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2. Fachtagung TestRig

Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb Tagungshandbuch 2024

0923
2024
978-3-3811-3102-0
978-3-3811-3101-3
expert verlag 
Thomas Kuttner
 Technische Akademie Esslingen e. V.
10.24053/9783381131020

Die Fachtagung TestRig beschäftigt sich mit dem Bau und Betrieb von Prüfständen. Das Themenspektrum umfasst die mechanischen, hydraulischen und elektronischen Systeme sowie den Signalfluss von Mess-, Überwachungs- und Regelsignalen. Durch den interdisziplinären Ansatz zeigen wir die gesamte Bandbreite der Prüfstandstechnik von der Schwingungsisolierung über den Maschinenbau und die Aktuatorik bis hin zur Messtechnik und Signalverarbeitung/ Signalanalyse. Die Veranstaltung schlägt eine Brücke zwischen Herstellern und Anwendern von Komponenten und Systemen für Prüfstände und bietet Ihnen eine Plattform, um aktuelle Erkenntnisse aus Wissenschaft, Industrie und Praxis auszutauschen.

<?page no="0"?> Herausgegeben von Thomas Kuttner 2. Fachtagung TestRig Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb Tagungshandbuch 2024 <?page no="1"?> 2. Fachtagung TestRig 18. und 19. September 2024 Technische Akademie Esslingen <?page no="3"?> Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Thomas Kuttner 2. Fachtagung TestRig Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb Tagungshandbuch 2024 <?page no="4"?> 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. © 2024. Alle Rechte vorbehalten. expert verlag - Ein Unternehmen der Narr Francke Attempto Verlag GmbH + Co. KG E-Mail: info@verlag.expert Internet: www.expertverlag.de Printed in Germany ISBN: 978-3-381-13101-3 eISBN: 978-3-381-13102-0 Technische Akademie Esslingen e. V. An der Akademie 5 · D-73760 Ostfildern E-Mail: maschinenbau@tae.de Internet: www.tae.de <?page no="5"?> 5 2. Fachtagung TestRig - September 2024 5 Vorwort Nachdem vor zwei Jahren die TestRig-Tagung erfolgreich stattfand, darf ich Sie zur zweiten Veranstaltung sehr herzlich willkommen heißen. Vielen Dank für Ihr Vertrauen und Ihre Teilnahme. Als Sprecher des wissenschaftlichen Beirates möchte ich mich vorab bei allen Vortragenden und Ausstellern für die Beiträge, bei allen Mitstreitern im Programmausschuss für das stets positive Feedback und den Austausch, bei der Technischen Akademie Esslingen als Veranstalter für das Vertrauen und 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. Auch vor dem Hintergrund der immer fortschreitenden Digitalisierung des Produktlebenszyklus sind Prüfstandsversuche aus der heutigen Entwicklung von technischen Produkten nicht wegzudenken. Ganz gleich, ob es sich um hochtechnisierte Produkte handelt, z.B. Flugzeuge oder Autos oder eher Gegenstände des Alltags, z.B. 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 die Prüfungen und Tests an Erzeugnissen, bevor diese in Verkehr kommen, wie z.B. die Festigkeitsprüfung von Fahrzeugrädern. Andererseits sind Hersteller und Betreiber interessiert, Produkteigenschaften zu verbessern, um Qualitätsversprechen einzulösen und die Markposition 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 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 den Schwerpunkt meist auf der Methodik zur Erzielung des Versuchsergebnisses und nicht die Entwicklung und den Betrieb von Prüfständen. Die Konferenz TestRig schließt diese Lücke und ist ein interdisziplinäres Forum für das vielfältige Feld der Prüfstandstechnik. Es ist erklärtes Ziel der Tagung, die Gesamtheit der Prüfstandstechnik abzudecken - vom Fundament bis zum Messaufnehmer, 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. Somit darf ich Ihnen auf der TestRig 2024 neue Impulse und einen produktiven Austausch wünschen. Sprecher des Programmausschusses Prof. Dr.-Ing. Thomas Kuttner Universität der Bundeswehr München Fakultät Maschinenbau, Neubiberg <?page no="7"?> 7 2. Fachtagung TestRig - September 2024 7 Inhaltsverzeichnis 01 Digitales Prozess- und Werkstoffwissen für den beschleunigten Festigkeitsnachweis 11 Dr.-Ing. Michael Luke 02 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications** 17 Martin de Fries M. Sc., Marcus Irmer M. Sc., Karin Thomas PhD, René Degen PhD 03 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit 31 Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kemmerich 04 KI auf dem Prüfstand - Unser Weg von der Betriebsfestigkeit zur KI-Sicherheit * Christian Kexel 05 Schienenfehlersimulation und -erkennung mittels Schwingungsdiagnose 39 Maik Wolf M. Eng., Prof. Dr.