: Darstellung der Positionen der Beschleunigungs - Sensoren am Dachsegment und auf der LiIo - Batterie innerhalb der Rüttelprüfanordnung 4. Einrichten des Rüttelprüfstandes auf die „Target“ - Signale Die Beschreibung des Einrichtens des Rüttelprüfstandes erfolgt auf Basis der Erprobung der LiIo - Batterie mit den im Abschnitt 2. beschriebenen „Target“ - Signale, die aus den Teststreckenmessungen erzeugt wurden. Im ersten Schritt erfolgt die Ermittlung des Übertragungsverhaltens zwischen der Anregung an den Prüfzylindern und an den Beschleunigungs - Sensoren. Dieser erste Schritt wird als „System - Identifikation“ (SI) bezeichnet. Im weiteren zweiten Schritt erfolgte die iterative Vorgehensweise auf Basis des aus der „SI“ berechneten Übertragungsverhaltens zur Annäherung der Response - (= Antwort) Signale an die „Target“ - Signale. Dieser Schritt wird als „Target - Simulation“ (TS) bezeichnet. Bei der „TS“ werden, auf Basis des Übertragungsverhaltens aus der „SI“, für jeden Iterationsschritt mit den „Target“- Signalen Prüfzylinder - Kolbenstangenwege berechnet. Dies wird so lange fortgeführt, bis eine ausreichende Simulations - Qualität, d. h. eine weitgehende Übereinstimmung (Konvergenz) zwischen den „Response“ - Signalen und dem „Target“ - Signalen erreicht ist. Diese, bei der Iteration berechneten Weggrößen für 80 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen-Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se die Prüfzylinder werden als „Drive“ - Signale bezeichnet. Abbildung 8 zeigt den Prozessfluss des iterativen Einricht - Prozesses. Abbildung 8: Prozessfluss beim iterativen Einrichten des Rüttelprüfstandes Nach dem letzten Iterationsschritt, wenn eine ausreichende Konvergenz zwischen „Target“ - und „Response“ - Signalen erreicht wurde, liegen die „Drive“ - Signale für den durchzuführenden Prüflauf vor. Sämtliche mathematische Behandlungen erfolgen innerhalb des Einrichtprozesses im Frequenzbereich. Eine geschlossene rechnerische Behandlung zur Berechnung der „Drive“ - Signale ist für eine ausreichende Simulations - Qualität nicht möglich. Einerseits liegen bei zu prüfenden komplexen Strukturen nichtlineare mechanische Systeme vor, andererseits ergibt eine Anregung, bspw. eines Aktuators oder Prüfzylinders, eine mehr oder weniger große Antwort an sämtlichen Sensoren. Diese Eigenschaft wird als „Multiple Input Multiple Output“ (MIMO) bezeichnet. Abbildung 9 beschreibt und zeigt schematisch die Grundlagen des System - Modells, weiterhin die Frequenz - Übertragungsmatrix. Abbildung 9: Grundlagen für das System Modell und die Frequenz - Übertragungsfunktion 4.1 Praktische Durchführung der System - Identifikation Vor dem Einrichten müssen Basisparameter festgelegt werden. Diese sind die für die Prüfläufe relevanten Frequenzintervalle sowie welche Sensoren zur Simulation verwendet werden sollen notwendig. Im vorliegenden Fall erfolgt die Simulation der „Target“ - Signale auf die Beschleunigungs - Sensoren. Als Frequenzintervall wurden 0,5 Hz bis 80 Hz festgelegt. Die untere Grenze ist notwendig, da aus prüftechnischer Sicht quasistatische, niederfrequente Bewegungen, bspw. Kurvenfahrt, aufgrund begrenzter Weggrößen an den Prüfzylindern nicht simuliert werden können und auch nicht schädigungsrelevant sind. Als obere Frequenzgrenze wurden 80 Hz gewählt, um in einem möglichst großen Frequenzbereich das Rüttelprüf - System zu kontrollieren. Abbildung 10 zeigt die Eingabeprozedur zur Festlegung der Basisparameter innerhalb der Software „Modulogic - TWR der Fa. Instron. Die praktische Durchführung einer SI erfolgt mit dem Ziel, das Übertragungsverhalten zwischen Anregungs - Zylindern und den Sensoren zu bestimmen. Um möglichst alle Kombinationen der Spektralbereiche im Prüfstand zu erfassen, werden insbesondere bei Rüttelprüfstanden, bei denen Beschleunigungs - Signale als „Target“ - Signale vorliegen, „weiß - rosa“ - Rauschsignale, als Weggrößen - Signale für die einzelnen Prüfzylinder innerhalb der relevanten Frequenzbereiche in zufälliger (randomisierter) Phasenbeziehung zueinander vorgegeben. Die Zeitfunktionen der Prüfzylinder - Weggrößen werden für jeden Prüfzylinder aus einem vorzugegebenen Leistungsdichtespektrum rekonstruiert. Abbildung 10: Eingabe der Basisparameter, Kopie aus der Software „Modulogic - TWR“ der Fa. Instron Wichtig bei der SI ist, dass die Signalstärken oder Energiedichten in entsprechenden Größenordnungen mit den „Target“ - Signalen übereinstimmen. Abbildung 11 zeigt die Sotware - Oberfläche zur Eingabe der Parameter für das „weiß - rosa“ - Rauschen für die SI. Abbildung 11: Eingabe der Parameter für das „weiß - rosa“ - Rauschen als Vorgabe der Weggrößen für die Prüfzylinder bei der SI, Kopie aus der Software „Modulogic - TWR“ der Fa. Instron In vielen Fällen werden bei der praktischen Durchführung einer SI mit unterschiedlichen Energiedichten und Frequenzintervallen die Rauschsignale im Prüfstand eingelei- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 81 Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen-Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se tet. Diese Vorgehensweise erfolgt dem Hintergrund, dass bei der nachfolgenden „Target“ - Simulation das SI - Modell angesetzt wird, das eine optimale Simulationsgüte ergibt. Nach dem Durchlauf mit dem „weiß - rosa“ - Rauschens im Prüfstand liegen die gemessenen Signale gespeichert als Zeitfunktionen vor. Diese Messsignale sind die Weggrößen - Signale der Prüfzylinder und Beschleunigungen an den Beschleunigung - Sensoren. Die Berechnung der Übertragungsfunktionen zwischen Prüfzylinder und Beschleunigungen erfolgt über die Transformation in den Frequenzbereich Diese Übertragungsfunktion ist die Grundlage für die nachfolgende TS. 4.2 Praktische Durchführung der Target - Simulation Mit Hilfe der Übertragungsfunktionen, die als Ergebnis der SI ermittelt wurden, erfolgt die schrittweise (iterative) Annäherung der „Response“ - Signale an die „Target“ - Signale. Innerhalb der TS werden die „Target“ - Signale, auf die der Rüttelprüfstand einzurichten ist, eingegeben. Bei der ersten Näherung erfolgt die Berechnung der ersten „Drive“ - Signale über die Invertierung der Übertragungsfunktionen aus der SI und der Multiplikation mit den abgeschwächten, bspw. 50% „Target“ - Signalen. Die Messdatenerfassung erfolgt mit dem Start des Prüflaufs zur TS. Abbildung 12 zeigt den Prozessfluss bei der TS (linke Darstellung) und die Zeitfunktionen der berechneten „Drive“ - Signale (rechte Darstellung). Abbildung 12: Prozessfluss bei der TS und die berechneten „Drive“ - Signale für die Weggrößen an den Prüfzylindern, Kopie aus der Software „Modulogic - TWR“ der Fa. Instron Nach der ersten Näherung mit der Datenerfassung beim Prüflauf mit dem „Target“ - Loop erfolgte die schrittweise Erhöhung der „Target“ - Signalintensität. Mit dem Ziel einer möglichst hohen Simulationsqualität, können während des Iterationsprozesses manuell Korrekturen eingestellt werden, die auf die Berechnung des neuen und folgenden „Drive“ - Signals Einfluss nehmen. Abbildung 13 zeigt die Tabelle innerhalb der Software „Modulogic - TWR“, in der diese Korrekturmöglichkeiten für die Berechnung der nachfolgenden „Drive“ - Signale vorgenommen werden können. Abbildung 13: Möglichkeiten zur Beeinflussung der Korrektur innerhalb der TS zur Berechnung der neuen „Drive“ - Signale für die Weggrößen an den Prüfzylindern, Kopie aus der Software „Modulogic - TWR“ der Fa. Instron Für die Bewertung der Simulationsgüte der einzelnen Iterationsschritte innerhalb der TS stehen verschiedene graphische Darstellungen zur Verfügung. Abbildung 14 zeigt am Beispiel des Einrichtvorgangs an der LiIo - Batterie für die Simulation der „Target“ - Signale des beladenen Fahrzeugzustand für 5 Beschleunigungs - Sensoren die Bewertungs-möglichkeiten im Zeitbereich, Frequenzbereich, in Form statistischer Darstellungen als Histogramme und als Fehler-diagramme. Abbildung 14: Graphische Darstellungen zur Bewertung der Simulationsgüte beim Einrichten des LiIo - Batterie - Prüfstandes auf die „Target“ - Signale des beladenen Fahrzeugzustandes, Kopie aus der Software „Modulogic - TWR“ der Fa. Instron Ist aus dem iterativen Einrichtprozess eine akzeptable Simulationsqualität erreicht, stehen die aus dem Einrichtprozess berechneten „Drive“ - Signale für die Prüfläufe zur Verfügung. Eine akzeptable Simulationsqualität ist erreicht, wenn die Fehlergrößen zwischen den „Target“- und den „Response“ - Signalen entsprechend klein ist. Wie die Fehlerdiagramme in Abbildung 14 zeigen, ist ein Sättigungszustand nach 23 Iterationsschritten erreicht, eine Verbesserung der Simulationsgüte erfolgt mit weiteren Schritten nicht mehr. 5. Durchführung des Prüflaufs Die Durchführung der Prüfläufe erfolgt mit den aus dem Einrichten erzeugten „Drive“ - Signalen nach den oben beschriebenen Einrichtprozeduren. Entsprechend der Forderungen, die gemäß einem Prüfstandard, vorliegend für LiIo - Stadtbus - Batterien gültig, müssen entspre- 82 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Betriebsfestigkeits-Nachfahrversuche an Lithium-Ionen-Batterien für Stadtbusse der Fa. MAN Truck & Bus Se chende Teststrecken- oder Rüttelprogramm - km für eine Betriebsfestigkeits - Freigabe absolviert werden. Abbildung 15 zeigt den Programmablauf mit den erzeugten „Drive“ - Signalen. In turnusmäßigen Abständen an „Drive“ - Signal - Wiederholungen erfolgt der Wechsel der „Drive“ - Signale für den unbeladen auf den beladen Fahrzeugzustand und umgekehrt. Diese Zustände werden in der äußeren Schleifen zweimal wiederholt, also insgesamt bis zur Forderung wird jeder Beladungszustand zweimal mit den entsprechenden Wiederholungen (n = 409) durchgeführt. Innerhalb der Spalte zur Messdatenerfassung werden die Messdaten alle 10 Loops zur Auswertung und zur Bewertung der Simulationsqualität mit steigendem Prüffortschritt abgespeichert. Zusätzlich werden an den Sensoren (Prüfzylinderwege und Beschleunigungen) Schwellwerte eingestellt, um ein Anhalten des Prüfstandes bei Unregelmäßigkeiten, die bei Rissen und auch Schäden am Prüfsystem entstehen können, zu erzwingen. Abbildung 15: Programmablauf bei den Prüfläufen mit den aus dem Einrichten erzeugten „Drive“ - Signalen Zur Bewertung der Systemsicherheit werden an der LiIo - Batterie während des dynamischen Prüflaufs elektrische Lade- und Entladevorgänge sowie thermische Rampen nach vorgegebenen Zeitintervallen simuliert. Die Beschreibung dieser prüftechnischen Untersuchungen sind in Teil 2: „Elektrische Antriebe in Fahrzeugen auf Basis von Lithium Ionen - Batterien und deren prüftechnische Behandlung während der Betriebsfestigkeitserprobung in Rüttelprüfständen“ enthalten. Unser besonderer Dank gilt der Fa. MAN Truck & Bus SE und der Fa. Instron GmbH für die Unterstützung und Genehmigung zur Veröffentlichung der Prüfanordnungen, Prüfdurchführungen und Software - Darstellungen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 83 Prüftechnik richtig angewandt Alexander Hobt Form+Test Seidner & Co. GmbH, Riedlingen, Deutschland Zusammenfassung Prüftechnik für Komponentenversuche muss gewissen Anforderungen in deren Anwendung gerecht werden. Neben den grundlegenden Faktoren wie Genauigkeit und Dauerhaftigkeit, sind auch Faktoren wie Flexibilität und Erweiterbarkeit zu betrachten. Das Ziel jedoch sind genaue, reproduzierbare Versuchsergebnisse, die Rückschlüsse auf das reale Betriebsverhalten erlauben. Dies bedeutet, dass mit der geeigneten Prüftechnik die Bauteil- und Materialantwort ermittelt werden muss. Sind mehrachsige Spannungs- und Verformungszustände im Bauteil vorhanden, ist davon das Materialverhalten beeinflusst. Bislang bestehende Festigkeitshypothesen sind im statischen Fall hinreichend verifiziert und präzise in der Vorhersage des Versagensprozesses. Bei teilweise komplexer Ermüdungsbeanspruchung können bestehende Konzepte nur in bestimmten Fällen eine zuverlässige Aussage machen. Meist sind in diesen Fällen die Materialmodelle anhand zahlreicher Versuche an betriebsnahen oder realen Versuchskörpern angepasst und validiert. Auch die Übertragbarkeit auf andere Lastfälle und Konstruktionen basiert auf Erfahrungswerten oder passenden Versuchsdaten. 1. Einleitung Für einen sicheren Betrieb muss das Bauteilverhalten bekannt sein, um bei den auftretenden Lasten einen Integritätsnachweis zu führen. Daneben kann zusätzlich das Verformungsverhalten der Bauteile von entscheidender Beudeutung sein um vorgegebene Funktionalitäten zu gewährleisten. Allen notwendigen Unterschuchungen gemein ist die Notwendigkeit, die Ergebnisse vor dem Einsatz präzise vorauszusagen. Hierfür sind geeignete Konzepte und Beschreibungs-modelle zu entwickeln. Ein wichtiger Aspekt stellt in diesem Zusammenhang die korrekte Validierung der Modelle und vor allem die Definition der Anwendungsgrenzen dar. Im vorliegenden Beitrag soll dabei ein kurzer Überblick über die Herausforderungen der Integritätsbewertung gegeben, sowie die sich daraus ergebenden Anforderungen an die Prüftechnik diskutiert werden. 2. Bauteilbewertung Ein wichtiges Ergebnis der Integritätsanalyse von Bauteilen ist der Sicherheitsfaktor. Dabei stellt der Sicherheitsfaktor die Differenz zwischen ertragbarer Last und aufgebrachter Last dar, siehe Abbildung 1. Die real vorhandene Sicherheit kann durch vorhandene Unsicherheiten bspw. in der Lastannahme oder auch im Werkstoffzustand vermindert sein. Die Berechnung des Sicherheitsfaktors kann spannungsbasiert erfolgen, über eine Vergleichs-spannung sV und einem Werkstoffkennwert K, siehe Gl. 1. Abbildung 1 Defintion des Sicherheitsbeiwertes, [1]. Die Vergleichsspannung ist durch verschiedene Konzepte definiert. Diese unerscheiden sich in den notwendigen Eingaben als auch in den Randbedingungen. Grundsätzlich muss zwischen globalen Nenn-spannungskonzepten und lokalen Konzepten differenziert werden. Diese Aufteilung gilt für statische als auch für zyklisch beanspruchte Bauteile. Eine schematische Klassifizierung ist beispielhaft in Abbildung 2 gegeben. Der rechn. Bewertung gegenübergestellt ist der Festigkeitsnachweis mittels Experiment am realen Bauteil. Das Experiment stellt, wenn es geeignet definiert ist, immer eine Möglichkeit der Validierung der Bewertungskonzepte dar. Im Folgenden soll vor allem das örtliche Konzept sowie die 84 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Prüftechnik richtig angewandt notwendigen Voraussetzungen für dessen Anwendwendbarkeit dargestellt werden. Abbildung 2 Schema Bewertungskonzepte, [2]. 2.1 Festigkeitshypothesen Wie oben beschrieben wird für die Charakterisierung der vorherrschenden Beanspruchung eine Vergleichsgröße benötigt. Die Berechnung dieser Größe kann mit geeigneten Formelwerken, den Festigkeitshypothesen, bewerkstelligt werden. Beispielsweise nach Tresca, [2], für duktile Werkstoffe unter statischer Beanspruchung nach Gl. 2. Die Wahl der entsprechenden Hypothese ergibt sich durch die Betrachtung des Versagensmechanismus und damit letztendlich des Werkstoffverhaltens. Diese Ansätze sind bekannt und gelten als validiert. Die Anwendung liefert den Sicherheitsfaktor bzw. den Festigkeitsnachweis für den jeweiligen Lastfall. Wie in Gl. 2 dargestellt, können die Extrema der Spannungswerte, die sogenannten Hauptspannungen des Spannungszustandes herangezogen werden. Der Vorteil in der Beschreibung in Hauptspannungen liegt in deren Invarianz an einem gegebenen Beobachtungspunkt. Deren Lage und Richtung kann durch den sogenannten Hauptachsenwinkel ψ bestimmt werden, siehe beispielhaft in Gl. 3. Dieser Zusammenhang beschreibt eine geometrische Funktion, abgeleitet aus dem Mohr’schen Spannungs-kreis, [1], [3]. Der Mohr’sche Spannungskreis beschreibt alle möglichen Spannungswerte für Normal- und Schubspannung eines Spannungstensors in einer festgelegten Schnittebene in allen möglichen Schnittrichtungen, siehe Abbildung 3. Die Kenntnis der Extremwerte von Normal- und Schubspannungen im Bauteil sowie deren Richtung ermöglicht, unter Berücksichtigung des Material-verhaltens, den Integritätsnachweis sowie eine Optimierung des Bauteildesigns, bspw. durch Vermeidung von konstruktiv bedingten Schwachstellen in hochbeanspruchten Schnittrichtungen. Abbildung 3 Definition Hauptachsenwinkel anhand des Mohr‘schen Spannungskreises, [1]. 2.2 Ermüdungsbeanspruchung Treten an einem Bauteil zyklische Lasten auf, so müssen diese mit geeigneten Methoden ebenfalls bewertet werden um einen dauerhaften Betrieb zu gewährleisten. Grundlage für die Bewertung sind zyklische Werkstoffkennwerte wie Zeitfestigkeit und Dauerfestgikeit, die aus dem Wöhlerdiagramm, siehe Abbildung 4, entnommen werden können. Abbildung 4 Wöhlerdiagramm, schematisch [1]. Die Werkstoffkennwerte aus dem Wöhlerdiagramm wurden jeweils mit konstanten Belastungswerten bis zum Versuchsende unter Laborbedingungen und einachsigem Spannungszustand ermittelt, meist als reiner Sinus um die Nulllage. Interessiert die Abhängigkeit der Dauerfestigkeit von der Mittelspannung, kann dies im Haigh-Diagramm aufgetragen werden, schematisch dargestellt in Abbildung 5. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 85 Prüftechnik richtig angewandt Abbildung 5 Haigh Diagram, schematisch, [1]. 