-Ing. Mathias Rudolph, Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun 06 Wie soll ein verwendungsfertiges E-Bike überprüft werden? * Ernst Brust 07 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen 45 Dr.-Ing. Markus Ballmann, Prof. Dr.-Ing. Jörg Hübler, Dr.-Ing. Hagen Bankwitz, Dipl.-Ing. Norman Katzer 08 Entwicklung einer Temperaturwechselkammer für einen 100-kN Shaker 53 Olaf Nusche, Udo Hartwig 09 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen 57 Dr.-Ing. habil. Bernhard Sagmeister 10 Modernisierung von Großprüfständen zur effizienten Nutzung unter dem Aspekt von minimaler Umrüstarbeit - insbesondere unter Berücksichtigung des heutigen Fachkräftemangels * Wolfgang Peters 11 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation 63 Bernhard Toebe 12 Neue Dimensionen in der Schwingfestigkeitsprüfung 69 Georg Klenk M. Eng, Tim Fritschle M. Sc., Dr.-Ing. Alexander Hobt, Dr.-Ing. Martin Werz 13 DVM Vortrags Maxi (Prüfstand WTD41 Trier) * Bernhard Schmidt 14 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine 73 Jesse Ceruso M. Sc., Jens Mischko M. Sc., Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts 15 Tribological Investigations under Varying Pressure Atmosphere 81 Felix S. M. Zak 16 Kombinationsprüfstand zur Emissionsmessung von Bremsstaub- und Reifenabriebspartikel im Automotivsektor * Czasch Philipp <?page no="8"?> 88 2. Fachtagung TestRig - September 2024 17 DME plus X as a potential Fuel 83 Hichame Ait El Mallali M. Sc., Vishalkumar Patel M. Sc., Ashrith Arun M. Sc., Dr. Simon Eiden 18 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben** 87 Philipp Marin M. Sc., Prof. Dr.-Ing. Tobias Dickhut 19 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen 97 Sebastian Preintner M. Sc., Michael Geitner M. Sc., Bernd Morhard M. Sc., Dr.-Ing. Thomas Lohner, Dr.-Ing. Thomas Tobie, Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl, Oliver Seuffert, Dr.-Ing. Simon Härtl 20 Innovation durch Leidenschaft: Luis Marx’ Doppelleben als Produktionsingenieur und YouTuber 105 Luis Marx B. Eng. 21 Anhang 21.1 Programmausschuss 111 21.2 Autorenverzeichnis 113 * Manuskript lag bei Redaktionsschluss nicht vor ** peer reviewed durch Programmausschuss <?page no="9"?> Weitere Informationen und Anmeldung unter www.tae.de/ go/ maschbau Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Maschinenbau und Feinwerktechnik Fahrzeugtechnik Elemente, Maschinen und Anlagen Entwicklung und Konstruktion Werkstoffe und Betriebsstoffe Qualität, Mess- und Prüftechnik Fertigungs- und Produktionstechnik Verfahrens- und Oberflächentechnik, Korrosion Instandhaltung Betriebliche Organisation Arbeitssicherheit, Umwelt- und Strahlenschutz Ein Großteil unserer Seminare wird unterstützt durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds. Profitieren Sie von der ESF-Fachkursförderung und sichern Sie sich bis zu 70 % Zuschuss auf Ihre Teilnahmegebühr. Alle Infos zur Förderfähigkeit unter www.tae.de/ foerdermoeglichkeiten Maschinenbau, Produktion und Fahrzeugtechnik Bis zu 70 % Zuschuss möglich <?page no="11"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 11 Digitales Prozess- und Werkstoffwissen für den beschleunigten Festigkeitsnachweis Alles hat seinen Preis - Welche Herausforderungen leiten sich für den Prüfmaschinenbetreiber aus Linked Data ab? Dr.-Ing. Michael Luke Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg im Breisgau Zusammenfassung Der Beitrag behandelt den Nutzen semantisch strukturierter Daten für die Anwendung datengetriebener Methoden in der Festigkeitsbewertung. Es wird dargestellt, welche Vorteile dem Anwender die Verknüpfung von Metadaten (Halbzeugbeschreibungen, Bezugsquellen, Prüfgeräte, etc.), Prozesswissen (Gießen, Strangpressen, Umformen, Walzen, etc.) und Werkstoffwissen (Kennwerte, Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen, etc.) bieten. Darüber hinaus wird beispielhaft über Erfahrungen mit dem Umgang von Ontologien, Wissensgraphen und Triple Stores sowie über den Mehrwert von elektronischen Laborbüchern berichtet. Dies führt zu der abschließenden Frage, welche Erwartungshaltung (bezüglich offener Schnittstellen zur Datenübermittlung und -verarbeitung) könnte sich bei Prüfmaschinenbetreibern entwickeln. 