2.2.1 Gekerbte Bauteile und lokale Beanspruchungen Die Übertragung von Werkstoffdaten aus einachsigen Laborversuchen auf das Bauteilverhalten kann ggf. nicht ohne weitere Untersuchungen erfolgen. In Abbildung 6 sind vergleichend Versuchsergebnisse an zyklisch belasteten, gekerbten Rundproben dargestellt, [1]. Trotz der enormen Steigerung der statischen Festigkeitskennwerte, ergibt sich keine Steigerung der Dauerfestigkeit. Diese Zusammenhänge können durch fortschrittliche Berechnungskonzepte dargestellt werden, zuverlässig jedoch nur durch experimentelle Untersuchungen an Bauteilen und bauteilähnlichen Proben. Abbildung 6 Ermüdungsversuche an gekerbten Proben unterschiedlicher Festigkeit, [1] 2.2.2 Komplexe, mehrachsige Beanspruchungen Die Defintion einer geeigneten Vergleichsspannung stellt sich jedoch deutlich schwieriger dar. Neben den einzelnen Spannungskomponenten sind Parameter des zeitlichen Verlaufs (bspw. Mittelspannung, Phasenlage) sowie des Bauteils (bspw. Geometrie, Beschaffenheit) zu berücksichtigen. Eine grundsätzliche Einteilung nach Kriterien der Lastspannungsverläufe ist in Abbildung 7 gegeben. Abbildung 7 Mehrachsige Belastungsfälle, aus [4] Aus der Definition des Hauptachsenwinkels nach Gl. 3, kann überprüft werden ob eine Abhängigkeit von der Zeit vorliegt, Gl. 4. Trifft dies zu, so liegt ein nicht-körperfestes Hauptachsensystem (HAS) vor. Dies bedeuted, dass die Lage der Ebene und damit die Richtung, der maximalen Beanspruchung sich über einen Belastungszyklus ändert. Gerade für solch komplexe Beanspruchungszustände müssen geeignete Bewertungskonzepte und auch Festigkeitshypothesen definiert werden, um eine sichere Bauteilbewertung zu ermöglichen. In lokalen Konzepten wurden unterschiedliche Hypothesen aufgestellt, auf die hier nur punktuell eingegangen werden soll. Eine kurze Vorstellung beispielhafter Normen und Richtlinien erfolgt getrennt. Allen Hypothesen gemein ist, dass sie jeweils an wenigen Werkstoffen und begrenzten mehrachsigen Spannungszuständen auf Universalprüfmaschinen validiert wurden. Ein technisch wichtiger Fall ist die Überlagerung von Biegespannung und Torsionsspannung, bspw. in der Antriebsachse eines Fahrzeugs. Bereits der einfache Fall konstanten Drehmoments und damit konstanter Torsionsspannung sowie rein wechselnder Normal-spannung bei umlaufender Welle sorgt für ein nicht-körperfestes HAS. In [5] wurden unterschiedliche Lastfälle mit verschiedenen Kombinationen zeitlicher Verläufe von Torsions- und Normalspannung betrachtet. Nachrechnungen des Autors für diese Lastfälle und simpler Anwendung statischer Festigkeits-hypthesen zeigten Abweichungen von bis zu 70% sowohl auf die sichere, als auch zur unsicheren Seite hin. Bei den konservativen Ergebnissen wäre zwar ein sicherer Betrieb gewährleistet, es würde aber zu unnötigen Kosten- und Gewichtssteigerungen führen was ggf. nicht toleriert werden kann. Der wichtige Fall von mehrachsig beanspruchten Wellen (kombinierte Längs- und Schubspannungs-beanspruchung) mit nicht-körperfestem HAS wurde bspw. durch Carl von Bach beschrieben und in seiner erweiterten Festigkeitshypothese durch das Anstrengungsverhältnis ermittelt, [1], [6]. Es trug zu einer deutlichen Verbesserung der Festigkeits-berechnung bei, beispielhaft für eine über- 86 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Prüftechnik richtig angewandt lagerte Beanspruchung aus Axialkraft (statisch) und Torsions-moment (wechselnd) in Abbildung 8 dargestellt. Abbildung 8 Bewertung nach Bach, [1]. Die Arbeiten von Bach beruhten auf reinen experimentellen Untersuchungen. Das Konzept ist somit nur für bestimmte Fälle abgesichert, [1], [6]. Für weitere, komplexe Beanspruchungen mit nichtkörperfestem HAS müssen andere Ansätze gefunden werden. Wie im Haigh-Diagramm dargestellt kann eine ertragbare Spannungsamplitude in Abhängigkeit der Mittelspannung bestimmt werden. Die Schwierigkeit bei komplexen Beanspruchungen mit phasen-verschobenen Belastungskomponenten liegt in der Findung von Vergleichsmittelspannung und Vergleichs-amplitude. Eine Möglichkeit besteht in der Berechnung der Bahnkurven von Schubspannung und Normalspannung in Abhängigkeit der Raumwinkel, siehe Abbildung 9. Hierdurch können die Extrema und somit die höchstbeanspruchte Ebene gefunden werden. Diese Methode wird auch Methode der kritischen Schnittebene (MKS) genannt, [1], [5]. Abbildung 9 Mehtode der kritischen Schnittebene, [1], [5]. Eine integrale Formulierung wurde mit Schubspannungsintensitätshypothese (SIH) geleistet, [4] [7], siehe Gl. 5. Natürlich gibt es für die Beschreibung des Ermüdungsverhaltens auch dehnungsbasierte, oder energiebasierte Konzepte, die für sich gesehen ebenfalls eine entsprechende Berechtigung haben. Auf diese kann im Rahmen dieses Beitrags nicht weiter eingegangen werden. Die hier diskutierten Vorbetrachtungen gelten aber auch grundsätzlich für diese. Auch wurden unterschiedliche Regelwerke erstellt, die einen Nachweis vermeintlich vereinfachen und standardisieren sollten. Auf einzele Regelwerks-beispiele soll im Rahmen dieses Beitrages noch getrennt eingegangen werden. 2.3 Einflussfaktoren Neben den diskutierten spannungsmechanischen Vorraussetzungen auf die Ermüdungsfestigkeit ergeben sich auch mechanisch-technologische Einflussfaktoren. Als wichtigste Größen seien hier allseits bekannte Einflüsse von Oberflächengüte, Eigenspannungen aber auch der oft vernachlässigte Einfluss der Bauteilgröße genannt. Neben diesen gibt es sicherlich noch weitere Faktoren, die im Einzelfall zu betrachten sind, besonders wenn zu erwarten ist, dass sie die Ermüdungsfestigkeit merklich reduzieren. Allen Faktoren gemein ist, dass es unmöglich ist, deren Einfluss ohne experimentelle Untersuchungen genau zu quantifizieren. 2.4 Behandlung in Regelwerken Für die Auslegung sicherheitsrelevanter Komponenten werden oft technische Regelwerke angewandt. Teilweise ist dies durch den Gesetzgeber explizit vor-geschrieben. Die dort beschriebenen Konzepte scheinen abgesichert, für Grundwerkstoffe als auch Schweissnähte, und bieten oft eine einfache Beschreibungsmöglichkeit. Die Schwierigkeit liegt meist in den wenig bekannten Grundlagen, die zur Defintion dieser Konzepte geführt haben, und in der Bewertung des Anwenders in seinem konkreten Lastfall. Die Regelwerke bieten teilweise die Beschreibung über Nenn- und Strukturspannungskonzepte wie in [9], ohne die Berücksichtigung von Mehrachsigkeitseffekten. Andere Regelwerke wie [10]1 oder [11] geben auch Konzepte für örtliche Spannungswerte an. In [10] wird jedoch explizit auf die Schwierigkeit von nicht-körperfesten HAS verwiesen und für diesen Fall eine sehr grobe Näherung für die Vergleichsspannung herangezogen. Es werden hier maximale Schwingbreiten (unabhängig von Zeitpunkt und teilweise auch Richtung) gebildet. Diese sollte eine sehr konservative Bewertung erlauben und damit ggf. Bauteilgewichte unnötig erhöhen. In [11] werden Vergleichsspannungen als Schwingbreiten mit Bezug zu einem selbstgewählten Referenzzeitpunkt, siehe beispielhaft Abbildung 10, gebildet und mit einer im Regelwerk genannten Lebensdauerkurve bewertet. 1 Anmerkung: Zum Zeitpunkt der Berichterstellung lag die neue, überarbeitete Version der FKM dem Autor nicht vor. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 87 Prüftechnik richtig angewandt Abbildung 10 Vergleichsspannung nach [11] aus [1] Zieht man die vorangegange kurze Zusammenfassung von unterschiedlichen Bewertungskonzepten für mehrachsige Beanspruchung in Betracht, so muss daraus geschlossen werden, dass viele Lastfälle durch die Regelwerke eine experimentelle Validierung bedürfen. 3. Anforderungen an Prüftechnik Eine generelle Anforderung an die Prüftechnik besteht in der Validierung des Bewertungskonzeptes und damit schlussendlich einer Verringerung des notwendigen Sicherheitsfaktors aber eine Erhöhung der Betriebssicherheit. Für den richtigen Aufbau mehraxialer Prüftechnik, schematisch in Abbildung 11 gezeigt, müssen alle notwendigen Randbedingungen klar definiert werden. Abbildung 11 Prüfportal, bi-axiale Belasung, schematisch Dies trifft besonders zu, wenn die realen Last-bedingungen durch Bauteilgröße und Kosten sowie der Lasterzeugung nicht 1: 1 aufgebaut werden können. Der Prüfstand muss gerade dann in der Lage sein, die Bauteilbeanspruchung so nachzubilden, dass eine Validierung des Bauteilverhaltens möglich ist. 3.1 Anforderungen an die Genauigkeiten Bei Prüfmaschinen und Prüfständen mit großen Lasten besteht der Wunsch, diese möglichst flexibel auch bei Prüfungen mit kleineren Lasten einzusetzen. Dabei müssen jedoch die Anforderungen an die Mess-genauigkeit und Regelgüte betrachtet werden. Da Kraftaufnehmer in einer bestimmten Genauigkeitsklasse nur bis zu einer festgelegten minimalen Prüfkraft kalibriert sind, muss ggf. ein weiterer Kraftaufnehmer mit kleinerem Messbereich eingesetzt werden. Um eine Überlastung dieses Aufnehmers zu vermeiden, muss jedoch der Prüfstandsregler den eingesetzten Kraft-aufnehmer erkennen und einen entsprechenden Grenzwert einstellen. Eine Möglichkeit besteht über sogenannte Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)-Sensorstecker. Hier werden die benötigten Sensordaten auf dem Stecker gespeichert und über ein einheitliches Protokoll an den Regler übertragen. Wichtig ist, dass kleine Messgrößenänderungen nicht nur bei kleinen Absosultwerten (bspw. kleine Amplitude bei großer Mittellast) auftreten. Da die Messwertverarbeitung meist digital erfolgt muss die Regelelektronik ausreichende Datentiefe besitzen, um die zu berechnenden Spannungen und Dehnungen ausreichend genau aufzulösen. Nicht zuletzt muss der Regler in der Lage sein, die Regelstrecke präzise zu steuern. Gerade bei hydraulischen Prüfständen für hohe Dynamik wird ein hoher Ölfluss benötigt. Da das Steuersignal des Servoventils begrenzt ist, sollten für eine feine Ausregelung des Sollwerts mehrere Servoventile ggf. mit unterschiedlicher Größe eingesetzt werden. 3.2 Anforderungen an die Kinematik Im Aufbau des Prüfstandes muss gewährleistet werden, dass gerade bei mehraxialer Belastung die einzelnen Lasteinleitungselemente keinen gegenseitigen Zwang aufbringen. Werden kinematische Zwangsbedingungen nicht richtig aufgelöst, wird der Spannungszustand geändert und kann zudem zu erhöhtem Verschleiss der Versuchstechnik führen. Dazu muss vorab der Kraftfluss geprüft werden und ggf. Ausgleichselemente, wie Kugelgelenke oder Gelenklager verwendet werden. Wichtig ist auch zu beachten, wie die Reaktion bei Vorzeichenwechsel der Kräfte ist. Sind die Elemente nicht verspannt, kann es zu Sprüngen kommen, die das Messergebnis und die Reglerperformance beeinflussen können. 3.3 Anforderungen an die Messtechnik Die Messtechnik muss nicht nur den bereits beschriebenen Anforderungen der Genauigkeit genügen. Ein wichtiger Aspekt ist die Nicht-Beeinflussung von Messergebnissen. In den meisten Fällen wird an Proben und Bauteilen die Verformung gemessen, da Spannungen im Bauteil nur über die Dehnung und den dann angenommenen Spannungs-Dehnungszusammenhang ermittelt werden können. Auch ist Dehnungsmessung für dehnungsbasierte Ermüdungsansätze essentiell. 88 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Prüftechnik richtig angewandt Abbildung 12 Messtastereindruck, Beispiel entnommen aus [11]. In Abbildung 12 ist eine Ermüdungsprobe aus einem weichen Probenmaterial beispielhaft dargestellt. Die Versuchsprobe wurde mit einer überelastischen Dehnung beansprucht. Für die Messung und Regelung der Dehnung wurde ein kontaktierendes Extensometer eingesetzt. Trotz minimalster Anpresskräfte entstand bei fortgeschrittener Lastwechselzahl ein Eindruck der Messtasterspitze und folglich auch ein Anriss. Mit geeigneter berührungsloser Messtechnik, bspw. einem Videoextensometer, kann diese Art der Beeinflussung vermieden und eine korrekte Lebensdauerkurve ermittelt werden. 3.4 Anforderungen an die Datenstruktur Da Prüftechnik und Versuchsdurchführung mit entsprechenden Kosten verbunden ist, wird nach Möglichkeiten der Effizienzsteigerung gesucht. Dies bedeuted nicht nur die Raffung von Versuchszeiten, sondern auch die Reduktion an Versuchspunkten. Dies kann durch intelligente Nutzung der Versuchsdaten und auch der für den Versuch vorliegenden Metadaten im Rahmen von Simulationsmodellen oder statistischen Auswertungen erfolgen. Dies ist gegenwärtig zentraler Aspekt von laufenden Forschungsprogrammen rund um die Digitalisierung von Prüfumgebungen in der Materialprüfung, wie bspw. in [13] kürzlich vorgestellt. 3.5 Anwendungsbeispiele Für einen flexiblen Aufbau des Versuchsstandes bieten sich als Grundplatte T-Nutenplatten an, auf denen Lastrahmenelemente verschraubt werden. Die einzelnen Querträger und Aktuator-Aufnahmen können in diesem Rahmen frei verschoben werden. Es kann damit der Rahmen um jedes Bauteil errichtet werden, um jeden gewünschten Spannungszustand abzubilden und vor allem auf Modifikationen der Bauteile zu regaieren, siehe beispielhaft Abbildung 13. Abbildung 13 Flexibler Lastrahmenaufbau, FORM+ TEST 2016 Abbildung 14 zeigt schematisch einen Prüfstand mit 5 Regelachsen für Kraft und Torsionsmoment. Entwickelt wurde er für die Prüfung von Fahrwerkskomponenten. Durch den modularen Aufbau und die stufenlosen Verstellmöglichkeiten können Prüflinge unter-schiedlicher Baureihen gezielt untersucht werden. Die speziellen Bauteilaufnahmen garantieren einen genau definierten Lagerzustand. Abbildung 14 Mehrachsprüfstand, FORM+TEST 2017 Für richtige Bewertung von Querkräften auf einem Biaxialen Prüfstand können entweder Kraftmessglieder in den einzelnen Richtungen verwendet werden. Da diese aber mit der jeweils senkrechten Last beaufschlagt werden, kann bspw. eine Druckmessung in den hydro- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 89 Prüftechnik richtig angewandt statischen Lagerungen im Aktuator dazu dienen, die Querkräfte nach Höhe und Richtung zu bestimmen. Ein entsprechendes Schema ist in Abbildung 15 gezeigt. Abbildung 15 Schema zur Bestimmung der Querkraft aus den Drücken im Hydrolager, FORM+TEST 2020 4. Zusammenfassung und Schlussfolgerung Experimentelle Prüfung von Proben und Bauteilen ist eine notwendige Validierung der Integritätsbetrachtung. Ziel ist eine möglichst exakte Abbildung des Be-anspruchungszustandes den die Komponente im realen Betrieb erfährt. Nur so kann die Betriebssicherheit garantiert werden. Die Effizienz der Prüftechnik hängt dabei von den Konfigurationsmöglichkeiten des mechanischen Aufbaus aber auch der Software- und Datenstruktur ab, insbesondere dann, wenn die Bauteile nicht direkt im Originalmaßstab geprüft werden können. Die möglichst flexiblen Aufbaumöglichkeiten der Mechanik als auch der Software gewährleisten eine lange Einsatzdauer des Prüfstandes, da viele unterschiedliche Bauteile und Lastzustände abgebildet werden können. Literatur [1] S. Weihe, „Festigkeislehre I,“ Vorlesungsmanuskript, IMWF Universität Stuttgart, 2020. [2] S. Issler, „Entwicklung eines Verfahrens zur Lebensdauervorhersage für Schaufel-Scheibe-Verbindungen bei Gasturbinen, Dissertation,“ Universität Stuttgart, 2001. [3] H. Tresca, „ Mémoire sur l’écoulement des corps solides soumis à de fortes pressions,“ Gauthier-Villars, Paris, 1864. [4] C. O. Mohr, „Über die Darstellung des Spannungszustandes und des Deformationszustandes eines Körperelementes und über die Anwendung derselben in der Festigkeitslehre,“ Der Civilingenieur. Organ des sächsischen Ingenieur- und Architekten- Vereins, Bd. 28, pp. 112-156, 1882. [5] T. Fesich, „Mehrachsigkeit,“ Disserstation - IMWF Universtität Stuttgart, 2012. [6] E. Roos und S. issler, „Bewertungsansätze bei komplexer mehrachsiger Schwingbeanspruchung und Vergleich mit experimentellen Untersuchungen,“ VGB Power Tech 6, pp. S. 78-87, 2002. [7] v. B. Carl, Die Maschinen Elemente. Ihre Berechnung und Konstruktion. Mit Rücksicht auf die neueren Versuche, Bde. %1 von %2Band 1, 11. Auflage, Leipzig: Krönder Verlag, 1913. [8] J. Liu und H. Zenner, „Berechnung der Dauerschwingfestigkeit bei mehrachsiger Beanspruchung,“ Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, pp. Nr. 7: S. 240-249; Nr.8: 296-303; Nr. 9: 339-347, 1993. [9] DIN, „EN 1992-1-19: Eurocode 3: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten, Teil 1-9 Ermüdung,“ Normenausschuss Bauwesen, 2010. [10] FKM, Rechnerischer Festigkeitsnachweis für Maschinebauteile aus Stahl, Eisenguss- und Aluminiumwerkstoffen, Frankfurt/ Main, 2003. [11] ASME, Boiler & Pressure Vessel Code Section III, Rules for Construction of Nuclear Power Plant components, Division I, Sub-section NB & NH, New York: ASME, 2010. [12] W. Guth und A. Hobt, Vorlesung Festigkeitslehre II, HS Esslingen, Sommer-Semester 2020. [13] DVM, „Grundlagen und Beispiele zur Digitalisierung für die Materialforschung und -prüfung,“ in Online Workshop, Berlin, 20. und 21. Oktober 2020. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 91 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit Grundlagen von Schwingisolierung, bis Aufbau eines Schwingfundamentes in der Praxis Alexander Eisfeld EISFELD-IMS GmbH, Römerstraße 3a, 85247 Schwabhausen Bernhard Toebe FABREEKA GmbH, 64572 Büttelborn, Deutschland Einleitung Produktions- und Fertigungsbereiche, Entwicklungs- und Messräume zur QS rücken in technisierten Betrieben immer näher zusammen. Das Nebeneinander der unterschiedlichen Interessen bringt Beeinträchtigungen durch Vibrationen mit sich. Präzise und wiederholbare Datenaufnahmen durch Messinstrumente und Aufnehmer werden erschwert bzw. unmöglich gemacht. Ebenfalls beeinträchtigen unerwünschte Schwingungen das Wohlbefinden und die Gesundheit des Bedien- und Büropersonals in den umliegenden Messwarten und Büroräumen. Vor der Umnutzung oder dem Neubau einer Anlage oder eines Prüfstandes sind mögliche Emissionen durch Schwingungen vom Planer und Betreiber ingenieurtechnisch zu ermitteln und von allen Beteiligten zu bewerten. Ein späteres Nachbessern bereits aufgestellter problematischer Anlagen ist oft umständlich und mit erhöhten Baukosten verbunden. Abhilfe kann hier durch geeignete bautechnische Maßnahmen, z.B. den Einbau von wirkungsvollen Isolatoren geschaffen werden. 1. Begriffsdefinition Aktiv / Passiv nach VDI 2062 Die Schwingungsisolierung wird unterteilt in: Quellenisolierung (Emissionsschutz): - Von einer Maschine oder Anlage ausgehende Kräfte werden an die Umgebung in reduzierter Form übertragen; - Empfänger-Isolierung (Immissionsschutz): Am betreffenden Aufstellungsort vorhandene Schwingungen, gehen auf die Maschine oder Anlage in reduzierter Form über. [1] 2. Wann ist eine Isolation sinnvoll oder notwendig Aktive Schwingungen beeinträchtigen umliegende Mitarbeiter, Anlagen und Gebäude. Zulässige Werte sind unter anderem in VDI-Regelwerken und dem Bundes-Immissionsschutzgesetz -BimSchGvorgegeben. [2] Durch Schwingungsmessungen vor Ort und deren Bewertung nach einschlägigen Normen und Regelwerken lässt sich feststellen, ob derartige Immissionen für Menschen als störende Einwirkungen anzusehen sind. Ob erschütterungsbedingte Belästigungen zu erwarten sind, zeigt der Vergleich von Mess-ergebnissen mit den Anhaltswerten der DIN 4150-2 [3] „Erschütterungen im Bauwesen, Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden“, der VDI 2038 [4] „Gebrauchstauglichkeit von Gebäuden bei dynamischen Einwirkungen“ und der VDI2057[5] „Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf Menschen“ 92 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 3. Systeme der Isolation Einsatzbereich Isolation Alle Übertragungsfunktionen eines 1-Massen-Schwingers mit verschiedenen Dämpfungswerten verlaufen durch den Frequenzverhältniswert von √2. Ab diesem Punkt beginnt die eigentliche Isolation. Ein Abstimmverhältnis der Eigenfrequenz zur Anregungsfrequenz von 1: 3 ist anzustreben. Eine 80%ige Isolierwirkung ist in den meisten Fällen mit einem überschaubaren Aufwand realisierbar. Ab einem Abstimmverhältnis >3 fällt der Kosten-Nutzen-Faktor entsprechend ab. Bei Verhältnissen >4 kann die Isoliermaßnahme unwirtschaftlich werden. 4. Planerische / bautechnische Vorbereitung zum Einbau einer Aufspannplatte und seismische Massen Für den modularen Aufbau eines Prüfstandes eignen sich vorwiegend Eisen-Gussplatten im Werkstoff EN-GJL oder EN-GJS. Durch die vorhandene Nutzung und einer Oberflächenbearbeitung [8] lassen sich Prüflinge und Aktuatoren einfach verschieben und befestigen. Durch das hervorragende Dämpfungsvermögen, hohe Belastbarkeit und einer relativ hohen Eigenmasse hat sich der Werkstoff EN-GJL-250 (GG25) [9] seit vielen Jahren bewährt. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 93 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 4.1 Aufspannplatten können als Module im Standardisierten Raster von 500 mm (ab einer Plattengröße von 2x1m) kostengünstig angefertigt und auf der Baustelle oder engen Prüfräumen biegesteif zusammengesetzt werden. [B3] Eine direkte Aufstellung auf einen Industrieboden ist generell unproblematisch, eine Aufständerung (StB-Stützen oder Stahlstützen) über ein Stockwerk ist realisierbar. [B4] Für das notwendige Masse-Federsystem hat sich die Faustformel „Masse des Prüfstandes ist 100mal bewegte Masse“ als Abschätzung durchgesetzt. Eine ingenieurtechnische Bewertung durch einen Baustatiker ist jedoch empfehlenswert. [B5] 4.2 Kombination aus Spannplatte und Stahlbeton Wird die notwendige Masse nicht erreicht, kann diese durch eine Kombination mit Stahlbeton realisiert werden. Stahlbeton eignet sich hier ebenfalls als Tragstruktur. Diese Kombination ist in Fällen von Notwendigkeit großer Massen erforderlich. Gleichzeitig durch die Kombination Stahlbeton und Aufspannfeld, Wirtschaftlich. Jedoch sind diese Fundamente, mit erhöhtem bautechnischem Aufwand, verbunden. Ein geeignetes Verankerungssystem ist hier einzuplanen. Beton-Fertigteile sind, bis zu einer gewissen Masse und Spannweite, eine beliebte Option. [B6] 4.3 Ankersysteme Geeignete Ankersysteme zur Befestigung der Spannplatte auf Stahlbeton Harpunenanker Eine beliebte Art zur Befestigung sind Harpunenanker. Diese brauchen eine spezielle Installation, bringen jedoch den Vorteil das diese auch auf bestehende Fundamente installieren werden können. [B7] 94 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit Zugstangen Diese Befestigung ergibt die statisch stärkste Verbindung zwischen Fundament und Aufspannplatte muss jedoch schon im Bewährungsplan mit einberechnet und exakt aufgestellt werden. Die Planung und Installation erfordern einen besonderen Aufwand. [B8] Stellfüße Stellfüße werden vor der Installation eines Aufspannfeldes mit großer Genauigkeit aufgestellt. Diese Befestigung ist nach exakter Installation sehr genau und kann nach Installation des Aufspannfeldes noch minimal nachjustiert werden. Stellfüße können ebenfalls auf bestehende Fundamente installiert werden. Bei Umbau des Aufspannfeldes auf demselben Fundament könne die Stellfüße entfernt und neu angeordnet werden. Bei den Stellfüßen ergibt sich jedoch die geringste Steifigkeit zwischen Fundament und Platte. Diese werden nicht vergossen und ist somit die beste Lösung für jeden der im Voraus plant das Aufspannfeld nach gewisser Zeit umbauen zu wollen. [B9] Berechnungsgrundlage von Anker und Stellfüßen. Aus der Praxis 5. Korrosion der Aufspannplatte vermeiden / entfernen Prüfstände zur Umweltsimulation sind besonderen Bedingungen ausgesetzt. Tauwasserbildung oder Salzsprühnebel fördern Korrosionen an der Aufspannplatte. Zur Vermeidung können Platten mit Chemisch Nickel oder einem metallischen Zinküberzug versehen werden. Diese Beschichtungen haben sich jedoch auf Dauer nicht bewährt, da sie leicht mechanisch beschädigt werden könnten. Weiterhin bieten Hersteller von Spezial-schmierstoffen auch Korrosionsschutzmittel an. Diese können auf bereits korrodierten Oberflächen als auch prophylaktisch bei neuen Gussplatten einfach aufgetragen werden. Jedoch muss dies mittelfristig wiederholt werden. Langzeitversuche stehen noch aus. Die Produkte stehen für Transparenz, Begehbarkeit sowie eine gute Abreinigung der Oberflächen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 95 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit 6. Anlieferung und Aufbau eines Schwingfundamentes 6.1 Freistehende Spannplatte: auf ein Autarkes Tragwerk Guss Spannplatten können statisch aufgrund der Systemausbildung als Stabwerk, Ein, Mehr oder Gelenkträger betrachtet werden. Die Auflager sind Punktlager. Weiter Tragkonstruktionen sind nicht erforderlich. Gussplatten sind in den Maximalgrößen Breite 3m und länge 5m möglich. Plattenfelder werden aus Segmenten zusammengesetzt (Gelenkträger). Einbau einer Einzelplatte 6.2 Hybrid Tragwerk aus Stahlbeton und Spannplatte Durch die Kombination von Spannplatte und Stahlbeton wird eine höhere Tragfähigkeit und Steifigkeit erreicht. Große Prüffelder (Spannweiten) sind damit realisierbar. Stahlbetonfundament Plattensegment mit Passfeder und Schrauben Durch die Verbindung, Fundament und der Plattensegmente wird eine hohe Seismische Masse erreicht diese wirkt sich positiv auf das Dynamischer Verhalten (Schwingweg) aus. 96 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Schwingungsisolation von rotierenden und pulsierenden Prüfständen in der Betriebsfestigkeit Quellennachweise: [1] VDI 2062 Blatt 1 - 2011-05 Schwingungisolierung - Begriffe und Methoden [2] §3 Abs. 1 BlmSchG - Gesetz zum Schutz vor schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge [3] DIN 4150 Teil 2: „Erschütterungen im Bauwesen - Teil 2: Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden“; Stand: Juni 1999 DIN 4180 Teil 3: „Erschütterungen im Bauwesen - Teil 3: Einwirkungen auf bauliche Anlagen“; Stand Dez. 2016 [4] VDI 2038 Blatt 2: 2013-01 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkungen - Untersuchungsmethoden und Beurteilungsverfahren der Baudynamik - Schwingungen und Erschütterungen - Prognose, Messung, Beurteilung und Minderung [5] VDI 2057 Blatt 1 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf den Menschen - Ganzkörper- Schwingungen [6] VC-Kurven: VDI 2038 Blatt 2 - 2013-01 Gebrauchstauglichkeit von Bauwerken bei dynamischen Einwirkunge [7] DIN DIN 650 - 1989-10 Werkzeugmaschinen; T- Nuten; Maße [8] DIN 876-2 - 1984-08 Prüfplatten; Prüfplatten aus Gusseisen; Anforderungen [9] EN GJL 150-300 nach DIN EN 1561 [B1] KTI Schwingungstechnik GmbHD-40822 Mettmann [B2] ACE Stoßdämpfer GmbH, DE - 40740 Langenfeld [B3] FKFS Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart [B4] MEUSELWITZ GUSS Eisengießerei GmbH, 04610 Meuselwitz [B5] FKFS Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart [B6] Technische Universität Graz [B7] LUDWIG FREYTAG GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, 26129 Oldenburg [B8] CVT Industriebedarf GmbH, 76676 Graben-Neudorf [B9] Fixatorenbau Bertuch & Co. GmbH, 51381 Leverkusen 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 97 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Dr. Timo Jungblut, Luis Böhm, Dr. Michael Winter, Dr. Steffen Rödling IABG mbH, Ottobrunn, Deutschland Zusammenfassung In modernen Fahrzeugen werden neben elektromechanischen Lenkungen immer häufiger auch aktive Fahrdynamiksysteme eingesetzt. Die Entwicklungsaufwände und Innovationen verlagern sich hierbei von den mechanischen Baugruppen in die Elektronik und Software. Für die Entwicklung solcher Systeme werden Prüfstände benötigt, die eine Charakterisierung und Absicherung des mechatronischen Gesamtsystems, bestehend aus Mechanik, elektrischem Antrieb, Elektronik und Software ermöglichen. Funktionsprüfstände für aktive Fahrdynamiksysteme beinhalten neben einer hochdynamischen mechanischen Belastungseinheit daher immer auch die Möglichkeit zur Ansteuerung der Prüflinge über eine Restbussimulation und eine elektrische Leistungsversorgung. Um solche Prüfsysteme in kleinen Stückzahlen und in kurzer Zeit wirtschaftlich realisieren zu können, setzt die IABG als Systemanbieter kundenindividueller Prüfsysteme unter anderem auf modulare Lösungen. Einen weiteren wichtigen Lösungsansatz stellt eine durchgehende modellbasierte Auslegung dar. Die genannten Lösungsstrategien werden beschrieben und mit Beispielen aus aktuellen Entwicklungsprojekten veranschaulicht. 1. Einleitung Die zunehmende Digitalisierung führt aktuell zu tiefgreifenden Veränderungen in der Industrie. Neue Produkte, Dienstleistungen und Geschäftsmodelle entstehen, während etablierte, klassische Wertschöpfungsketten zunehmend in Frage zu stellen sind [1]. Die Automobilindustrie, die seit Jahrzehnten eine Schlüsselindustrie für Wohlstand, Innovation und Beschäftigung in Deutschland darstellt, ist von diesem Wandel in besonderer Weise betroffen. Auch aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung steht die Branche aktuell vor erheblichen Herausforderungen [2]. So waren bereits im Jahr 2014 in einem Fahrzeug der Mittelklasse mehr als 100 Steuergeräte und bis zu acht Kilometer Kabel verbaut [3]. Auf den Steuergeräten wurde schon zu diesem Zeitpunkt mehr Code ausgeführt, als in einem Passagierflugzeug [4]. Eine Untersuchung der Beratungsgesellschaft Invensity kam im gleichen Jahr zu dem Ergebnis, dass bereits damals 90 Prozent der automobilen Innovationen in den Bereichen Elektronik und Software lagen [3]. Während zu diesem Zeitpunkt, wie in Abbildung 1 dargestellt, durchschnittlich noch etwa 100 Millionen Zeilen Code pro Fahrzeug ausgeführt wurden, ist bis 2025 mit mehr als 600 Millionen Zeilen Code pro Fahrzeug zu rechnen [4]. Im Fall der Automobilindustrie kommt hinzu, dass die Branche aufgrund des Zusammenwirkens von vier Megatrends (alternative Antriebe, autonomes Fahren, vernetzte Fahrzeuge, neue Mobilitätsangebote) vor einem fundamentalen Wandel in den nächsten beiden Jahrzehnten und hiermit einhergehenden Herausforderungen steht [2]. Wie stark welcher dieser Trends zukünftige Entwicklungen beeinflussen wird, ist von verschiedenen Faktoren abhängig. Prognosen sind daher extrem ungenau. Wesentliche Faktoren für die weitere Entwicklung sind unter anderem zukünftige Gesetzgebungen, ein möglicher Wandel im Nachfrageverhalten sowie weitere technologische Entwicklungen [2]. Auch wenn genaue Prognosen zu den einzelnen Anteilen schwierig sind, scheint es doch sicher, dass die Bedeutung von Software und Elektronik im Fahrzeug schon infolge jedes einzelnen der vier Trends nochmals erheblich steigen wird. Der Anteil an Innovationen aus den Bereichen Elektronik und Software wird sich daher zukünftig wohl noch weiter erhöhen. Das bedeutet aber auch, dass der zu betreibende Aufwand für die Absicherung der Systeme und insbesondere der Software, noch weiter steigen wird. Dies setzt wiederum in hohem Grad automatisierte Testprozesse und Prüfsysteme voraus. 98 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 1: Prognostizierte zeitliche Entwicklung der mittleren Anzahl an Zeilen Code pro Fahrzeug [4] 2. Funktionsprüfstände für aktive Systeme Abbildung 2: Prinzipielle Funktionsgruppen eines Prüfstandes für aktive Fahrdynamiksysteme am Beispiel eines Funktionsprüfstandes für aktive Wankstabilisatoren Mit dem Ziel bestehende Zielkonflikte aufzulösen, weitere Freiheitsgrade für Optimierungen zu schaffen oder neue Funktionalitäten zu ermöglichen, werden in modernen Fahrzeugen immer häufiger aktive elektromechanische Systeme eingesetzt. So wurden beispielsweise Lenkungen mit hydraulischer Lenkkraftunterstützung weitestgehend durch elektromechanische Lenkungen substituiert. Ein Vorteil solcher EPS-Lenkungen (Electric Power Steering) besteht darin, dass das unterstützende Moment einfacher in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit allein durch die Software angepasst werden kann. Der klassische Zielkonflikt zwischen starker Lenkhilfe beim Einparken und geringer Lenkhilfe bei schneller Fahrt wird durch die adaptive Übersetzung aufgehoben. Zusätzlich wird es dem Fahrer durch Umschaltung der hinterlegten Parameter ermöglicht, die Charakteristik der Lenkung per Knopfdruck an einen gewünschten Fahrstil anzupassen. Weitere Vorteile ergeben sich bezüglich des Energieverbrauchs, da elektromechanische Stellaktuatoren im Gegensatz zu hydraulischen Stellern nur dann Energie verbrauchen, wenn Bedarf besteht [5]. Weitere neue Funktionen lassen sich mit EPS-Lenkungen realisieren, indem das Lenksystem auch aktuatorisch genutzt und mit weiteren Assistenzsystemen vernetzt wird. Beispiele hierfür sind das automatische Einparken, Lenkeingriffe durch den Spurhalteassistenten oder automatische Lenkeingriffe aus der Fahrdynamikregelung. Neben elektromechanischen Lenkungen werden immer häufiger auch aktive Hinterachslenkungen, aktive Wankstabilisatoren und elektromechanische Dämpfungssysteme eingesetzt. Auch diese mechatronischen Fahrdynamiksysteme - und insbesondere deren funktionale Vernetzung untereinander bieten sowohl neue Freiheitsgrade für Optimierungen, als auch die Möglichkeit neue Funktionen zu realisieren [5]. Wie in Abbildung 2 am Beispiel eines aktiven Wankstabilisators gezeigt, umfassen aktive elektromechanische Systeme neben den mechanischen Baugruppen und dem elektrischen Stellantrieb immer auch die für die Realisierung der gewünschten Funktionalitäten erforderliche Sensorik, Elektronik und Software. Da sich die Entwicklungsaufwände und Innovationen hierbei von den mechanischen Baugruppen in die Elektronik und Software verlagern, werden für die Entwicklung dieser Systeme geeignete Prüfstände benötigt, die eine Charakterisierung und Absicherung des mechatronischen Gesamtsystems, bestehend aus Mechanik, elektrischem Antrieb, Elektronik und Software ermöglichen. Prüfsysteme für aktive Fahrdynamiksysteme beinhalten neben mechanischen Belastungseinheiten daher immer auch eine Möglichkeit zur Ansteuerung der Prüflinge über eine Restbussimulation und eine elektrische Leistungsversorgung für die zu testenden Systeme. Hinzu kommt, dass häufig unterschiedliche Temperatur- und Klimabedingungen am Prüfling zu simulieren sind (vgl. Abbildung 2). Abbildung 3: Funktions- und Entwicklungsprüfstände für unterschiedliche Entwicklungsphasen und Teilsysteme Für eine mechanische, translatorische Belastung der Prüflinge kommen bei moderaten Anforderungen an die Dynamik vorwiegend Servomotoren mit Kugelgewindetrieb oder energieeffiziente hydrostatische Antriebe [6] zum Einsatz. Bei höheren Anforderungen an die Dynamik werden häufig noch servohydraulische Antriebe verwendet, die jedoch zunehmend von elektrischen Direktantrieben verdrängt werden. Letztere bieten insbesondere im Hinblick auf den Energieverbrauch, die Betriebs- und Wartungskosten, die Umsetzung von sicheren Betriebs- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 99 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen zuständen (beispielsweise zum Rüsten) sowie die benötigte Infrastruktur signifikante Vorteile. In Abhängigkeit der Lastfälle werden die Antriebe in Positionsund/ oder Kraftregelung betrieben. Für rotatorische Belastungen werden vorwiegend drehzahl- oder drehmomentgeregelte Synchronmaschinen eingesetzt. Für die Restbussimulation und Ansteuerung der Prüflinge sind Systeme von dSpace und Vector-Informatik stark verbreitet. Die für die Ansteuerung erforderlichen Restbusmodelle werden in der Regel von den Betreibern der Prüfstände zentral entwickelt und verwaltet. Da sowohl EPS-Lenkungen, als auch aktive Fahrdynamiksysteme im Fahrzeug mechanische Energie rekuperieren und in das Bordnetz zurückspeisen, erfolgt die Leistungsversorgung der Prüflinge im Prüfstand mittlerweile in der Regel mit bidirektionalen Leistungsnetzteilen. Neben klassischen Bordnetzen mit Spannungen von 12 bzw. 48 V ist aufgrund der fortschreitenden Elektrifizierung der Traktionsantriebe hierbei immer häufiger eine Simulation von Hochvolt-Bordnetzen mit Spannungen von bis zu 1000 V in der Prüfumgebung erforderlich. Insbesondere Lenkungsprüfstände sind inzwischen in der Regel zudem mit zwei redundanten Bordnetzen ausgestattet. Dies ist damit zu begründen, dass auf den Steuergeräten der Prüflinge zunehmend auch sicherheitsrelevante Funktionen ausgeführt werden. In Abhängigkeit der Anforderungen kann die Bordnetzsimulation um verschiedene Optionen wie beispielsweise eine externe Batteriesimulation, eine Leistungsmessung, eine Ruhestrommessung oder Möglichkeiten zur Fehlersimulation erweitert werden (siehe auch Abschnitt 5.1). Für die Temperierung bzw. Klimatisierung der Prüflinge können meistens an die jeweilige Aufgabe angepasste Standardlösungen zum Einsatz kommen. Hierfür bedarf es jedoch sowohl geeigneter Lösungen für die Durchführungen der mechanischen Belastungseinheiten in den Prüfraum, als auch geeigneter Lösungen, um sensible Messtechnik innerhalb des temperierten Bereiches betreiben zu können. Herausfordernd ist häufig auch die geometrische Gestaltung des Prüfraums. Hierbei gilt es einen Kompromiss zwischen guter Zugänglichkeit für Rüstvorgänge und unterschiedlichsten Geometrien der Prüflinge einerseits, und möglichst kleinem Volumen und damit einhergehenden kurzen Aufheizbzw. Abkühlzeiten andererseits abzustimmen. Da es sich um aktive Prüflinge handelt, ist deren Verlustleistung bei der Auslegung der Temperierung bzw. Klimatisierung ebenfalls zu berücksichtigen. Bei der Entwicklung und Realisierung von Funktionsprüfständen für mechatronische Systeme stellen die Systemintegration und Automatisierung zentrale Aufgaben dar. Dies betrifft sowohl die gemeinsame Bedienung und Ansteuerung der einzelnen zuvor genannten Teilsysteme des Prüfstandes und des Prüflings über eine übergeordnete Testautomatisierung, als auch die Einbindung des Prüfstandes in bestehende Prozesse und Werkzeugketten [7,8,9]. Im Sinne einer automatisierten und effizienten Prüfung ist es weiterhin erforderlich die verschiedenen mechanischen und elektrischen Messgrößen sowie die Steuergeräte- und Diagnosedaten zeitsynchron in einem System zu erfassen (vgl. auch Abbildung 2). Das typische Einsatzgebiet der Prüfsysteme erstreckt sich von entwicklungsbegleitenden Untersuchungen (z.B. zur Körperschallanalyse oder der Optimierung der Regelkreise) über Performance-Tests (z.B. Bestimmung von Wirkungsgraden und Reibkräften) bis hin zur funktionalen Absicherung des Systems inkl. der Simulation elektrischer Fehler (z.B. Kurzschluss oder Busabriss). Automatisierte Freigabeprüfungen von Softwareversionen und Dauerlauferprobungen stellen weitere Einsatzschwerpunkte dar. Die IABG als Systemanbieter kundenindividueller Prüfsysteme realisiert neben Funktions- und Entwicklungsprüfständen für aktive elektromechanische Systeme bestehend aus Steuergerät, elektrischem Stellantrieb und den mechanischen Baugruppen auch Prüfsysteme für die Entwicklung der in diesen Systemen eingesetzten elektrischen Stellantriebe. Diese Prüfsysteme verfügen über identische Module für die Bordnetz- und Restbussimulation und häufig auch über eine Möglichkeit zur Temperierung der Prüflinge. Die mechanische Schnittstelle vereinfacht sich bei diesen Prüfsystemen jedoch auf einen rotatorischen Servoantrieb. HiL- und Parameterprüfsysteme dienen der Entwicklung und Absicherung der Steuergeräte und verfügen daher nur über die hierfür erforderlichen elektrischen Schnittstellen für die Bordnetz- und Restbussimulation (Abbildung 3). Synergien zwischen der Absicherung des Steuergerätes, des elektrischen Antriebssystems und des Gesamtsystems können so genutzt werden. 