1. Einführung Digitale Konzepte (linked data), die auf die systematische Verwendung von Werkstoffdaten zur Be-schleunigung der Produktentwicklung abzielen, sind ein aktuelles interdisziplinarisches Forschungsthema von Materialexperten und Datenanalysten. Das Zielbild ist a. im Sinne der Nachhaltigkeit können auf diese Weise bereits vorhandene Daten gezielt wiederverwendet werden, b. datenbasierte Vorhersagen von Werkstoff- und Bauteileigenschaften können kostspielige Experimente in der Produkt-Design-Phase ergänzen und teilweise ersetzen und c. Daten, die in entsprechend strukturierten Datenräumen und Wissensgraphen gespeichert sind, ermöglichen eine interoperable Verbindung verschiedener Analysetools. Hier spielen die FAIR-Prinzipien (siehe Abschnitt 3) eine entscheidende Rolle. Abb. 1 zeigt ein schematisches Nutzerszenario. Abb. 1: Zielbild als schematische Darstellung Werkstoffdaten (Kennwerte, Mikrostrukturinformationen etc.) und Metadaten (Halbzeugbeschreibungen, Bezugsquellen, Prüfgeräte, etc.) sind entlang der Prozesskette von der Halbzeugherstellung bis zum Produkt (Prozessdaten) verfügbar. Bauteileigenschaften und zugehörige Werkstoffzustände (Mikrostruktur-Eigenschaftsbeziehungen) können abgefragt und im Idealfall auch prognostiziert oder nötige Prozessrouten empfohlen werden. Dieses Zielbild ist für beliebig viele Anwendungsszenarien attraktiv. Für den Anwendungs-fall „Ermüdung hochfester Stähle“ wurde im Rahmen des Projekts „UrWerk“ [Urw22] u.a. eine erweiterte Machbarkeitsstudie für ein entsprechendes Datenraum-konzept erarbeitet. 2. Anwendungsfall „Ermüdung hochfester Stähle“ Die Ermüdungseigenschaften von Stählen hängen von verschiedenen Einflussfaktoren, wie z.B. chemische Zusammensetzung, Wärmebehandlung, Oberflächeneigenschaften, Lastparameter, Mikrostruktur und anderen ab. Während der Produktentwicklung sind verschiedene Materialcharakterisierungs- und Qualifikationsexperimente obligatorisch. In der Machbar-keitsstudie [Urw22] wurde versucht diesen Rand-bedingungen Rechnung zu tragen. Abb. 2 zeigt eine Nutzeroberfläche, die es ausgehend von einer Beschreibung von chemischer Zusammensetzung und Probenzustand erlaubt die Schwingfestigkeit für eine Schwingspielzahl von bei einem Spannungsverhältnis von vorherzusagen. Die Vorhersage beruht auf einer statistischen Auswertung (Random Forest Regression, ein Algorithmus für Maschinelles Lernen) und erzielt einen -score (Bestimmtheitsmaß oder Determinationskoeffizient) von 0.7 bis 0.8. In diesem Beitrag geht es nicht darum diese statistische Auswertung wissenschaftlich zu belegen, hierzu sei auf [Fli23, Fli24] verwiesen, sondern einerseits aufzuführen, welche Art Datenraum für eine solche Auswertung benötigt wird und andererseits zu diskutieren, welche Auswirkungen diese Art der Datenverarbeitung künftig auf Werkstoff- und Bauteilversuche haben könnte. <?page no="12"?> 12 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Digitales Prozess- und Werkstoffwissen für den beschleunigten Festigkeitsnachweis 2.1 Welches Datenraumkonzept könnte der datengetriebenen Festigkeitsanalyse künftig zugrunde liegen? Als ein Lösungsansatz soll hier das Konzept der semantischen Interoperabilität vorgestellt werden. Mit einem ontologiebasierten, semantisch verknüpften Wissensgraphen, der die Herstellungsgeschichte des Materials darstellt, kann der Einfluss von Prozessgrößen beispielsweise bei der Halbzeugherstellung oder einer Wärmebehandlung auf die resultierenden Eigenschaften berücksichtigt werden. Kernelement für ein solches Szenario ist ein geeigneter Ermüdungsdatensatz mit einer ausreichenden Anzahl von Materialien und Versuchsdaten, in der Regel zusammengestellt aus eigenen Untersuchungen und Literaturangaben. Abb. 3 zeigt den Datensatz, der in [Urw22] verwendet wurde. Neben den im Diagramm sichtbaren Wertepaaren enthält der Datensatz weitere Angaben zur chemischen Zusammensetzung, Probenform, Oberflächenzustand etc. Die verwendeten Begrifflichkeiten sind definiert und entsprechen akzeptierten Normen und Regelwerken. Ebenfalls im Datensatz enthalten sind zehn 100Cr6-Materialvarianten für die die Prozessfolge (Austenitisieren, Abschrecken, Auslagern etc.), Prozessspezifika (z.B. ein- oder mehrfache Auslagerung, Standard-Aufschmelzprozess, Aufschmelzen unter Vakuum VIM-VAR) oder der Mikrostruktur (bainitisch, martensitisch) beschrieben sind. Abb. 2: Mögliche Nutzeroberfläche für eine Lebens-dauer-Prognose <?page no="13"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 13 Digitales Prozess- und Werkstoffwissen für den beschleunigten Festigkeitsnachweis Abb. 3: Darstellung des Beispieldatensatzes aus [Urw22] Abb. 4 zeigt ein Beispiel wie diese Abhängigkeiten und Prozesse beschrieben werden. Über die Knotenbeziehungen „hasTemporalNext“ kann die zeitliche Abfolge der Prozessschritte dargestellt werden, über „hasOutput“ bzw. „isInputFor“ die Ein- und Ausgabegrößen für die Prozessschritte. Abb. 4: Verschiedene Materialzustände beim Durchlaufen der Prozesskette (stark vereinfachte Dar-stellung), grün gefüllte Boxen = Prozessschritte, weiß gefüllte Boxen = Eigenschaften, grau gefüllte Boxen = Materialzustände aus [Fli23] Beides, die Begrifflichkeiten und die Knotenbeziehungen sind Bestandteile der Ontologie, d.h. des Datenkonzeptes. Wobei das übergeordnete Datenkonzept wiederum mit vielen verschiedenen Datenkonzepten für einzelne Prozesse untersetzt wird. <?page no="14"?> 14 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Digitales Prozess- und Werkstoffwissen für den beschleunigten Festigkeitsnachweis Die Verknüpfung und das Speichern von Datenkonzept und Daten erfolgt in Triple Stores (speziellen Datenbanken). Mit Triples werden Subjekt-Prädikat-Objekt Beziehungen bezeichnet. Über die Aneinanderreihung von Triples können umgekehrt Abfragen gebildet werden, die Werkstoffdaten mit der Information zum Prozess und der zeitlichen Zuordnung verbinden. Es entsteht eine semantische Verknüpfung bzw. Interoperabilität, die für datengetriebene Festigkeitsanalysen nutzbar ist. Ontologiebasierte Plattformen werden derzeit für die verschiedensten Anwendungsfelder entwickelt (siehe Absatz 4). Für den einzelnen Nutzer stellt ihre Einführung eine nicht unerhebliche Hürde dar. Im Labor- und Versuchsbereich bieten Elektronische Laborbücher (ELN) oder Labor-Informations-Systeme (LIMS) eine gute Einstiegsmöglichkeit. Metadaten, Messgeräte, Prozesse und Auswertemethoden können hier bereits so angelegt werden, dass sie den späteren Umgang mit Ontologie, Triple Stores und Wissensgraphen ermöglichen. 2.2 Welchen Nutzen bietet die datengetriebene Festigkeitsanalyse? Die Verknüpfung von Daten als Bestandteil eines übergeordneten Datenkonzeptes ermöglicht die Beant-wortung komplexer und interessanter Fragestellungen, wie z.B. • Welchen Einfluss hat die Änderung der chemischen Zusammensetzung (ein Element liegt außerhalb des geforderten Bereichs) auf die Schwingfestigkeit? • Welchen Einfluss hat die Überschreitung eines Wärmebehandlungsparameters auf die Duktilität des Werkstoffs? • … • Welcher Energieaufwand wird für ein Produkt entlang seiner Wertschöpfungskette für die Festigkeit aufgebracht? • Welchen CO 2 -Fußabdruck erzeugt ein bestimmtes Produkt? mit Methoden des Maschinellen Lernens (daten-getriebene Festigkeitsanalysen). Da es sich hier um statistische Analyseverfahren handelt, müssen für eine hohe Prognosequalität Daten im ausreichenden Umfang vorhanden sein. 3. Mögliche Erwartungshaltung von Prüfmaschinenbetreibern Aufgrund der bisherigen Ausführungen könnte der Eindruck entstehen, dass die experimentelle Datenerhebung für den Festigkeitsnachweis an Bedeutung verliert. Nach Meinung des Autors ist auf absehbare Zeit das Gegenteil zu erwarten. These 1: Für die Anwendung datengetriebener Metho- den in der Festigkeitsanalyse werden künftig mehr Datensätze denn je gebraucht. Diese müssen zudem umfänglich beschrieben sein und Mikrostrukturinformationen enthalten, um einen Mehrwert erzeugen zu können. Die Datenqualität erfordert i.d.R. eine Nachbearbeitung und Kuratierung der Daten bevor Vorhersagen von mechanischen Eigenschaften durch Maschinelles Lernen zu akzeptierten Ergebnissen führen. These 2: Für jeden Nutzer (jede Branche) wird nur ein spezifischer Bereich von Prozessen und Methoden von Interesse sein. Es werden daher anwendungsspezifische Datensätze entstehen. Die Qualität und die Verfügbarkeit von kuratierten Datensätzen wird zum