3. Herausforderungen und Lösungsstrategien Im folgenden Abschnitt werden zunächst typische Herausforderungen, die bei der Entwicklung und Auslegung von Funktionsprüfständen für aktive elektromechanische Systeme bestehen, beschrieben. Anschließend werden Herangehensweisen vorgestellt, die dazu beitragen, die Komplexität mit effizientem Zeit- und Mitteleinsatz zu beherrschen. 3.1 Anforderungen Wie bereits beschrieben wurde, werden die Prüflinge in der Regel anhand sehr unterschiedlicher Lastfälle charakterisiert, die sich von Tests im blockierten Zustand über sehr langsame Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit (z.B. zur Reibkraftmessung), Nachfahrsignalen aus Fahrbetriebsmessungen bis hin zu hochdynamischen Tests (z.B. Ermittlung von Sprungantworten zur Reglerabstimmung) erstrecken. Einige dieser Tests (z.B. Ermittlung der Reibkräfte oder Bestimmung der dynamischen Steifigkeit) werden am passiven Prüfling durchgeführt, während die meisten Tests mit aktivem, geregeltem Prüfling erfol- 100 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen gen. Zu den bereits hieraus resultierenden Zielkonflikten kommt erschwerend hinzu, dass auf einem Prüfstand in der Regel Prüflinge mit sehr unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren sind. Beispiele hierfür sind Bauteilsteifigkeiten, Übersetzungen, unterschiedlichste Geometrien und verschiedenste Einbaulagen. Aus den unterschiedlichen Lastfällen und den stark variierenden Eigenschaften der Prüflinge resultieren sehr unterschiedliche Anforderungen an die Aktuatorik und die Regelung des Prüfstandes. Im Fall aktiver Prüflinge stellen die Wechselwirkungen zwischen der Regelung des Prüfstandes und den Regelkreisen der Prüflinge eine weitere Herausforderung dar. Auch hierbei gilt es zu berücksichtigen, dass das dynamische Verhalten der Prüflinge in Abhängigkeit der Betriebsmodi und des aufgespielten Softwarestandes stark variieren kann. Iterative Ansätze, die an Prüfständen für konventionelle, passive Prüflinge zur Verbesserung der Regelgüte eingesetzt werden, sind für die Funktionserprobung elektromechanischer Systeme auch aufgrund des stark zeitvarianten Verhaltens der aktiven Prüflinge ungeeignet. Neubeschaffungen von Prüfsystemen sind häufig aufgrund von Entwicklungsvorhaben des Endkunden erforderlich. Da die Konzeptionierung und Auslegung der Prüfsysteme hierbei in der Regel bereits in frühen Entwicklungsphasen des späteren Prüflings beginnen muss, sind die Anforderungen an die Funktionsprüfstände zu Beginn der Prüfstandsentwicklung oft noch unklar oder ändern sich im Laufe des Projektes. Erschwerend kommt auch hinzu, dass aufgrund der hohen Investitionen ausreichende Leistungsreserven für zukünftige Produktgenerationen mit noch unbekannten Eigenschaften vorgehalten werden müssen. Weitere technische Herausforderungen ergeben sich aus der Einbindung des Prüfsystems in bereits vorhandene kundenspezifische Prozesse und Werkzeuge zur Testautomatisierung. Hierfür sind geeignete Funktionsarchitekturen und Schnittstellen kundenindividuell ab-zustimmen und zu entwickeln [7,8,9]. Wie andere Prüfstände auch, müssen die Funktionsprüfstände deutlich performanter als die Prüflinge sein. Dies betrifft beispielsweise die Anforderungen an die Dynamik, die Messgenauigkeit, die Steifigkeit und das strukturdynamische Verhalten. Die Auslegung steifer Strukturen wird häufig wiederum durch große Rüst- und Verstellbereiche erschwert, die erforderlich sind, um eine große Variantenvielfalt an Geometrien und Einbaulagen der Prüflinge zu ermöglichen. Ein weiterer Zielkonflikt, der sich insbesondere dann zuspitzt, wenn hohe Querkräfte außerhalb des temperierten Prüfraums aufgenommen werden müssen, besteht zwischen der Steifigkeit und den bewegten Massen der Belastungseinheiten. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die bewegten Massen wiederum die erzielbare Dynamik beziehungsweise die erforderlichen Aktorkräfte beeinflussen. 3.2 Lösungsstrategien Um unter den gegebenen technischen Herausforderungen komplexe Prüfsysteme in kleinen Stückzahlen und in kurzer Zeit wirtschaftlich realisieren zu können, setzt die IABG als Systemanbieter kundenindividueller Prüfsysteme unter anderem auf: Abbildung 4: Durchgängige modellbasierte Auslegung 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 101 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Eine partnerschaftliche, vertrauensvolle und enge Zusammenarbeit mit Kunden und Lieferanten. Modulare Lösungen. Grundlage des Baukastens sind standardisierte und flexibel anpassbare Hard- und Softwarearchitekturen, die eine Entwicklung und Applikation von Modulen für wiederkehrende Aufgaben ermöglichen. Eine durchgehend modellbasierte Auslegung zur schnellen und effizienten Realisierung bedarfsgerechter Lösungen. Ausgehend von der Motivation und den hieraus resultierenden Anforderungen wird die Umsetzung einer durchgehenden, entwicklungsbegleitenden Systemsimulation im folgenden Abschnitt 4 ausführlicher beschrieben. Wie modulare Lösungen zu kundenindividuellen und dennoch wirtschaftlichen Lösungen beitragen können, ist Inhalt des Abschnitts 5. Bezüglich der partnerschaftlichen Zusammenarbeit wird exemplarisch auf [8,9] verwiesen. 4. Modellbasierte Entwicklung Wie in Abbildung 4 dargestellt, beginnt der Einsatz der entwicklungsbegleitenden Systemsimulation bereits im Rahmen erster Machbarkeitsanalysen in der Angebotsphase. In dieser Phase wird die Systemsimulation unter anderem dafür genutzt, Anforderungen zu präzisieren und mit den Auftraggebern zu klären. Zielkonflikte können hierbei aufgezeigt und mit den späteren Betreibern abgestimmt werden. Während der weiteren Konzeptionierung und Entwicklung des Prüfsystems erstreckt sich der Einsatz der entwicklungsbegleitenden Systemsimulation über die vergleichende Bewertung von Lösungsansätzen und die Ermittlung von Anforderungen an Komponenten und Teilsysteme (z.B. an die Aktuatorik) bis zu deren Auslegung und Optimierung. Die Entwicklung von geeigneten Regelungsalgorithmen beginnt in einer frühen Projektphase anhand einfacher, zumeist noch linearer Modelle des Prüfstandes und des Prüflings. Mit fortschreitender Konkretisierung des Systems werden die entwickelten Algorithmen im Laufe des Projektes dann an einem detaillierteren, zumeist nichtlinearen Systemmodell weiterentwickelt, erprobt und optimiert. Im Allgemeinen erstreckt sich der Einsatz des Systemmodells hierbei von der Entwicklung geeigneter Regelungsalgorithmen und deren Absicherung am Modell (SiL), über den Test der entwickelten Algorithmen auf der Zielhardware (HiL), bis hin zur Ermittlung von initialen Parametersätzen für die Inbetriebnahme des Prüfsystems (siehe Abbildung 4) [10]. Abbildung 5: Zunehmende Detaillierung im Laufe des Entwicklungsprozesses Wie in Abbildung 5 dargestellt ist, wird der Detaillierungsgrad des Systemmodells im Laufe des Entwicklungsprozesses sukzessive erhöht. Insbesondere die in späten Projektphasen vorliegenden Systemmodelle sind hierbei häufig zu detailliert und rechenintensiv, um im Rahmen von HiL-Simulationen auf Echtzeitsystemen für die Erprobung der Echtzeitfunktionen verwendet werden zu können. Für den Test der entwickelten Algorithmen auf der Zielhardware (HiL) werden daher häufig vereinfachte, echtzeitfähige Modelle aus dem Systemmodell abgeleitet (vgl. auch Abbildung 5). Nach der Inbetriebnahme des Prüfsystems steht ein mit Messdaten abgeglichenes Systemmodell zur Verfügung. Dieses kann auch nach der Auslieferung dafür genutzt werden, die Einsatzgrenzen des Prüfstandes bei neu hinzugekommenen, zuvor nicht spezifizierten Eigenschaften der Prüflinge oder weiteren, ursprünglich nicht vorgesehenen Testfällen zu ermitteln, beziehungsweise geeignete Parameter für diese festzulegen. Weiterhin kann das abgeglichene Systemmodell auch im Sinne eines „Trouble-Shootings“ dazu verwendet werden, im Betrieb auftretende Phänomene nachzuvollziehen und bei Bedarf zu beheben. Dass das beschriebene Vorgehen bei Erfüllung einiger notwendiger Voraussetzungen und Bedingungen in erheblicher Weise zu einer effizienten Entwicklung und Realisierung komplexer Prüfsysteme beiträgt, liegt auf der Hand. So können unter anderem unterschiedliche Konzepte und Lösungen schnell bewertet und verglichen, Parameter variiert und optimiert sowie Funktionen am Modell abgesichert werden. Dynamische Effekte und Wechselwirkungen werden bei der Auslegung konsequent berücksichtigt. Hinzu kommt, dass die Inbetriebnahme durch Vorwissen vereinfacht wird. 102 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 6: Allgemeine Modellstruktur Aber auch das Projekt- & Risikomanagement profitiert von diesem Vorgehen, da technische Risiken minimiert, Entscheidungen abgesichert und Anforderungen effizient anhand von Simulationsergebnissen gemeinsam mit dem Kunden präzisiert und abgestimmt werden. Hinzu kommen einige positive Nebeneffekte für die interne Zusammenarbeit. So kann das Vorgehen durch die Verwendung von Modellbibliotheken einen wesentlichen Beitrag zur Dokumentation von Wissen leisten, den Aufbau eines Systemverständnisses erleichtern, eine schnelle Einarbeitung neuer Mitarbeiter ermöglichen und dazu beitragen, dass wiederkehrende Aufgaben effizient bearbeitet werden können. Hinzu kommt, dass die Kommunikation und Abstimmung im Projektteam erfahrungsgemäß profitiert. Für eine effiziente und belastbare modellbasierte Auslegung und auch um alle Vorteile des beschriebenen Vorgehens nutzen zu können, sind jedoch einige Voraussetzungen zu erfüllen. Diese werden im folgenden Abschnitt beschrieben. 4.1 Anforderungen Aus dem beschriebenen Vorgehen resultieren sowohl Anforderungen an die verwendeten Simulationsumgebungen und Werkzeugketten als auch an die Modellierungsstrategie. Die verwendete Simulationsumgebung sollte leicht erlernbar und intuitiv bedienbar sein. Weiterhin sollte sie den Aufbau und die Einbindung eigener Modellbibliotheken unterstützen. Wichtig ist auch, dass eine Automatisierung der Simulation und die Einbindung von Pre- und Post-Processing-Skripten leicht möglich ist. Für wiederkehrende Aufgaben, wie beispielsweise die Auslegung von Regelkreisen, Parameteroptimierungen oder Analysen im Frequenzbereich, sollte die Simulationsumgebung leistungsfähige Funktionen zur Verfügung stellen. Für das beschriebene Vorgehen ist es weiterhin essentiell, dass die entwickelten Funktionen schnell und einfach kompiliert und auf die Zielhardware übertragen werden können. Matlab in Kombination mit der Simulationsumgebung Matlab-Simulink bietet zahlreiche leistungsfähige Toolboxen (z.B. control system toolbox, optimization toolbox) und ist leicht erlernbar. Aufgrund der großen Verbreitung sind zudem auch viele neue Mitarbeiter bereits mit dem System vertraut. Über den Simulink-Coder können die entwickelten Modelle und Funktionen in C-Code kompiliert und auf alle gängigen Hardware-Plattformen (z.B. dSpace, NI-PXI, Beckhoff) übertragen werden, sodass die benötigte Durchgängigkeit für die Entwicklung der Echtzeitfunktionen gegeben ist. Eine weitere Grundvoraussetzung für das vorgestellte Vorgehen ist, dass der Detaillierungsgrad des Systemmodells einfach und schnell an die jeweiligen Aufgabenstellungen angepasst werden kann. Dies wird über einen geeigneten Modellierungsansatz und die Verwendung von Modellbibliotheken ermöglicht. Hierfür werden wiederum ein standardisierter und hierarchischer Modellaufbau sowie geeignete und validierte Teilmodelle unterschiedlichen Detaillierungsgrades benötigt. Damit der Detaillierungsgrad des Modells einfach angepasst werden kann, müssen alle in der Modellbibliothek abgelegten Teilmodelle zudem über definierte Schnittstellen verfügen. Die für die modellbasierte Auslegung von Funktionsprüfständen verwendete Modellierungsstrategie basiert auf den Überlegungen in [11,12] und wird im Folgenden vorgestellt. 4.2 Modellierungsstrategie Abbildung 6 zeigt die allgemeine Modellstruktur der verwendeten Systemmodelle. Auf der obersten Ebene wird zwischen der Nachbildung der Physik des Prüfstandes einschließlich Prüfling und den Funktionen unterschieden, die später auf dem Echtzeitsystem ausgeführt werden (Markierung 1 in Abbildung 6). Das Modell des Prüfstandes wird auf oberster Ebene in dem Teilsystem (PHY) zusammengefasst, während das Teilsystem (DSP) alle Echtzeitfunktionen beinhaltet. Diese Unterscheidung bietet einige Vorteile: Zwischen den beiden Teilsystemen werden nur die Mess- und Stellsignale ausgetauscht, die auch am späteren Prüfstand vorhanden sind. Der Block für die digitale Signalverarbeitung kann somit direkt kompiliert und auf die Zielhardware übertragen werden (3). Hinzu kommt, dass die beiden Teilsysteme mit unterschiedlichen Zeitschrittweiten simuliert werden können, sodass Diskretisierungseffekte im Modell berücksichtigt und untersucht werden können. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 103 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 7: Detaillierung des Antriebsstrangmodells eines Funktionsprüfstandes für elektrische Stellantriebe Innerhalb des physikalischen Teilsystems wird bei allen Modellen einheitlich in der zweiten Modellebene zwischen drei weiteren Teilsystemen unterschieden (4). Das Teilsystem (MEC) beinhaltet die mechanischen Umfänge des Prüfstandes einschließlich geeigneter Modelle zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens der passiven und aktiven Prüflinge. Eingangsgrößen für dieses Teilmodell sind die von der Aktuatorik des Prüfstandes eingeleiteten Kräfte und Momente. Diese werden in einem weiteren Teilmodell für die Aktuatorik (ACT) auf Basis der im zeitdiskreten Teilsystem (DSP) berechneten Stellgrößen und des aktuellen Bewegungszustandes der mechanischen Elemente berechnet. Das dritte Teilsystem auf dieser Ebene dient dazu, die Messgrößen für die Signalverarbeitung zu berechnen. Hierzu werden dem Teilsystem (SEN) zunächst alle im Modell berechneten Signale zur Verfügung gestellt. Innerhalb des Teilsystems erfolgt dann die Auswahl, welche Signale als Messgrößen an die Signalverarbeitung übertragen werden. Weiterhin besteht hier die Möglichkeit, die Signale bei Bedarf mit Modellen zur Nachbildung des dynamischen Verhaltens der Sensoren zu filtern oder Messungenauigkeiten und Rauschen zu überlagern. In Abhängigkeit der konkreten Aufgabenstellung können anschließend beliebig viele weitere Modellebenen eingeführt werden. Die Anzahl der weiteren Modellebenen orientiert sich zumeist an den Baugruppen des Prüfsystems und nimmt mit fortschreitender Detaillierung des Systems und des Modells zu. Auf der jeweils untersten Modellebene werden dann jedoch nur noch standardisierte und getestete Teilmodelle aus der Modellbibliothek verwendet (5). Hierfür stellt diese elementare Teilmodelle unterschiedlicher Detaillierung für mechanische, hydraulische, pneumatische und elektrische Effekte und Komponenten zur Verfügung. Beispiele für mechanische Teilmodelle sind unter anderem Starrkörper, sowie lineare und nichtlineare Steifigkeitsmodelle für eindimensionale, ebene und räumliche Bewegungen, verschiedene 104 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Reibkraftmodelle, sowie Modelle zur Beschreibung von Spiel. Die innerhalb eines Teilmodells berechneten Größen werden in einem Datenbus zusammengefasst und über einen zusätzlichen Ausgang (Data_ACT) zur Verfügung gestellt. In jeder Modellebene werden diese Signale dann in einem gemeinsamen Datenbus zusammengefasst und an die nächst höhere Ebene übergeben (siehe auch Abbildung 6). Hierdurch entsteht ein hierarchisch organisierter Datenbus, dessen Struktur der des Systemmodells entspricht (6). Hierdurch lässt sich ein effizientes und automatisiertes Post-Processing erheblich vereinfachen. 4.3 Schnittstellenkonvention Um die verschiedenen Teilmodelle einfach einbinden beziehungsweise austauschen zu können, müssen die Ein- und Ausgangsgrößen aller in der Modellbibliothek hinterlegten Teilmodelle eindeutig festgelegt sein. Hierfür wird der in [11,12] vorgeschlagene Modellierungsansatz genutzt. Dieser sieht im Wechsel angeordnete Admittanz- und Impedanzformulierungen zur Beschreibung des Systems vor. Durch eine Impedanzformulierung werden aus physikalischen Flussgrößen (wie mechanischen Geschwindigkeitsdifferenzen, hydraulischen Volumenströmen oder elektrischen Strömen) Potentialgrößen, also mechanische Kräfte bzw. Momente, hydraulische Drücke oder elektrische Spannungen berechnet. Teilmodelle in einer Admittanzformulierung ermitteln entsprechend Flussgrößen aus Potentialgrößen. Die Ausgänge eines Teilmodells in Impedanzformulierung sind dann wiederum die Eingänge eines Modells in Admittanzformulierung. In der mechanischen Dömäne wird für Teilsysteme, die mindestens einen mechanischen Freiheitsgrad aufweisen (wie z.B. Starrkörper), eine Admittanzbeschreibung gewählt. Teilmodelle von Elementen, die solche Elemente untereinander verbinden (wie z.B. Steifigkeiten), werden entsprechend in einer Impedanzdarstellung formuliert. Folgend werden hydraulische Volumina beispielsweise in einer Admittanzformulierung beschrieben und untereinander über hydraulische Widerstände in Impedanzformulierung gekoppelt. Die hieraus resultierende Netzwerkformulierung ermöglicht in Kombination mit der zuvor vorgestellten hierarchischen Organisation des Modells einen schnellen und effizienten Modellaufbau aus standardisierten Teilmodellen bei leichter Erweiterbarkeit zur Detaillierung im Laufe des Projektes. Dies wird exemplarisch am Beispiel eines Antriebsstrangmodells eines Entwicklungsprüfstandes für elektrische Stellantriebe in Abbildung 7 illustriert. Die obere Darstellung zeigt ein noch wenig detailliertes Modell aus einer frühen Projektphase. Dieses beinhaltet die Trägheiten der Belastungsmaschine und des Prüflings in Admittanzformulierung, die über die Steifigkeit der Messwelle in Impedanzformulierung gekoppelt sind. Auf die Trägheit der Lastmaschine wirkt ein Antriebsmoment, welches aus der aktuellen Drehzahl und einer im Teilsystem DSP berechneten Stellgröße mittels eines einfachen phänomenologischen Modells im Teilsystem der Aktorik (ACT) ermittelt wird. Die untere Darstellung zeigt ein detaillierteres Systemmodell aus einer späteren Projektphase. Hierzu wurde der Antriebsstrang in einem ersten Schritt um Teilmodelle zur Beschreibung des dynamischen Verhaltens der Wellenkupplungen erweitert. In einem zweiten Schritt wurde das Modell einer zusätzlichen Schwungmasse integriert. Das einfache phänomenologische Modell der Lastmaschine wurde zudem durch eine komplexere Beschreibung ersetzt, die nun auch das Verhalten der Leistungselektronik berücksichtigt. Hierbei sind sowohl alle zuvor eingeführten Schnittstellen, als auch die ersten beiden Ebenen der Modellstruktur erhalten geblieben. 4.4 Nutzung von Bibliotheken Die Nutzung von Bibliotheken ist eine der wesentlichen Voraussetzungen für eine effiziente und zuverlässige modellbasierte Auslegung und die Dokumentation von Wissen. Wie in Abbildung 8 dargestellt ist, werden hierfür drei unterschiedliche Bibliotheken genutzt. Eine Bibliothek enthält bereits erarbeitete, getestete und dokumentierte Teilmodelle für die physikalische Modellierung des Prüfsystems. Falls im Rahmen eines Projektes neue Modelle zu entwickeln sind, werden diese über die Modellbibliothek nachfolgenden Projekten zur Verfügung gestellt. Abbildung 8: Aufgebaute und verwendete Bibliotheken Eine weitere Bibliothek beinhaltet alle Echtzeitfunktionen. Beispiele hierfür sind bereits entwickelte und erprobte Regelungsalgorithmen und Signalgeneratoren. Auf diese Weise können diese Funktionen zentral gepflegt und weiterentwickelt werden. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 105 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Abbildung 9: Mechanisches und hydraulisches Ersatzschaltbild eines Funktionsprüfstandes für Wankstabilisatoren Die dritte Bibliothek umfasst Funktionen, die für eine effiziente und automatisierte Vorbereitung, Durchführung oder Aufbereitung der Simulationen benötigt werden. Beispiele für Pre-Processing-Funktionen sind Routinen zur automatisierten Parametrierung des Modells, die automatisierte Erstellung des Data-Akqui-sitionsbusses oder ein Tool zum Einlesen grafischer Kennlinien. Für die Durchführung der Simulationen stehen Funktionen zur automatisierten Variation von Modellparametern oder der Ableitung von linearen Modellen im Frequenzbereich aus den im Zeitbereich modellierten Systemmodellen zur Verfügung. Das Post-Processing wird unter anderem durch Funktionen zur Animation von räumlichen Bewegungen, Funktionen für Frequenzbereichsanalysen und eine automatisierte Erstellung von Simulationsberichten erleichtert. 4.5 Beispiel Abbildung 9 zeigt exemplarisch das mechanische und hydraulische Ersatzschaltbild eines servohydraulischen Funktionsprüfstandes für aktive Wankstabilisatoren. Die von Teilmodellen in Admittanzformulierung berechneten Flussgrößen sind mit roten Pfeilen gekennzeichnet. Die von den Koppelelementen in Impedanzformulierung ermittelten Potentialgrößen sind in orange eingezeichnet. Beide Ersatzschaltbilder können somit direkt in die zuvor beschriebene Netzwerkstruktur überführt und aus standardisierten Teilmodellen für die mechanischen und hydraulischen Elemente aufgebaut werden. Die Kopplung zwischen dem mechanischen und hydraulischen Teilmodell erfolgt über die im hydraulischen Teilsystem berechneten hydraulischen Kräfte. Hierfür werden die im mechanischen Teilsystem berechneten Bewegungszustände der Kolbenstangen zurückgeführt. Die beiden Teilmodelle wurden in Kombination mit einem weiteren Teilmodell zur Berechnung des vom aktiven Prüfling gestellten Momentes sowie eines Modells der Prüfstandsregelung unter anderem dafür genutzt, die erforderlichen Aktorkräfte und resultierende Querkräfte für unterschiedliche Lastfälle in Abhängigkeit verschiedener Parameter des Prüflings wie Geometrie, Steifigkeit und Pfeilung zu ermitteln. Weiterhin wurde das Modell unter anderem für die Dimensionierung der Servoventile, die Optimierung der Speichervolumina, eine Optimierung der Regelung unter Berücksichtigung der Eigenfrequenzen sowie die Ermittlung der erforderlichen Ölmengen verwendet. 5. Module Insbesondere komplexe Funktionsprüfstände für aktive elektromechanische Systeme sind in der Regel individuelle Lösungen, die für spezifische Bedarfe entwickelt werden. Dies betrifft unter anderem die genutzten Automatisierungslösungen, die Schnittstellen zu vorhandenen oder übergeordneten Systemen, die zu realisierenden Rüstbereiche, die Leistungsdaten der Aktuatorik sowie die erforderlichen Funktionsumfänge. Hinzu kommt, dass die meisten Kunden im Rahmen ihrer Standardisierungsbestrebungen spezielle Komponenten und Lieferanten bevorzugen bzw. vorschreiben. Die elektrische, hydraulische und sicherheitstechnische Ausführung des Prüfsystems, sowie Form und Umfang der erforderlichen Dokumentation werden in der Regel über kundenspezifische technische Liefervorschriften geregelt. Wie in Abschnitt 2 beschrieben wurde, gibt es dennoch einige Funktionen, die in nahezu jedem Entwicklungs- und Funktionsprüfstand in ähnlicher Form und Ausführung zu realisieren sind. Beispiele hierfür sind die Versorgung der Prüflinge mit elektrischer Leistung, die Messung von Kräften und Momenten innerhalb eines großen Temperaturbereiches oder die Einleitung der mechanischen Belastungen. 106 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen Ein weiterer wichtiger Ansatz für eine schnelle und wirtschaftliche Realisierung der Prüfsysteme besteht daher darin, für wiederkehrende Aufgaben Module zu entwickeln und zu applizieren. Dieses Vorgehen ist insbesondere dann wirkungsvoll, wenn unter dem Begriff Modul mehr verstanden wird, als eine Baugruppe oder eine einzelne Softwarefunktion für eine bestimmte Aufgabe. Vielmehr empfiehlt es sich auch hier, den vollständigen Prozess von der Angebotserstellung über die Entwicklung und Inbetriebnahme bis hin zum späteren Betrieb des Prüfstandes zu berücksichtigen. Ein Modul beinhaltet daher auch Angebotsbausteine sowie Beschaffungslisten und Mengengerüste für eine effiziente Angebotserstellung. Die Abstimmung mit dem Kunden kann während der Angebotsphase und zu Beginn des Projektes durch vorgefertigte Konzeptpräsentationen erleichtert werden. Für die Auslegung beinhaltet ein Modul die erforderlichen Auslegungsdokumente und -methoden, sowie die für die entwicklungsbegleitende Systemsimulation benötigten Parameter. Die Projektierung des Prüfstandes wird beispielsweise durch EPlan-Makros, standardisierte Frontplattenlayouts und HowTos beschleunigt. Weiterhin beinhaltet ein Modul die für die Ansteuerung der Komponenten erforderlichen Softwarebausteine. Für die Inbetriebnahme werden Inbetriebnahme- und Kalibrierungsanweisungen sowie Parametersätze bereitgestellt. Die Dokumentation kann beispielsweise durch Textbausteine für die Bedienungsanleitung und den Wartungsplan erleichtert werden. Um den jeweiligen Kundenwünschen und Anforderungen gerecht zu werden, bietet es sich an, für jedes Modul eine Grundversion vorzuhalten, die bedarfsgerecht um verschiedene Optionen erweitert werden kann. Weiterhin empfiehlt es sich, für wichtige Komponenten zwei bis drei Vorzugstypen unterschiedlicher Lieferanten vorzuhalten. Diese werden so gewählt, dass die Vorzugslisten und technischen Liefervorschriften wichtiger Kunden abgedeckt sind. Aus den Modulen resultiert somit auch eine eigene Vorzugsliste, die bereits in der Angebotsphase schnell mit den Vorzugslisten der Kunden abgeglichen und abgestimmt werden kann. 5.1 Beispiel: Bordnetzsimulation Abbildung 10 zeigt exemplarisch einen Ausschnitt aus der Konzeptpräsentation für das Modul Bordnetzsimulation. Die Grundversion (1) umfasst die Leistungsversorgung mit einem bidirektionalen Netzteil, eine Strom- und Spannungsmessung, ein Leistungsschütz und eine Frontplatte mit geeigneten Steck- oder Klemmverbindungen. Hierbei besteht eine Auswahl zwischen zwei häufig verwendeten Netzteilen mit ähnlichen Leistungsdaten. Das Modul ist in der Grundversion für 12 und 48V-Bordnetzte nahezu identisch aufgebaut. Für den Fall, dass die Leistungsversorgung der Prüflinge über ein 48V-Bordnetz erfolgt, wird die Bordnetzsimulation um eine optionale Logikversorgung erweitert (2). Weiterhin besteht die Möglichkeit, SuperCaps zur Spannungsstabilisierung für dynamische Lastfälle zu ergänzen (3). Weitere Optionen sind beispielsweise eine Anschlussmöglichkeit für externe Batteriesimulatoren oder Netzteile (4), die Integration eines Leistungsmessgerätes (5) oder eine um eine Ruhestrommessung erweiterte Messtechnik (6). Abbildung 10: Modul Bordnetzsimulation (Konzeptdokument) 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 107 Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen 6. Zusammenfassung Elektronik und Software beherrschen heutige und zukünftige Innovationen im Automobilbereich. Hierdurch steigt auch der Aufwand, mechatronische Systeme mit großen Softwareanteilen gegen Fehler abzusichern. Funktionsprüfstände für aktive Systeme dienen der Entwicklung und Absicherung von Hard- und Software im Verbund, meist unter Umweltbedingungen. Herausforderungen bei der Entwicklung und Auslegung dieser Prüfsysteme resultieren unter anderem aus Wechselwirkungen zwischen dem Prüfstand und den Regelkreisen des aktiven Prüflings, der großen Variantenvielfalt, der erhöhten Komplexität und den benötigten Automatisierungsgraden. Um unter den gegebenen technischen Herausforderungen komplexe Prüfsysteme in kleinen Stückzahlen und in kurzer Zeit wirtschaftlich realisieren zu können, setzt die IABG als Systemanbieter kundenindividueller Prüfsysteme unter anderem auf eine partnerschaftliche und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit Kunden und Lieferanten, eine modellbasierte Auslegung anhand einer durchgehenden Systemsimulation sowie die Entwicklung und Applikation von Modulen für wiederkehrende Aufgaben. Literaturverzeichnis [1] Picot, A.; Hopf, S.; Sedlmeir, J.: Digitalisierung als Herausforderung für die Industrie - Das Beispiel der Automotive Branche. In: Burr, W., Stephan, M. (eds) Technologie, Strategie und Organisation. Springer Gabler, Wiesbaden, 2017 [2] Ifo-Studie im Auftrag der bayrischen Industrie- und Handelskammer: Fahrzeugbau - Wie verändert sich die Wertschöpfungskette. https: / / www.bihk. de/ bihk/ downloads/ bihk/ bihk_ifo-studie_fahrzeugbau_final.pdf, 06.01.2021 [3] Brülinghaus, C.: Elektronik und Software beherrschen Innovation im Auto. https: / / www.springerprofessional.de/ automobilelektronik---software/ antriebsstrang/ elektronik-und-software-beherrschen-innovationen-im-auto/ 6561802, 06.01.2021 [4] McOuat, R.: Cars are made of code. https: / / www. nxp.com/ company/ blog/ cars-are-made-of-code: BL-CARS-MADE-CODE, 06.01.2021 [5] Kraus,M.: Fahrwerksysteme-Schaefflerkannmehrals Lager. In: Schaeffler Kolloquium 2010, https: / / www. schaeffler.de/ content.schaeffler.de/ de/ news_medien/ mediathek/ downloadcenter-detail-page.jsp? id= 3378395, 07.01.2021 [6] Hoffmann, S.; Rödling, S.: Energieeffziente Prüfung von Federn und Stabilisatoren mit variablen Amplituden und Frequenzen. In: DVM Workshop Prüfmethodik in der Betriebsfestigkeitsversuche in der Fahrzeugindustrie, Ottobrunn, 2017 [7] Winter, M.; Glauer, S.; Jungblut, T.; Rödling, S.: Modulare Funktionsarchitekturen für mechatronische Prüfsysteme. In: TAE TestRig, Ostfildern, 2021 [8] Koch, C.; Jungblut, T.: Modulare Prüftechnik für die Funktionserprobung von aktiven Wankstabilisatoren. DVM Workshop Prüfmethodik für Betriebsfestigkeitsversuche in der Fahrzeugindustrie, Ulm, 2019 [9] Winter, M.; Bultmann, S.: Automatisierung eines Funktionsprüfstands für elektrische Wankstabilisatoren mit NI VeriStand. NI VIP, Fürstenfeldbruck, 2018. [10] VDI-Richtlinie 2206: Entwurfsmethodik für mechatronische Systeme. VDI-Verlag, Düsseldorf, 2014 [11] Herold, S.; Jungblut, T.; Kurch, M.: A systematic approach to simulate active mechanical structures. NAFEMS - Seminar: Multidisciplinary Simulations - The Future of Virtual Product Development. Wiesbaden, 2009 [12] Jungblut, T.; Kraus, R.; Millitzer, J.; Herold, S.; Hanselka, H.: Modellbasierte Entwicklung einer aktiven elastischen Lagerung für Aggregate. In: Konstruktion, Nr. 9 (2012) 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 109 Modulare Funktionsarchitektur für mechatronische Prüfsysteme Dr. Michael Winter, Dr. Timo Jungblut, Stefan Glauer, Dr. Steffen Rödling IABG mbH, Ottobrunn, Deutschland Zusammenfassung In modernen Prüfsystemen werden oftmals verschiedene Mess-, Steuerungs- und Regelungssysteme zu einem Systemverbund kombiniert. Die einzelnen Teilnehmer kommunizieren dabei untereinander und mit dem Prüfling über verschiedene Ein- und Ausgänge sowie über diverse Kommunikationsprotokolle. Je nach konkretem Anwendungsfall ergibt sich hierbei eine mehr oder weniger heterogene Systemarchitektur. Im Rahmen des Beitrags wird auf hierfür geeignete Automatisierungs- und Funktionsarchitekturen eingegangen. Diese Architekturen sind im Allgemeinen in drei Ebenen unterteilt. Die unterste Ebene, die Anlagensteuerung, bildet die Basis. Diese Ebene besteht aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit integrierter Sicherheitssteuerung. Die zweite Ebene beinhaltet die Echtzeitsysteme und die Messtechnik. Die dritte Ebene, die Host-Ebene, besteht aus einem Industrie-PC. Auf diesem läuft im Allgemeinen die grafische Benutzeroberfläche, der Testsequenzer, die Messdatenspeicherung sowie das Postprocessing. Die IABG als Systemanbieter kundenindividueller Prüfsysteme setzt auf einen modularen Baukasten aus flexibel anpassbaren Hard- und Softwaremodulen. Dies ermöglicht, auch bei geringen Stückzahlen, eine schnelle und wirtschaftliche Applikation an die kundenindividuellen Bedarfe. 1. Einleitung Wurden Prüfstände vor einigen Jahren im Wesentlichen von einem zentralen Steuerungssystem (z.B. einem Industrie-PC oder einer speicherprogrammierbaren Steuerung) kontrolliert, werden in modernen Prüfsystemen oftmals verschiedene Mess-, Steuerungs- und Regelungssysteme zu einem Systemverbund kombiniert. Die Gründe für diese Entwicklung sind vielfältig. Weiterentwickelte Normen im Bereich der Maschinensicherheit bedingen den Einsatz speziell zertifizierter Sicherheitshardware. Gestiegene Anforderungen an die Messtechnik sowie die Notwendigkeit der Kommunikation mit aktiven Prüflingen machen die Integration von Teilsystemen bestimmter Hersteller notwendig. Zudem wird bei kundenindividuellen Prüfsystemen oft die Verwendung bestimmter Systeme gefordert. Hintergrund solcher Anforderungen ist häufig, dass der Kunde sich strategisch für die Plattform eines Herstellers entschieden hat und für diese Systeme entsprechend geschultes Personal, Wartungsverträge oder eigene Software-Bausteine vorhält. In diesem Beitrag werden zunächst allgemeine Anforderungen an eine Funktionsarchitektur für kundenindividuelle Prüfsysteme angeführt. Hierauf aufbauend wird die bei der IABG verwendete modulare Funktionsarchitektur in allgemeiner Form dargestellt. Anschließend wird die vorgestellte Architektur auf mehrere Anwendungen appliziert und mit Beispielen aus aktuellen Entwicklungsprojekten veranschaulicht. 2. Anforderungen an die Architekturen Neben allgemeinen Eigenschaften wie z.B. Messdatenerfassung, Speicherung, Bedienung, eine normgerechte Umsetzung der Sicherheitssteuerung, etc. sollte eine HW/ SW-Architektur für kundenindividuelle Prüfsysteme insbesondere flexibel anpassbar, skalierbar sowie schnell und wirtschaftlich umsetzbar sein. Die hieraus resultierenden Anforderungen werden in den folgenden Abschnitten ausführlicher beschrieben: 2.1 Flexibilität Die Funktionsarchitektur sollte flexibel auf Kundenanforderungen angepasst werden können ohne die Kernarchitektur als Ganzes modifizieren zu müssen. Das Spektrum an möglichen Zusatzanforderungen ist relativ breit, kann aber in erster Näherung in folgende Gruppen unterteilt werden: Hardware: Diese Kategorie umfasst sowohl die Einbindung spezieller Messtechnik, als auch die Anbindung an ggf. bereits beim Kunden vorhandener Infrastruktur bzw. Peripheriegeräte wie beispielsweise Hydraulikaggregate oder Klimageräte. Software: Bei aktiven Prüflingen ist oft die Integration der Prüflingskommunikation und ggf. einer entsprechenden Restbussimulation auf einem Echtzeitsystem notwendig. Zudem ist oftmals die Implementierung proprietärer Protokolle und Schnittstellen unter echtzeitfähigen Bedingungen notwendig. 