Geschäftsmodell. Um Grundlagen für automatisierte datengetriebene Festigkeitsanalysen zu schaffen bzw. diese weiterzu-entwickeln, werden Prüfmaschinenbetreiber ihre Prozesse und Ergebnisse, wie z.B. • Messgeräte und Messketten • Einbindung von anwenderseitiger Sensorik • (Echtzeit-) Datenerfassung und -filterung • Datenfusion (Metadaten, Messdaten, Bilddaten) • Automatisierung von Auswertemethoden (Python- Skripte, Jupyter Notebooks etc.) künftig umfassender und maschinenlesbar dokumen-tieren und erfassen und dabei auf offene Datenformate zurückgreifen wollen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Speicherung von Daten nach dem FAIR Data Prinzipien. Diese sind in [Wil16] beschrieben: Findable - auffindbar F1 (Meta-)Daten sind mit einem weltweit eindeutigen und dauerhaften persistent identifier versehen. F2 (Meta-)Daten werden mit umfangreichen Metadaten beschrieben. F3 (Meta-)Daten sind in einer durchsuchbaren Ressource registriert oder indiziert. F4 (Meta-)Daten enthalten eine klare und eindeutige Identifizierung der Daten, die sie beschreiben. Accessible - zugänglich A1 (Meta-)Daten können anhand ihrer Identifizierung über ein standardisiertes Kommunikationsprotokoll abgerufen werden. A1.1 das Protokoll ist offen, frei und universell imple- mentierbar. A1.2 das Protokoll ermöglicht bei Bedarf ein Authentifizierungs- und Autorisierungsverfahren. A2 - (Meta-)Daten sind zugänglich, auch wenn die Daten nicht mehr verfügbar sind. Interoperabel - interoperabel I1 (Meta-)Daten verwenden eine formale, zugängliche, gemeinsame und weithin anwendbare Sprache zur Wissensdarstellung. <?page no="15"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 15 Digitales Prozess- und Werkstoffwissen für den beschleunigten Festigkeitsnachweis I2 (Meta-)Daten verwenden Vokabulare, die den FAIR- Grundsätzen entsprechen. I3 (Meta-)Daten enthalten qualifizierte Verweise auf andere (Meta-)Daten. Reusable - wiederverwendbar R1 (Meta-)Daten haben mehrere genaue und relevante Attribute. R1.1 (Meta-)Daten werden mit einer klaren und zugänglichen Datennutzungslizenz freigegeben. R1.2 (Meta-)Daten sind mit ihrer Herkunft verbunden. R1.3 (Meta-)Daten entsprechen den für den Bereich relevanten Gemeinschaftsstandards. Die Einhaltung der FAIR Data Prinzipien bedeutet nicht, dass Daten unentgeltlich zur Verfügung gestellt werden. Vielmehr wird dadurch, im Zusammenhang mit den eingangs formulierten Thesen, ein Rahmen gesteckt, diese auch wirtschaftlich nutzen zu können. Mit Daten, die in aufwändigen Versuchsreihen ermittelt werden können, der eigene Datenraum fortlaufend ergänzt und die Qualität eigener Produkte und deren Eigenschaftsabsicherung belegt werden. 4. Ausblick Vielfältige Initiativen und Entwicklungen für Daten- raumkonzepte im Kontext Industrie 4.0 unterstreichen die Dynamik, mit der die Digitalisierung von Fertigungsabläufen, Prozessen einerseits, aber ander-erseits auch der Informations- und Daten-Austausch zwischen Marktteilnehmern vorangetrieben wird. Hierzu gehören • Gaia-X, ein Projekt zum Auf bau einer leistungs- und wettbewerbsfähigen, sicheren und vertrauens-würdigen Dateninfrastruktur für Europa, das von Vertretern aus Wirtschaft, Wissenschaft und Ver-waltung aus Deutschland und Frankreich gemein-sam mit weiteren, vorwiegend europäischen Part-nern getragen wird. https: / / gaia-x.eu/ • CATENA-X Automotive Network, eine Plattform für die Automobilindustrie, die Datenketten entlang der Wertschöpfungskette optimiert. • https: / / catena-x.net/ de/ • Manufacture-X, ein Großprojekt für die Industrie, das den Datenraum für Industrie 4.0 entwickelt. • https: / / digitalstrategie-deutschland.de/ manufacturing-x/ Diese Branchen-Digitalisierungs-Projekte bilden derzeit werkstoffrelevante Prozesse und Methoden nicht im Detail ab. Genau hier setzen andere Initiativen, wie z.B. die • BMBF Plattform MaterialDigital (PMD), zum Aufbau eines virtuellen Materialdatenraums und der Systematisierung des Umgangs mit Werkstoffdaten. Mit derzeit 24 Projekten aus den verschiedensten Materialbereichen und -anwendungen und den Kerninstituten Bundesanstalt für Materialfor-schung und -prüfung (BAM), Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, KIT Institut für Nanotechnologie, Leibniz-Institut für Werkstoff-orientierte Technologien IWT, Max-Planck-Institut