110 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme Anbindung an überlagerte Systeme: Sowohl die Konfiguration des Prüfsystems und der durchzuführenden Prüfungen, als auch die Ablage der Messdaten inkl. einer ggf. notwendigen Nachverarbeitung sind häufig an die Kundensysteme und Prozesse anzupassen, beziehungsweise an diese anzubinden. Hierbei werden oft datei- oder datenbankbasierte Vorgehensweisen gewählt. Integration von Kunden-Code: In vielen Anwendungsfällen benötigt der Kunde die Möglichkeit eigene Funktionalität in das Prüfsystem einzubringen. Im einfachsten Fall können dies lediglich Skripte für das Postprocessing sein. Aber auch Kunden-Code, welcher z.B. zur Ansteuerung des Prüflings bzw. des Prüfstands direkt auf den Echtzeitsystemen ausgeführt wird, ist ein häufiges Anwendungsszenario. Hierfür werden klar definierte Schnittstellen und eine entsprechende Überwachung benötigt, um trotz geänderter Software die Anlage in ihren definierten Spezifikationen betreiben zu können. 2.2 Skalierbarkeit Die Architektur sollte in mehrere Dimensionen skalierbar sein und über ausreichend Reserven und Erweiterungsmöglichkeiten für weitere zukünftige Einsatzgebiete des Prüfsystems verfügen. Dies betrifft beispielsweise: Anzahl I/ Os: Sowohl die Anzahl der normalen analogen und digitalen Ein- und Ausgänge, als auch die Anzahl der Kommunikationsschnittstellen sollte leicht erweiterbar sein. Schnittstellen: Es ist notwendig sowohl anlagenseitig, als auch in den speziellen Kundendomänen (z.B. Luftfahrt, Automotive…) alle bekannten Schnittstellen zu unterstützen und neue Schnittstellen schnellstmöglich verfügbar zu machen. Rechenleistung: Die Rechenleistung soll an den entsprechenden Anwendungsfall anpassbar sein. 2.3 Effizienz Bei kundenindividuellen Prüfsystemen geringer Stückzahl spielen die Entwicklungskosten und die Entwicklungszeit eine weitaus größere Rolle als bei der Entwicklung eines Serienproduktes. Daher sind insbesondere bei diesen Systemen folgende Aspekte relevant: Durchgängigkeit der Toolchain: Die Durchgängigkeit zur Matlab/ Simulink-basierten Toolchain der Systementwicklung ist ein entscheidender Faktor. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, einen simulativ validierten Regelungsalgorithmus auf einem Echtzeitsystem zu integrieren [1]. Hoher Re-Use-Faktor: Ein modulbasierter, und idealerweise objektorientierter Ansatz steigert den Wiederverwendungsgrad bereits implementierter Funktionsmodule. Treiber für Drittgeräte: Eine hohe Verfügbarkeit von Treibern für Drittgeräte verschiedenster Hersteller steigert Qualität und Effizienz der Entwicklung. Um die Variantenvielfalt zu beherrschen, ist hierbei eine Fokussierung auf Vorzugstypen beziehungsweise -lieferanten wichtiger Kunden und eine enge Abstimmung mit der Hardwareentwicklung erforderlich. 3. Modulare Funktionsarchitektur Abbildung 1 zeigt eine modulare Funktionsarchitektur, die sich für die Realisierung kundenindividueller Prüfsysteme bewährt hat. Diese sieht im Wesentlichen drei Ebenen vor: Eine Ebene für die Anlagensteuerung, eine Ebene für die Echtzeitsysteme und Messtechnik sowie eine Host-Ebene. Auf die grundsätzlichen Aufgaben der einzelnen Ebenen sowie die konkrete Ausgestaltung wird in den folgenden Abschnitten eingegangen. 3.1 Anlagen-Ebene Die Aufgabe der Anlagen- und Sicherheitssteuerung ist es einen sicheren und stabilen Betrieb des Prüfsystems zu gewährleisten. Dazu ist die Anlagensteuerung mit den diversen Anlagenkomponenten des Prüfsystems über digitale und analoge Ein- und Ausgänge sowie über Feldbusse verbunden und führt entsprechende Funktionsmodule zur Ansteuerung und Überwachung der Anlagenkomponenten aus. In Richtung überlagerter Ebenen werden die Anlagenkomponenten entsprechend ihrer Funktionalität gebündelt und mit einer definierten Schnittstelle angebunden. Dies erleichtert die (Wieder-) Verwendung der Komponenten auf den höheren Ebenen. Detailwissen über die konkrete hardwaretechnische Umsetzung ist für die Automatisierung hierbei nicht mehr nötig. Die Sicherheitssteuerung besteht aus einem Sicherheitssteuergerät, das mit den entsprechenden analogen und digitalen I/ Os ausgerüstet ist, um die sicherheitstechnischen Komponenten anzusteuern und zu überwachen. Diese Ebene der Anlagen- und Sicherheitssteuerung besteht in der Regel aus einer speicherprogrammierbaren Steuerung mit integrierter Sicherheitssteuerung. 3.2 Echtzeit- und Messtechnik-Ebene Je nach konkretem Anwendungsfall können die Aufgaben der Echtzeit- und Messtechnik-Ebene sehr unterschiedlich sein. Die Hardware dieser Ebene besteht in der Regel aus einem Echtzeitsystem, basierend auf einem Hardware-in-the-Loop (HiL)-System gängiger Anbieter. In den Prüfsystemen der IABG kommen in Abhängigkeit der Bedarfe und Vorzüge der Kunden als HiL-Systeme sowohl PXI-Systeme der Firma National Instruments als auch Scalexio-Systeme des Anbieters dSPACE zum Einsatz. Auf den HiL-Systemen können in Matlab/ Simulink implementierte Echtzeitfunktionen wie z.B. komplexe Regelungen, Algorithmen zur Online-Datenverar-beitung oder Signalgeneratoren deterministisch und mit hoher Frequenz (typ. größer 10 kHz) ausgeführt werden. Beide 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 111 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme Systemanbieter verfügen zudem über eine breite Palette an digitalen und analogen I/ Os sowie Erweiterungen für die meisten in Luftfahrt und Automotive-Anwendungen gängigen Bus-Systeme. Bei Prüfständen mit sehr hohen Anforderungen an bestimmte Messungen kann die Messtechnik auch um Messsysteme von Drittanbietern erweitert werden. Aufgrund der Ausrichtung der HiL-Systeme eignet sich diese Ebene, neben der Ausführung von Echtzeitalgorithmen, vor allem für alle prüflingsnahen Funktionen. Oft werden die HiL-Systeme vom Kunden auch als Integrationsplattform genutzt um eigene Funktionalität einzubringen oder um die Prüflingskommunikation anzupassen. 3.3 Host-Ebene Die Hardware der dritten Ebene, der Host-Ebene, besteht aus einem handelsüblichen Industrie-PC. Auf diesem läuft die grafische Benutzeroberfläche für das Prüfsystem inkl. der Messdatenverwaltung. Bei Bedarf kann hier auch eine Nachverarbeitung der Messdaten erfolgen. Zudem stellt diese Ebene die Schnittstelle in alle überlagerten Kundensysteme, wie beispielsweise Datenbanken für Messergebnisse oder ERP-Systeme, dar. Die Implementierung der Schnittstellen in die Kundensysteme wird in der Regel kundenindividuell vorgenommen. Abbildung 1: Modulare Funktionsarchitektur für mechatronische Prüfsysteme 112 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme 3.4 Applikation und Vernetzung der Ebenen In den vorangegangenen Abschnitten wurden die einzelnen Ebenen der modularen Funktionsarchitektur mit den verwendeten Komponenten und dem jeweiligen Aufgabenspektrum vorgestellt. Sowohl die Vernetzung der Ebenen untereinander, als auch der Teilsysteme innerhalb einer Ebene, erfolgt über klassische Netzwerkkommunikation oder über Feldbusse. Insbesondere wenn ein echtzeitfähiger Datenaustausch zwischen den Teilsystemen benötigt wird, hat sich eine Kommunikation über EtherCAT bewährt. Die Applikation der vorgestellten Architektur an eine konkrete Aufgabenstellung ist keine triviale Aufgabe. Die Fragestellung „Welche Funktion läuft auf welchem System? “ ist für viele Funktionen relativ klar zu beantworten. Für manche Funktionen sind aber durchaus mehrere Antworten richtig. Zudem kann die gewählte Funktionsarchitektur auch mit der hardwaretechnischen Umsetzung und Vernetzung der Automatisierungssysteme wechselwirken. Hierbei sind insbesondere die Übertragungsanforderungen der einzelnen Signale hinsichtlich Bandbreite und Latenz zu berücksichtigen. Daher sind die Auslegung und Applikation der Funktionsarchitektur sowie die klare Definition der Schnittstellen integraler Bestandteil der Konzeptphase bei der Entwicklung eines Prüfsystems. 4. Anwendungsbeispiele Die in allgemeiner Form vorgestellte Funktionsarchitektur soll in diesem Kapitel anhand einiger Umsetzungsbeispiele konkretisiert werden. 4.1 Entwicklungsprüfstand für Elektromotoren Als erstes Applikationsbeispiel wird der in Abbildung 2 dargestellte Entwicklungsprüfstand betrachtet. Das Prüfsystem dient sowohl der Entwicklung und Charakterisierung von einzelnen Elektromotoren als auch von kompletten elektrischen Antriebssystemen, bestehend aus Elektromotor und zugehörigem Steuergerät. Letztere beinhalten wiederum die Leistungselektronik als auch die Funktionen für die Regelung des Motors. Den Kern des Prüfsystems bildet ein elektrischer Antriebsstrang, bestehend aus dem zu testenden elektrischen Antrieb, einer Drehmomentenmesswelle und einem geeigneten Servomotor zur Belastung des Prüflings. Der Prüfling selbst befindet sich in einer Klimakammer. Der betrachtete Prüfstand wird sowohl für die Entwicklung neuer Produkte, als auch für die Durchführung von standardisierten Prüfläufen im Rahmen der Qualitätssicherung verwendet. Abbildung 3 zeigt die zugehörige Funktionsarchitektur. Als Anlagen- und Sicherheitssteuerung wird eine SPS der Fa. Beckhoff eingesetzt. Die Sicherheits-SPS überwacht neben den Not-Halt-Tastern auch die elektrische Energieversorgung des Prüflings, den Frequenzumrichter der Belastungsmaschine sowie die Türzuhaltungen. Die SPS der Anlagensteuerung überwacht und steuert diverse Peripheriesysteme wie den Frequenzumrichter, die Bordnetzsimulation, verschiedene Netzteile und das Klimagerät. Für überlagerte Echtzeitsysteme kann zwischen einem NI PXI-System und einem dSPACE-System gewählt werden. Die Schnittstelle zwischen dem Echtzeit-System und der Anlagensteuerung ist in beiden Fällen durch eine zyklische Netzwerkkommunikation umgesetzt. Dafür wurde im Echtzeitsystem das proprietäre ADS-Protokoll der Fa. Beckhoff implementiert, welches es ermöglicht, Werte der Anlagensteuerung zu lesen und zu schreiben. Das Echtzeitsystem übernimmt die Ausführung der Testsequenzen und die Erfassung der Messdaten. Neben der Sollwertvorgabe für die Belastungsmaschine wird mit den Prüflingen über CAN oder LIN kommuniziert. Die CAN/ LIN-Kommunikation kann durch Austausch der entsprechenden *.dbc/ *.ldf-Dateien an neue Produkte angepasst werden. Eine Erweiterung der Kommunikationsprotokolle, beispielsweise um Flexray oder ARINC 429, ist jederzeit möglich. Zudem integrieren Kunden immer häufiger Simulationsmodelle ihrer Produkte in die Echtzeitumgebung. Diese Modelle entstehen im Rahmen der Produktentwicklung und Reglerauslegung in Matlab/ Simulink und können mit leichten Anpassungen auch als sog. „Digitaler Zwilling“ parallel zum Prüfling in der Echtzeitumgebung ausgeführt werden. Neben dem Echtzeitsystem kann das Prüfsystem optional mit einem Leistungsmesssystem wie z.B. der Fa. Yokogawa ausgerüstet werden. Durch die hochgenaue Messung der Ströme, Spannungen, des Drehmoments und der Drehzahl lassen sich mit dem Prüfsystem präzise Wirkungsgradmessungen unter Variation der Umgebungsbedingungen durchführen. Für die grafische Benutzeroberfläche auf dem Host-PC können die Möglichkeiten der Echtzeitsysteme NI VeriStand oder dSPACE Configuration Desk verwendet werden. Mit diesen Systemen lassen sich via Drag&Drop relativ schnell einfache neue Oberflächen für neue Versuche erstellen, was insbesondere von Entwicklungsteams sehr stark genutzt wird. Wenn eine stärkere Nutzerführung in der Bedienung oder aber auch eine Integration in die Kundensysteme benötigt wird, kann die in NI LabVIEW implementierte IABG E-Motor-GUI verwendet werden. Diese wird auf Wunsch individuell an die Kundenbedarfe angepasst. Ein großer Vorteil der Umsetzung der Benutzeroberfläche mit NI LabVIEW ist dessen weite Verbreitung. Dadurch stehen LabVIEW-Treiber für viele Geräte von 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 113 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme Drittanbietern zur Verfügung. Die beiden unterlagerten Systeme, das PXI-System sowie das Leistungsmessgerät, werden unter Verwendung der entsprechenden Lab- VIEW-Treiber in das Programm der Benutzeroberfläche eingebunden. Die eigentliche Kommunikation findet über Ethernet statt. Abbildung 2: Entwicklungsprüfstand für Elektromotoren In der Benutzeroberfläche sind mehrere Ansichten zur Prüfstandskonfiguration und zur Konfiguration von diversen Lastfällen integriert. So kann der Anwender eine Vielzahl unterschiedlicher Prüfungen, von der einfachen Sprungantwort bis hin zum Wirkungsgradkennfeld, vollautomatisiert durchführen. Die Nachverarbeitung der Messdaten der unterschiedlichen Lastfälle, das Postprocessing, ist mit NI Diadem umgesetzt. Spezifisch für jeden Lastfall werden vollautomatisiert die Messdaten aufbereitet und die Ergebnisse in einer pdf-Datei ausgegeben. Die Skripte zur Reporterstellung sind für den Anwender offen einsehbar und können jederzeit an neue Anforderungen angepasst werden. Durch den modularen Ansatz kann dem Kunden sowohl auf Hardware-, als auch auf Automatisierungsebene eine passgenaue Lösung auf Basis bewährter Bausteine angeboten werden. Insbesondere die Möglichkeit der Einbringung eigener Funktionsbausteine und Simulationsmodelle bietet einen langfristigen Mehrwert. Abbildung 3: Funktionsarchitektur eines Prüfsystems für elektrische Antriebe 114 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme 4.2 Funktionsprüfstand für elektromechanische Wankstabilisatoren Im nächsten Beispiel wird die Flexibilität der modularen Funktionsarchitektur an einem konkreten Kundenprojekt aufgezeigt. In diesem Projekt wurde gemeinsam mit ZF- Friedrichshafen ein Funktionsprüfstand für aktive Wankstabilisatoren entwickelt [2,3]. Kern des in Abbildung 4 gezeigten Funktionsprüfstandes ist ein zweiachsiges servohydraulisches Belastungssystem, welches den Prüfling mit Kräften und Wegen beaufschlagt. Der Prüfling selbst wird vom Prüfsystem über ein bidirektionales Leistungsnetzteil mit elektrischer Leistung versorgt. Die Kommunikation zwischen dem Prüfsystem und dem Steuergerät des Prüflings erfolgt über CAN. Zur Nachbildung von Umgebungstemperaturen zwischen -40° und +120°C, befindet sich der Prüfling in einem Prüfraum, der über ein externes Temperiergerät temperiert wird. Die Entwicklung der Automatisierung des Prüfsystems erfolgte in partnerschaftlicher Zusammenarbeit zwischen dem Kunden und der IABG. Die hierbei verwendete Funktionsarchitektur ist in Abbildung 5 dargestellt und zeigt auch die Arbeitsteilung der Funktionsimplementierung auf. Die beschriebene Grundarchitektur ist deutlich erkennbar. Auf der zweiten Ebene ist in diesem Fall ein zusätzliches Echtzeitsystem „CANoe RT“ der Firma Vektor Informatik eingebunden, welches für Automatisierungslösungen des Kunden benötigt wird. Auf diesem System werden die Funktionen für die Kommunikation mit dem Prüfling, die Generierung von Sollsignalen für den Prüfling und den Prüfstand sowie die Speicherung von Messdaten ausgeführt. Diese Funktionsmodule wurden vom Kunden ursprünglich für die Testautomatisierung von Funktionsprüfständen einer anderen Produktgruppe entwickelt und konnten mit geringen Änderungsumfängen direkt übernommen werden. Als zweites Echtzeitsystem kommt ein NI PXI-System mit NI VeriStand zum Einsatz. Auf diesem System werden unter anderem die Funktionen zur Regelung der servohydraulischen Gegenkraftanlage ausgeführt. Abbildung 4: Prüfstand für aktive Wankstabilisatoren Abbildung 5: Funktionsarchitektur eines Prüfsystems für elektrische Wankstabilisatoren 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 115 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme Die auf dem NI PXI-System implementierten Regelungsalgorithmen wurden wie in [1] beschrieben im Rahmen der modellbasierten Entwicklung des Prüfsystems in Matlab-Simulink entwickelt, an Streckenmodellen mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad optimiert und getestet und anschließend auf die Zielhardware exportiert. In der Ebene der Anlagensteuerung sind die Funktionen wiederum auf einer kombinierten Anlagen- und Sicherheitssteuerung der Firma Beckhoff implementiert. Diese steuert unter anderem das Hydrauliksystem, die Klemmen der Bordnetzsimulation, diverse Pneumatiksysteme sowie die Sicherheitsfunktionen. Alle Funktionen der Host-Ebene wurden in diesem Projekt vom Kunden in dessen Framework implementiert beziehungsweise aus Vorgängerprojekten übernommen. Die Funktionen auf der Host-Ebene beinhalten unter anderem die Steuerung des CANoe RT-Systems, die Benutzeroberflächen sowie die Ansteuerung der diversen Peripheriegeräte wie zum Beispiel das Klimagerät und die unterschiedlichen Netzteile. Bei der Entwicklung einer gemeinsamen Automatisierungslösung durch zwei Projektpartner sind insbesondere die Schnittstellen zwischen den Systemen der beiden Parteien von besonderer Relevanz. Wie in Abbildung 5 zu erkennen ist, waren im konkreten Beispiel aufgrund der günstig gewählten Funktionsarchitektur nur zwei Softwareschnittstellen zwischen den jeweiligen Leistungsumfängen abzustimmen: Eine Schnittstelle zwischen den beide Echtzeitsystemen sowie eine weitere Verbindung zwischen dem Host-PC und dem PXI-System. Über die „langsame“ Schnittstelle zwischen dem Host- PC und dem PXI-System werden Parameter und Statussignale ausgetauscht. Beispiele hierfür sind Grenzwerte, Einstellungen für die Regelung der Gegenkraftanlage oder Signale zum Aktivieren bestimmter Funktionalitäten, die über die GUI oder die übergeordnete Testautomatisierung gesetzt und von der Host-Ebene auf die Echtzeitebene übertragen werden. Das PXI-System meldet wiederum über diverse Signale den Anlagenstatus an die Host-Ebene zurück. Für die Kommunikation mit dem PXI-System wurde eine Schnittstelle zu NI VeriStand über dessen .NET-API in der Automatisierungslösung des Kunden implementiert. Über die „schnelle“ Schnittstelle zwischen den beiden Echtzeitsystemen werden auf dem CANoe-System generierte Sollwertsignale der Regelung der Gegenkraftanlage übergeben. Gleichzeitig werden alle Messsignale des Prüfstandes, wie beispielsweise Wege, Kräfte, Spannung und Ströme über diese Schnittstelle vom PXI-System zum CANoe-System gesendet, um auf diesem zeitsynchron mit Restbus- und Diagnosesignalen erfasst und gespeichert zu werden. Für die Schnittstelle auf der Echtzeitebene wurde das Vector-spezifische, auf UDP basierende, FDX-Protokoll genutzt, welches eine Echtzeitverbindung via Ethernet mit dem CANoe-RT-System erlaubt. Dabei konnte auf eine bereits bei ZF entwickelte Implementierung des FDX-Protokolls in NI LabVIEW zurückgegriffen werden. Für die Integration dieser Implementierung in die NI VeriStand-Echtzeitengine wurde die beigestellte FDX-Implementierung in ein Custom Device integriert. „Custom Device“ werden Erweiterungen von NI VeriStand auf der Echtzeitebene genannt. Auch die ADS-basierte Schnittstelle zwischen der Anlagensteuerung und dem PXI-System ist über ein IABG-eigenes Custom Device realisiert. Der Kunde konnte durch den gewählten Ansatz seine eigene, schon mehrfach erprobte, Prüfstandsautomatisierung einsetzen, ohne das Gesamtsystem selbst entwickeln zu müssen. Der Prüfstand stellt seine Funktionen über eine klar definierte API/ Schnittstelle zur Verfügung. Der Kunde kann diese Funktionen frei nach Bedarf in seine Prozesslandschaft integrieren. 