für Eisenforschung MPIE. https: / / www.materialdigital.de/ • Nationale Forschungsdateninfrastruktur (NFDI), der sich als gemeinnütziger Verein zum Ziel gesetzt hat rechtskonforme, interoberable und nachhaltige Dateninfrastrukturen zu schaffen. https: / / www.nfdi.de/ an. Diese Initiativen zielen darauf ab, die digitale Infrastruktur in Forschung und Entwicklung zu verbessern und Innovationen im Bereich der Materialwissenschaften zu fördern. Insbesondere die Datenerhebung und -verarbeitung in der Werkstoff-charakterisierung, der Bauteilbewertung und der Durchführung von Validierungsversuchen wird sich den Anforderungen an datengetriebene Festigkeitsanalysen anpassen. Literatur [Urw22] Fraunhofer-internes Projekt MAVO „UrWerk - Unternehmensspezifische Werkstoff(system)- Datenräume zur beschleunigten Produktentwicklung“, Lauf-zeit 3/ 2019 bis 8/ 2022, interne Fördernummer MAVO 840 114 [Fli23] Fliegener, S. et al.: Digitale Methoden für die Lebensdauerbewertung am Beispiel hochfester Stähle. 49. Tagung des DVM-Arbeitskreises Betriebsfestigkeit, 11. und 12. Oktober 2023 in München [Fli24] Fliegener, S. et al.: Digital Methods for the Fatigue Assessment of Engineering Steels. Wiley VCH, submitted for publication, 2024 [Wil16] Wilkinson, M., Dumontier, M., Aalbersberg, I. et al. The FAIR Guiding Principles for scientific data management and stewardship. Sci Data 3, 160018 (2016). https: / / doi.org/ 10.1038/ sdata.2016.18 <?page no="17"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 17 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications Martin de Fries, M.Sc. Cologne University of Applied Sciences, Cologne, Germany Department of Electrical Engineering, Uppsala University, Uppsala, Sweden Marcus Irmer, M.Sc. Cologne University of Applied Sciences, Cologne, Germany Department of Electrical Engineering, Uppsala University, Uppsala, Sweden Karin Thomas, PhD Department of Electrical Engineering, Uppsala University, Uppsala, Sweden René Degen, PhD Cologne University of Applied Sciences, Cologne, Germany Department of Electrical Engineering, Uppsala University, Uppsala, Sweden Abstract In agricultural technology, the importance of near-operational complete vehicle tests is constantly increasing due to the growing degree of automation. This is because the interaction of attachments, tractors and drivers, sometimes with several assistance and automation functions, requires significantly more test kilometers in the field. However, additional test kilometers mean additional time that needs to be invested. Testing in the agricultural field is more dependent on weather conditions and seasons than in other sectors. Also, defined scenarios with certain crops are only available temporarily depending on the harvest year. One solution are virtual test fields: A principle, which has already become firmly established in automotive development. They offer fully reproducible test scenarios, temporal independence and test parameters that can be varied at will, while being significantly more cost and time efficient. In this work, the needs of the industry and the state of the art of highly realistic virtual test fields for agricultural applications will be discussed. Based on this, a modular approach for implementation will be presented. Subsequently, individual modules and their interfaces will be introduced. Rounded off by the presentation of practical application examples from the field of environment detection, the article concludes with insights into future development perspectives and functional enhancements. Keywords virtual test field - agricultural vehicles - sensor models - testing - automation - assistance systems - precision farming 1. Introduction Current times are characterized by enormous technological trends. For example, the enormous potential of digitalization is being used to simplify people’s lives and make it safer. A good example of this is the introduction of highly developed driver assistance functions in modern cars. The consumer demand will propel the growth of vehicles sales with autonomous-driving systems and advanced driver assistance systems (ADAS) from today. Meanwhile, the share of functions with high levels of automation will increase. [1] One of the critical enablers of the progress of these