4.3 Prüfsysteme geringer Komplexität In den beiden vorangegangenen Beispielen wurden komplexe Prüfsysteme für aktive Prüflinge vorgestellt. Die modulare Funktionsarchitektur wird bei der IABG aber auch für Prüfsysteme mit geringeren Anforderungen eingesetzt. Abbildung 6 zeigt ein verallgemeinertes Beispiel. Das Basis-Setup besteht dabei aus einem Host-PC und einer Anlagensteuerung inkl. der obligatorischen Sicherheitssteuerung. Mess-, Steuer- und Regelungstechnik sind auf der Anlagensteuerung implementiert. Diese ist direkt mit dem Host-PC verbunden und kann darüber gesteuert werden. Je nach Kundenbedarf können auf beiden Ebenen die gewünschten Funktionen implementiert werden. Eine spätere Erweiterung der Architektur um eine zusätzliche Echtzeitebene ist dabei weiterhin möglich. Abbildung 6: Funktionsarchitektur einfacher Prüfsysteme 5. Zusammenfassung Ein modularer Baukasten aus flexibel anpassbaren Hard- und Softwaremodulen ermöglicht, auch bei geringen Stückzahlen, eine schnelle und wirtschaftliche Entwicklung und Realisierung von Prüfsystemen unter Berücksichtigung der kundenindividuellen Bedarfe und Wün- 116 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Modulare Funktionsarchitektur fürmechatronische Prüfsysteme sche. Dies setzt jedoch wiederum geeignete, modulare System- und Funktionsarchitekturen voraus. Insbesondere bei der Entwicklung komplexer, kundenindividueller Prüfsysteme sind im Rahmen der Festlegung der Hard- und Softwarearchitektur die drei Kriterien Flexibilität, Skalierbarkeit und Effizienz zu berücksichtigen. Die vorgestellte modulare Funktionsarchitektur wird allen diesen Anforderungen gerecht. Auch deshalb wurde diese schon in diversen Prüfsystemen, die von der IABG im Auftrag unterschiedlichster Kunden entwickelt und realisiert wurden, umgesetzt. Das Spektrum an Prüfständen, in denen der beschriebene Ansatz angewendet wurde, reicht hierbei von vergleichsweise einfachen Lösungen [6,7] bis hin zu hochkomplexen Systemprüfständen [2,3,5]. Literaturverzeichnis [1] Jungblut, T.; Böhm, L.; Winter, M.; Rödling, S.: Entwicklung von Funktionsprüfständen für aktive Fahrdynamiksysteme: Herausforderungen und Lösungen. In: TAE TestRig, Ostfildern, 2021 [2] Winter, M.; Bultmann, S.: Automatisierung eines Funktionsprüfstands für elektrische Wankstabilisatoren mit NI VeriStand. NI VIP, Fürstenfeldbruck, 2018. [3] Koch, C.; Jungblut, T.: Modulare Prüftechnik für die Funktionserprobung von aktiven Wankstabilisatoren. DVM Workshop Prüfmethodik für Betriebsfestigkeitsversuche in der Fahrzeugindustrie, Ulm, 2019 [4] Winter, M.: A VeriStand-based architecture for physical system tests In: NI Aerospace and Defense Forum, Birmingham, 2019 [5] Keil, M.; Karl, M.; Anderl, T.: Automatisierung von Systemprüfständen für Flugzeugfahrwerke auf Basis National Instruments VeriStand In: NI VIP 2017, Fürstenfeldbruck [6] Hoffmann, S.; Rödling, S.: Energieeffziente Prüfung von Federn und Stabilisatoren mit variablen Amplituden und Frequenzen. In: DVM Workshop Prüfmethodik in der Betriebsfestigkeitsversuche in der Fahrzeugindustrie, Ottobrunn, 2017 [7] Friedrich, F.; Anderl, T.; Pfichner A.: Schwingungserreger für Strukturtests dynamisch belasteter Bauteile. NI VIP, Fürstenfeldbruck, 2018. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 117 Aspekte intelligenter Prüfstände Data Acquisition Systeme als Big Data Manager Gordon Bernhard Gruber Gantner Instruments, Rodgau, Deutschland Stephan Ploegman Gantner Instruments, Amsterdam, Niederlande Zusammenfassung Datenerfassungssysteme in modernen Prüfständen sind u.A. als Big Data Management Systeme tätig. Sie bieten die Möglichkeit Datenströme aus verschiedenen Messanwendungen, wie statische Messungen mit niedriger Abtastrate und dynamische Messungen mit hoch frequente Abtastraten (z.B. Schwingungsmessungen) zeitsynchron zu verarbeiten. Somit sind Messdaten aus unterschiedlichen Anwendungen bereits während der Messung vergleichbar und müssen nicht manuell nach den verschiedenen Messungen zusammengeführt werden. Dabei entstehen für kurze Zeit sehr hohe Datenmengen (bis zu TerraByte pro Sekunde), die Speichermedien schnell an Ihr Limit bringen. Durch intelligentes Data Management wie z.B. der Auswertung von Rohdaten im Zeit- und Frequenzbereich direkt vor der eigentlichen Speicherung auf Edge Computing Systemen und der Anwendung von intelligentem „hot“, „warm“ und „cold“ Datenmanagement, kann man der Herausforderung von großen Datenmengen entgegentreten. Wenn alle Elemente zusammen in einem skalierbaren Daten-Backend angewendet werden, kann dies die Inbetriebnahmezeit erheblich verbessern, die Kosten für den Prüfstand senken und durch den höheren Informationsgehalt können bessere Produkte entwickelt werden. Abbildung 1 - „Datenlawine“ - wie sie in Prüfständen tagtäglich auftritt. 118 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Aspekte intelligenter Prüfstände 1. Wie man die Datenlawine in brauchbare Erkenntnisse verwandelt In einer Welt mit immer komplexeren Produkten und schnelleren Release-Zyklen war die Fähigkeit, Testdaten zu sammeln und effizient zu analysieren, noch nie so wichtig wie heute. Aufgrund der gegensätzlichen Trends von zunehmen-der Komplexität von Strukturen und Systemen und drastisch verkürzten Entwicklungszeiten stehen Prüfstandslabore unter immensem Druck, Testergebnisse schneller zu produzieren, um trotz der Erfassung von mehr Daten von mehr Sensoren Kosten zu sparen und Entwicklungszeiten zu reduzieren. Testingenieure suchen ständig nach Möglichkeiten, Testzeiten und Risiken zu reduzieren. Um schneller und effizienter arbeiten zu können, müssen diese Ingenieure in der Lage sein, Testdaten in Echtzeit zu überwachen und darauf zu reagieren, unabhängig vom Datenvolumen. Abhängig von der Art des Tests, der Dauer und der Anzahl der Messungen wird eine Flut an Daten generiert. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, die Daten zu erfassen, sondern auch große Datenmengen zu speichern und aufzubewahren sowie die Möglichkeit zu haben, auf diese Daten für eine schnelle kontinuierliche Online-Analyse zuzugreifen. Große Mengen an sowohl strukturierten als auch unstrukturierten Daten erfordern eine hohe Verarbeitungsleistung, Speicherung und eine zuverlässige Dateninfrastruktur. Wenn alle Elemente zusammen in einem skalierbaren Daten-Backend angewendet werden, kann dies die Markteinführungszeit erheblich verbessern, die Kosten senken und bessere Produkte entwickeln. 2. Adaptives und skalierbares Daten-Backend Ein adaptives und skalierbares Daten-Backend bietet eine skalierbare Speicher- und Rechenplattform für die Erfassung von Datenströmen, Konfigurationen zu speichern und Analysen durchzuführen. Um mit ständig wechselnden Anforderungen, Setup- Konfigurationen, Parametererweiterungen und variierenden Abtastraten zurechtzukommen, ist eine Trennung zwischen heißen und kalten Daten die beste Wahl. Rohdaten, also Daten, auf die seltener zugegriffen wird und die nur für Audits oder die Nachbearbeitung von Test benötigt werden (“warm“ bzw. „cold data”), werden in einer verteilen Streaming-Plattform gespeichert, die effizient skaliert. Wenn man aus hunderttausenden von Messwerten pro Sekunde und aus hunderten Kanälen gleichzeitig neue Variablen speichern, verarbeiten und berechnen muss, zeigt diese verteilte Streaming-Architektur Ihre Stärke und Leistungsfähigkeit. Sogenannte „hot data”, also Messdaten, auf die zur Analyse sofort zugegriffen werden muss, werden in einer NoSQL-Zeitreihendatenbank dargestellt. Diese Datenbank speichert die Daten sicher in redundanten, fehlertoleranten Clustern. Alle Messdaten werden automatisch gesichert. Eine flexible Datenaggregation stellt sicher, dass die Messdaten kontinuierlich von der Streaming- Plattform zur Datenbank mit vordefinierten Datensätzen verarbeitet werden, um die Datenverarbeitung von Test Metriken und KPIs, wie Mittelwert, Standardabweichung, Minimum/ Maximum, RMS und viele weitere statistische Kenngrößen zu erleichtern. Dieselben Daten können jedoch erneut abgespielt und anders aggregiert werden, falls eine detaillierte Analyse rund um ein bestimmtes Testereignis erforderlich ist. Dieser Ansatz minimiert die Investitions- und Betriebskosten für die IT- und Speicherinfrastruktur im Prüfstandslabor, während die notwendige Rechen-leistung für testkritische Datenanalyseaufgaben erhalten bleiben. Abbildung 2 - Dimensionen von Datenpaketen Der Test von Flugzeugtriebwerken ist ein typischer Anwendungsfall, bei dem ein skalierbares Daten-Backend große Vorteile bietet. Bei Triebwerkstests werden viele Daten generiert, vor allem, wenn die transienten Reaktionen des Triebwerks aufgezeichnet werden müssen. Die Datenraten können von 10 Samples/ Sekunde bis zu 100.000 Samples/ Sekunde variieren. Die Herausforderung besteht darin, große Mengen an Sensordaten zu speichern, diese rund um die Uhr verfügbar zu halten und eine schnelle Datenanalyse zu ermöglichen. Ein weiteres Beispiel, bei dem ein skalierbares Daten-Backend seine Vorteile beweist, sind Ermüdungstests an großen Komponenten oder Fullscale-Strukturen. Ein typisches Ermüdungs-prüfprogramm ist in eine Reihe von Testblöcken unter-teilt. Am Ende eines jeden Blocks wird der Test gestoppt und der Prüfling auf Risse untersucht. Diese manuellen Inspektionen sind zeitaufwendig und der zeitliche Abstand zwischen diesen Inspektionen ist relativ groß. Strukturelle Anomalien werden möglich-erweise zu spät erkannt und können dazu führen, dass in Betrieb befindliche Flugzeuge nachgerüstet werden müssen. Die zustandsorientierte Prüfung der Messprobe anstelle der intervallorientierten Prüfung ist eine mögliche Lösung, um die Gesamtdauer der Ermüdungsprüfung zu verkürzen und Anomalien schnell zu erkennen. Eine der Implikationen ist, dass mehr Sensoren benötigt werden, um das Verhalten des Prüflings zu überwachen und struk- 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 119 Aspekte intelligenter Prüfstände turelle Ausfälle zu erkennen und vorherzusagen. Da ein Ermüdungstest in vollem Umfang Daten mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 MB/ s erzeugen kann, die sich am Ende auf Hunderte von Terabytes summieren, sind Datenverarbeitung und -analyse zu einem großen Engpass geworden. Um die enormen Datenmengen zu erfassen, zu analysieren, zu speichern und für Anwendungen verfügbar zu machen, entschied sich Gantner Instruments für eine Kombination aus Apache Kafka (Daten-Streaming) und CrateDB (verteile NoSQL-Datenbank, die für IoT-/ Industrieanwendungen entwickelt wurde). CrateDB wird für Echtzeit-Hot-Storage und Kafka für kostengünstige, dokumentenbasierte Speicherung verwendet. 3. Neue Stream-Processing Plattform Apache Kafka ist ein Messaging-System, das es ermöglicht, die von Messgeräten empfangenen Daten in eine Warteschlange zu stellen und für Folgesysteme hochverfügbar zu machen. Kafka schaut sich jeden einzelnen empfangenen Wert an und analysiert ihn für aktuelle Maßnahmen, “Stream-Processing”. Um die enormen Datenmengen zu erfassen, zu speichern und für Folgesysteme zugänglich zu machen, bedarf es jedoch einer Datenbank, die die entsprechende Performance und Schnittstellen bietet, die einen schnellen und komfortablen Zugriff ermöglichen. Abbildung 3 - Optionen für die Stream-Verarbeitung Die CrateDB ist eine neuartige verteilte SQL-Datenbank, die die Handhabung der Zeitreihenanalyse verbessert. Die Verwendung von SQL als Abfragesprache vereinfacht die Anwendung und Integration, und die NoSQL- Basistechnologie ermöglicht die Verarbeitung von IoT- Daten in einer Vielzahl von Formaten. Die CrateDB kann Hunderte von Terabyte an Daten aufnehmen und garantiert dank der Shared-Nothing-Architektur innerhalb von Server-Clustern eine Echtzeitverfügbarkeit ohne Datenverlust oder Ausfallzeiten. Die Arbeit mit CrateDB zeigt das Potenzial, das sich aus der Kombination von Edge Computing, Big-Data-Verarbeitung und maschinellem Lernen ergeben kann. 4. Konnektivität Immer mehr Prüflabore verwenden spezialisierte Steuerungs-, Überwachungs- und Datenerfassungssysteme. Beispiele aus der Praxis haben gezeigt, dass die fehlende Integration zwischen diesen Systemen immer noch zu einer späten Erkennung von Struktur- oder Systemanomalien führt. Einer der Gründe dafür ist, dass Multi-Sourceund/ oder Metadaten während des Tests nicht ohne weiteres verfügbar sind. Die Messdaten können daher erst am Ende des Testlaufs (oder in vor-definierten Intervallen) vollständig analysiert werden. Abbildung 4 - Zusammenwirken von Daten und online Analysen Die Kafka-Stream-Processing-Engine verfügt über einen umfangreichen Satz von APIs zur Integration von Datenströmen von Drittanbietern, z. B. von einem Steuerungssystem. Die primären Messdaten können mit Steuerungs- und Simulationsdaten angereichert werden. Die Bereitstellung einer offenen Softwarearchitektur, die eine Vielzahl von Publish-Subscribe-basierten Protokollen (wie MQTT und DDS) unter-stützt, ermöglicht die nahtlose Integration mit anderen Überwachungs-, Analyse- und Reporting-Tools. Für Prüfstandslabore, die derzeit automatisierte Test-systeme unterhalten, bietet die Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) eine einfache Möglichkeit, bestehende Umgebungen zu integrieren. Im Gegenzug sind sie in der Lage, die automatischen Aufzeichnungs-, Datenspeicher-, Plot- und Konfigurationsmanagementfunktionen zu nutzen. Benutzer können auch pro-grammatisch auf Daten zugreifen, die im Daten-Backend gespeichert sind, um sie für benutzerdefinierte Grafik-, Analyse- und Berichterstellungsanwendungen zu verwenden. 120 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Aspekte intelligenter Prüfstände Abbildung 5 - Konnektivität in Cloud, Desktop und Smart Edge Die moderne Philosophie ist es, den Kunden offene Schnittstellen zur Verfügung zu stellen, in denen sie Daten speichern und an beliebige Stellen senden können. 5. Schnelle Analyse Die Analyse oder Fehlererkennung unterscheidet sich je nach Anwendung. Gemeinsame Software und Benutzeroberflächen für die Verwaltung, Visualisierung, Berichterstellung oder die Definition dedizierter Ereignisregeln vereinfachen den Zugriff und die Integration. Dieser Ansatz minimiert die Investitionskosten für die IT- und Speicherinfrastruktur im Prüfstandslabor, während die notwendige Rechenleistung für testkritische Datenanalyseaufgaben erhalten bleibt. Um zum Bei-spiel zeitliche und räumliche Analysen von Flugzeug-triebwerken durchzuführen oder die mechanische Re-aktion einer Flugzeugstrukturkomponente besser zu verstehen, ermöglichen leistungsstarke Abfragefunktionen den Ingenieuren die Analyse großer Sensordatenmengen on-thefly. Die Trendüberwachung über die gesamte Lebensdauer des Tests signalisiert schnell jede signifikante Änderung der Reaktion des Testobjekts zwischen sich wiederholenden Testbedingungen. Mit einer adaptiven und skalierbaren Daten-Backend-Lösung ermöglicht man also den Testlaboren, beliebige physikalische Daten in Echtzeit und unabhängig von der Datenmenge zu erfassen, zu überwachen, zu analysieren und darauf zu reagieren und so Daten in Erkenntnisse zu verwandeln. Abbildung 6 - GI.bench DAQ-Software mit Konnektivitäts-Diensten und Analyse Dashboards 6. Zusammenfassung Mit der vorgestellten adaptiven und skalierbaren Data Back-End Lösung stellt Gantner Instruments Testlaboren und Teststandhersteller eine Plattform zur Verfügung, mit der man beliebige physikalische Daten in Echtzeit erfassen, überwachen, analysieren und darauf reagieren kann, unabhängig von der Datenmenge. Daten werden direkt in Erkenntnisse umgewandelt. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 121 Data analysis in Hardware-in-the-loop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibility Daniel Correa-Sanchez, M. Sc. Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Chandra Kanth Kosuru, M. Sc. Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Dr.-Ing. Hajo Hoffmann Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Dr.