functions is the use of virtual development and testing methods. These innovative approaches offer substantial potential by allowing developers to simulate and test complex scenarios that would be impractical or impossible to recreate consistently in the real world. Virtual environments provide a controlled setting where various parameters can be manipulated to assess system performance under a wide range of conditions, significantly accelerating the development process and improving the robustness of the final product. In the context of this work, these methods are summarized under the term virtual test field (VTF). To avoid ambiguity, this term is defined here as a co-simulation environment for model-based system development [2]. Its core is a high-resolution, three-dimensional and geometric model of an operational environment of the vehicle system to be tested as well as the geometric models of the vehicle itself and other elements of the environment. The VTF can also contain other modules such as sensor models, vehicle dynamics models, human-machine interfaces, interfaces for hardware integration and other modules. Such a tool is suitable for prototyping and testing software-based functions of mechatronic systems in early development phases. It supports “virtual testing”, which is described as a development phase for mechatronic systems in the V-model according to [3]. Fig. 1 shows the VTF in the context of the V-model development process with premature branch for virtual testing. VTF are now integral to many industries, notably the automotive sector, where they are employed to refine driver assistance systems and automated driving Dieser Beitrag wurde durch den Programmauschuss peer reviewed <?page no="18"?> 18 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications Fig. 1: A VTF supports the premature V-Model branch functions. Leading automotive manufacturers and technology companies are at the forefront of this innovation, combining simulation tools such as X-inthe-Loop (XiL) systems with virtual environments. Nowadays, VTF are of increasing importance for the automotive industry. According to a 2022 study, the market size for autonomous vehicle simulation tools is expected to have annual growth of 13.4% during the forecast period from 2022 to 2031. [4] The automation of processes is also playing an increasingly important role in agriculture. Smart and mobile farm machinery based on innovative sensor and computer vision technology could create $50 billion to $60 billion of additional market value by 2030 [5]. Furthermore, such agricultural vehicles and implements have the advantage that a significant proportion of their tasks can be relatively easily automated. One reason for this is that many tasks are repetitive. These tasks mainly include manipulative processes such as mowing, hoeing or harvesting, which are often carried out by dedicated implements and mobile machinery. During these processes, the tractor/ implement combination always travels the same routes. This is in contrast to the use of autonomous cars in road traffic, where the interaction of many road users and the use of complex routes result in constantly changing, complicated scenarios. Driving speeds are also significantly higher there. As a result, different requirements apply to assistance functions for off-road agricultural operations, which leads to regulations and development processes of varying complexity. In the agricultural machinery industry, the use of VTFs in the development of assistance functions is not yet common practice. However, such methods are the subject of current research and are described as a key future tool in the scientific field [6]. Further examples from research are described below. The objective of this paper is to describe the application of VTF in the agricultural technology sector, where the increasing automation of mobile agricultural machinery demands extensive testing. Near-operational complete vehicle tests are becoming more critical as the interaction between implements, tractors and operators, often involving multiple assistance and automation functions, requires extensive field testing. However, the reliance on physical testing is constrained by weather conditions, seasonal availability of crops and the significant time investment required to accumulate sufficient test kilometers. VTF present a promising solution by offering reproducible scenarios, temporal independence and flexible test parameters, all while reducing time and financial costs. This paper will discuss the needs of the agricultural industry and the current state of VTF tailored for agricultural applications. It will introduce a modular approach for implementing a VTF, detailing individual modules and their respective interfaces. Application examples will be presented, demonstrating the effectiveness of this approach. 