-Ing. Klaus Lucka Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Abstract: Hardware-in-the-loop testing has been the prime focus of Tec4Fuels over several years. Tec4Fuels has developed a Co- CoS (Complete common-rail system) test bench to conduct compatibility testing of various fuels with the fuel leading components. The test bench is at complete flexibility to incorporate any kind of fuel injection components with minimum effort. The test circuit consists of the following main components in-tank pump, filter, high pressure pump, rail, and injector. The fuel is condensed (after injection) in a reactor and collected back in the tank, to avoid combustion. This provides the benefit of using as low as 30 liters of fuel for testing. Enhancements to the data acquisition system such as information handling in the context of Industry 4.0 and the Internet of Things (IoT) are currently being implemented. Sensors are used to collect as much information as possible, then the data is analyzed to find possible correlations between all the variables and to better understand the dynamics of the system. This big data is also gathered to feed a machine-learning oriented program. Each trial has its own characteristics even if the same initial conditions are used. With every single test performed, more useful information is collected, the predictive analytics model is improved, and a further step towards prescriptive analytics is done. 1. Hardware-in-the-loop testing in Tec4Fuels. Real conditions in engines or heaters can be simulated in the laboratory to research specific interactions or behaviors consuming less resources. This increases the understanding of such systems. It opens the path to further research specially during long operation periods [1]. CoCoS (complete common rail system) test benches check the durability and effects of different fuels and their components. These tests benches are from recent development and applied in the automotive industry. The know-how of the previous Hardware-in-the-loop test benches, such as ENIAK and ATES [2], is enforced and improved to provide the required quality in endurance testing. It is important to mention that the fuel is reintroduced into the system after the injection. This allows to perform long endurance tests with a reduced quantity of fuel. Both dieseland gasoline-common-rail-systems are emulated in different test benches. 1.1 CoCos Test bench. The test bench consists of a fuel tank, an in-tank fuel pump, a filter, an electric motor, a high-pressure pump, a common rail, and an injector. An adjustable control system makes the components work together to perform continuous fuel circulation. The overall setup of the system is simplified and presented in the following figure. 122 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Data analysis in Hardware-in-the-loop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibility Figure 1. General diagram [3]. The in-tank fuel pump is switched on to provide fuel at low pressure to the high-pressure pump. The fuel passes through a filter to avoid small particles. The high-pressure pump is coupled to an electric motor. The rotation speed is translated into pressure applied to the common rail. Then the fuel is distributed to the corresponding injector. The other outputs of the rail are blocked. The injector is activated by a current profile supplied by the injector control unit, which is explained in the next section. The heating rod is attached to an aluminum block to be heated. This emulates an engine’s cylinder mounting of the injector. The injector sprays the fuel into a Reactor where the fuel is condensed and sent back to the fuel tank. The fuels return line of the high-pressure pump is cooled to regulate the fuel tank temperature. The recollection of the fuel leads to a considerably fewer fuel usage. It also allows short testing times in the global development of the project, due to the high-stress operation on the fuel and on the components. The complete testing cycle is divided in three main phases: continuous operation, pause, long pause, and cycled operation. In the continuous operation phase the fuel circulates repeatedly through the components. At the beginning of the test, this phase is usually longer. The stage duration is fixed and can range from 90 to 300 minutes. Afterwards, a settled pause varying between 45 and 120 minutes occurs. Regularly, the duration of each phase is settled to fit several alternating continuous and pause phases, and one long break within 24 hours accomplishing a partial testing cycle. During the cycled operation, partial cycles are performed to achieve endurance tests ranging from 100 to 500 hours, aiming to keep test times as short as possible. Figure 2. Example of a partial test cycle within 24 hours. 1.1.1 High-Pressure Pump The inlet pressure is between 3 and 6 bar, and the highpressure pump can elevate this value up to 2500 bar. A rotating shaft in the center moves the radial-positioned pistons inside, which intakes the low-pressure fuel and press it into the next pipe with high-pressure. The pressure is regulated by a metering unit control valve, which is a solenoid. Electrically it opens or closes depending on the desired pressure, thus regulating the flow of fuel from low pressure part to the high-pressure part of the pump. The feedback is in this case given by the pressure sensor on the rail. 1.1.2 Common Rail The rail can withstand high-pressures even exceeding 2500 bar depending on the model. Multiple injectors can be coupled to the rail. In this test, only one injector is assembled, and the remaining outlets are blocked with especially designed pellets. It has an electrical pressure sensor incorporated by the manufacturer. 1.1.3 Injector heating It is designed to resemble the conditions around the injector when it is inserted in the cavity of an engine during normal operation. The injector heating consists of the heating block and the heating rod. The heating block is made of aluminum due to its light weight and thermal capacity. On the right side of Figure 3 the parts are described. Figure 3. Injector and its heating element [2]. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 123 Data analysis in Hardware-in-the-loop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibility 1.1.4 Injector The injector is the main component under investigation. Different fuels have different effects after long operation times. Before and after an endurance test, a flow rate measurement in the injector is performed to compare the deviations generated due to the constant operation. Internal and external deposits can be formed, and their causes are further investigated [2]. The nozzle temperature is recorded and used as an indirect measure of flow rate during operation. Figure 4. Actual components in the test bench [3]. The activation time of the injectors is led by the injector control unit. The injector is activated at a frequency range between 10 and 40 Hz. It is adjusted to emulate two-thirds of the engine revolutions per minute (rpms) for a two-stroke motor when it reaches 100 km/ h. 2. Data acquisition and user interface During operation, the values of the sensors are being logged each second. For 400 hours of operation at least 1,440,000 data points per sensors are obtained. Considering that a standard Excel sheet has “only” 1,048,576 rows, it exemplifies the size of the data to be handled. The data is saved in a CSV file locally at the test bench, which connected to the network. This allows the data to be saved in a database in the server located remotely. The information is gathered by a Linux-based data acquisition software. This software allows a connection among several devices in the same network. It also deploys a webserver which could be accessed from any browser in any device in the network. Therefore, the status of the test bench can be monitored and evaluated by the engineer at any time. The complication of data loss is reduced to its minimum because any value from the sensors is recorded simultaneously in the database located remotely as well as in the computer at the test bench. This concept of data acquisition process is shown in Figure 5. Figure 5. Simplified overview of the data acquisition procedure [3]. The control panel allows the user to observe the numeric values of the sensors in real time. It is shown in the next picture. Figure 6. Representation of a simple user interface. To acquire an immediate outlook of the current process it is useful that the values are being charted. The time frame can be adjusted to observe the possible trends or patterns. The next figure shows the temperature developing from several thermocouples. The user can select a specific time frame or filter the variables. Figure 7. Example of temperatures changing in a partial cycle. 3. Evaluation of the data 3.1 Interpretation Data without a meaning is merely empty content. Each measured variable expresses a condition in a component during a trial directly or indirectly. 124 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Data analysis in Hardware-in-the-loop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibility Humans can identify changes in recurring patterns easily through comparison. A trained eye can identify problems such as in the following example immediately. The data was taken from another test bench in order to exemplify periodical time series. The cycle of this test bench consisted in heating up a sample until 750°C and then cooling it down to 400°C with air flux. Temperature in the sample is represented in red, pressure in blue. It is observed, that after several successful completed cycles, the time required to reach the breaking point is slowly increasing, thus the system starts to behave in an undesired manner. No abortion criterion was achieved because the temperature and the pressure were within their operative ranges. Figure 8. Temperature and pressure measured and recorded during endurance test. But an algorithm could detect if the next cycle is slightly starting to deviate from the previous series. A notification could be triggered even if the human operator cannot detect the anomaly in the cycle. The following example demonstrates an increase in the injector temperature and a correlated decrease in its nozzle temperature. Deposits inside the spray holes is a possible reason [4]. Unmounting the injector and reviewing its status is unpractical due to the nature of the test, thus an indirect measurement is practical. Figure 9. Temperature in the injector nozzle vs temperature in the injector. It has to be noted that, it can be hard to notice to a human operator depending on the visual representation of the chart. The temperature in the injector in this case was overpassed during a short time outside the normal values (after the initial overshot). Although the small peaks can be effortlessly visually detected, this undesired condition is not distinguished by exclusively setting a range. Figure 10. Nozzle temperature. In the case of diesel systems, the metering unit regulates the high-pressure in the rail. The pressure sensor progress graph will show small pressure drops, but they will be automatically adjusted by the metering unit. The percentage of aperture is controlled and can be logged. By recording and graphing this value, it is feasible to correlate its variation to possible deposits formation. The corresponding fluctuations are marked in blue circles. The temperature in the injector nozzle increases and then decreases for a very short time, which is hard to spot at first sight. Figure 11. Metering unit (black), injector temperature (red), and tank temperature (yellow). An algorithm can supervise two or more variables simultaneously, towards warning the user of a possible failure. 3.2 Open points and future implementation The predictive analytics part can be improved once enough data from many components during many tests can be obtained. Classifying the results and ranking them by the user is thought to be implemented. Therefore, the training data can be obtained and used later to evaluate the performance of future tests. Machine-learning can be more accurate when enough data is available. It can be used to predict the possible outcome, or to identify previously defined behaviors which are not desired or trend to malfunction. Because of the well-defined input system, it is possible to add sensors with wireless capabilities without adding complexity to the data administration. More sensors mean more possible correlations between the variables and more behaviors to analyze, which consequently will improve the understanding of the system. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 125 Data analysis in Hardware-in-the-loop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibility There are tools such as TensorFlow® or PyTorch® which are open source and available to generate predictions using machine learning via neural networks. It is planned to implement different time series analysis methods such as FFT (Fast Fourier Transform) or first derivative and second derivative analysis [5]. 4. Conclusions Hardware-in-the-loop systems were designed to test possible outcomes under harsher conditions. The development time of Complete common-rail systems (CoCoS) are abbreviated by testing and analyzing the interaction with different fuels using a reduced quantity. Data analysis is essential to monitor and to assure that the testing parameters remain stable. Post-analysis helps to understand the behavior and response of the tests and feeds the main database with identified problems. The experience acquired in each trial run is fundamental to categorize certain patterns in the time series as possible problems. Bibliography [1] Tec4Fuels, „Index,“ [Online]. Available: http: / / www.tec4fuels.com. [Accessed 04 01 2021]. [2] H. Hoffmann, „A Contribution to the Investigation of Internal Diesel Injector Deposits“, Aachen: Shaker Verlag, 2018. [3] D. Correa-Sanchez, Enhancements on a test bench built as a cost-efficient tool in the introduction of alternative fuels., Aachen: Fachhochschule Aachen, 2020. [4] H. Hoffmann and K. Lucka, “Hardware-in-the-loop testing: Complete Commonrail System (CoCoS) and component testing as rapid and cost-efficient tool in the introduction of alternative fuels in the automotive sector,” in 11. Tagung Einspritzung und Kraftstoffe 2018 , Springer Fachmedien Wiesbaden, 2019. [5] T. Górecki and M. Łuczak, “Using derivatives in time series classification,” Data Mining Knowledge Discovery, no. 26, pp. 310-331, 2013. Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Kunststoffzahnräder Seminar (35708) 19. + 20. Sept. 2022 Tribologische Analytik und Schadenskunde Seminar (35830) 20. Sept. 2022 Dichtungen und Dichtungssysteme Seminar (35845) 29. Nov. 2022 Flex: Präsenz in Ostfildern oder Online-Teilnahme Präsenz in Ostfildern Beschichtungen für funktionelle und dekorative Anforderungen Seminar (35831) 05. Okt. 2022 Beschichtungen - Vertiefung Seminar (35832) 06. Okt. 2022 Maßnahmen zur Minimierung von Verschleiß in der Praxis Seminar (35181) 11. + 12. Okt. 2022 Schmierstoffe in technischen Anwendungen Seminar (35882) 7. + 8. Nov. 2022 Umlaufgetriebe Seminar (35833) 29. + 30. Nov. 2022 Weitere Informationen und Anmeldung unter www.tae.de Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Vor Ort oder online teilnehmen Weiterbildung Tribologie Anhang 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 131 Programmausschuss - Fachtagung TestRig Der Programmausschuss setzt sich aus anerkannten Experten aus Forschung und Entwicklung, Industrie und Praxis zusammen. Zu seinen Aufgaben gehören die Formulierung der Zielsetzung und Festlegung der Themenschwerpunkte der Fachtagung, die Begutachtung und Auswahl der eingereichten Vortragsvorschläge für das Tagungsprogramm und die fachliche Beratung des Veranstalters. Vorsitzender Prof. Dr.-Ing. Thomas Kuttner Universität der Bundeswehr München Mitglieder Dr.-Ing. Christian Dindorf Leiter Bosch Center of Competence Vibration, Robert Bosch GmbH Carlos Fonseca Geschäftsführer, Inova GmbH Prof. i. R. Dr.-Ing. Peter Hübner Technische Hochschule Mittweida Bernd Locher Geschäftsführer, Form+Test Seidner & Co. GmbH Dipl.-Ing. (FH) Wilhelm Meir Senior Manager, MTU Aero Engines AG Dr. rer. nat. Harald Müller Inhaber, DHM Prüfsysteme Dipl.-Ing. Thomas Ribbe Projektleiter Prüfstandsentwicklung, BMW Group Dipl.-Ing (FH) Armin Rohnen LbA Hochschule München 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 133 Autorenverzeichnis BBöhm, Luis 97 CCorrea-Sanchez, Daniel 121 DDaniel, Christian 53 Dany, Sascha 41 Dindorf, Christian 27 EEiden, Simon 73 Eisfeld, Alexander 91 GGlauer, Stefan 109 Gries, Christian 13 Gruber, Gordon Bernhard 117 HHobt, Alexander 83 Hoffmann, Sebastian 41 Hoffmann, Hajo 121 JJungblut, Timo 97, 109 KKersch, Kurthan 27 Kosuru, Chandra Kanth 73, 121 Kuttner, Thomas 27 LLucka, Klaus 121 MMallali, Hichame Ait El 73 PPloegman, Stephan 117 RRehberger, Felix 33 Riemer, Benjamin 33 Rödling, Steffen 97, 109 SSauer, Michael 19 Schlemmer, Kristof 41 Schmidt, Holger 41 Schmidt, Hendrik 53 Siewerin, Benedikt 61 Sikora, Peter-Johann 19 Stahl, Karsten 61 TTobie, Thomas 61 Tobuschat, Armin 77 Toebe, Bernhard 91 WWinkler, Karl Jakob 61 Winter, Michael 97, 109 Woschke, Elmar 27, 53 ZZörnig, Andreas 53 www.tae.de Als interdisziplinäres Gebiet umfasst der Bau und Betrieb von Prüfständen die mechanischen, hydraulischen und elektronischen Systeme, den Signalfluss von Mess-, Überwachungs- und Regelsignalen sowie die Anwendung in Prüfaufgaben zur Verifikation von Berechnungsergebnissen und zur Absicherung der Produktzuverlässigkeit. Der Inhalt Multivalent nutzbare Prüfstandslösungen Möglichkeiten und Grenzen von Baukasten- lösungen (hardwareseitig und softwareseitig) Nutzung von Prüfständen für mehrere Aufgaben, z. B. Betriebsfestigkeit und Funktionspüfung oder Modalanalyse und Komfortbewertung ein Prüfstand für alle Fälle gibt es die "all in one"-Lösung? Mehrachsige Prüfstände und Prüfstands- regelungen mechanischer Aufbau von mehrachsigen Prüfständen, Fundament, Schwingungs- isolierung und mechanische Entkopplung der Kanäle untereinander Signalverarbeitung und Regelung mehrachsiger Prüfstände ein mehrachsiger Versuch oder mehr einachsige Versuche? Mehrachsige Prüfstände im Span- nungsfeld zwischen Aufwand und Aussagekraft Modernisierung von Prüfständen Arbeitssicherheit und Umweltaspekte als Treiber von Modernisierungen Fundament und Schwingungsisolierung neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Aktuatorik/ Sensorik Wie können moderne Signalverarbeitung und Regelungstechnik die Versuchsdurchführung und Versuchsergebnisse verbessern? Die Zielgruppe Fachkräfte mit Aufgabenbereich in Entwicklung, Technik und Vertrieb, die Prüfsysteme konzipie- ren und konstruieren, deren Komponenten liefern und Prüfstände aufbauen, in Betrieb nehmen und Versuche betreiben Anwender von Prüfständen in der Industrie, von Dienstleistern und in der Forschung Führungskräfte, die sich einen Eindruck von der Produkterprobung im Entwicklungsprozess verschaffen möchten ISBN 978-3-8169-3529-2