2. State of the Art of Virtual Test Fields in Agriculture In order to formulate the desired properties of VTF for automation functions for mobile agricultural machinery below, properties and deficits of the state of the art must also be included. The literature research process used is based on the methodology of Integrative Literature Research as described in [7]. Its criteria for inclusion and exclusion are documented in Tab. 1 beginning with the definition of the search terms. These terms cover the field of simulation, automated vehicles and agricultural applications. As virtual development environments are often developed by foundations or companies and described on the associated websites, a browser-based web search is conducted. In addition to this, scientific journal publications were analyzed to investigate the use cases of such tools in research. The databases used, the publication period of the articles and further criteria are documented. Tab. 1: Methodical Criteria of the Literature Research <?page no="19"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 19 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications The evaluation begins with an analysis of the open source tools. These are each briefly described and analyzed with reference to the scientific sources with regard to their functions as a development tool, the structure of the software, the modeling of the vehicle system and its functions and the modeling of the virtual environment. The analysis of the open source tools is followed by an evaluation of the commercial solutions. For better clarity or a more concise review of the state of the art, Fig. 2 should be consulted, which analyzes the tools described below and their agricultural use cases. Fig. 2: Research Results for Tools and Use Cases 2.1 Open Source Solutions Among the open source solutions, the CARLA simulator should be mentioned. CARLA is a simulation platform for the development, testing and validation of autonomous vehicle systems [8]. It is frequently used in research and industry to develop and test ADAS and autonomous vehicle technologies. The platform is based on the Epic Games Unreal Engine 4 [9]. With the “Town 7” package, CARLA has so far only marginally addressed the simulation of agricultural land. The company AVL has integrated CARLA into its toolchain for the simulation of off-road vehicles and also mentions agricultural machinery as a use case [10]. CAR- LA is also used in research, for example in [11], which aims to create a realistic simulation for agricultural robots. CAR- LA offers advanced features such as hardware integration, data generation, operator integration and scenario configuration. The platform supports flexible configurations of virtual environments and adheres to the ASAM standards for designing road traffic scenarios [12]. Interfaces to the Robot Operating System (ROS) are available and the software can be extended by programming in C++, allowing interfaces to be created to other software for co-simulation, for example. The modeling of the vehicle and its functions in CARLA includes sensor models for LIDAR, RADAR and cameras, some of which provide realistic raw sensor data or ground truth sensor data. Ground truth refers to sensor data that is not generated by a physically-evident emulation of the sensor principle, but results from a query of correct and precise data points in the virtual environment. The simulation of physical processes, such as driving dynamics, is carried out by the Physics Engine of the Unreal Engine and can therefore not be defined by the user. The virtual environment in CARLA is characterized by high quality rendering based on Unreal Engine 4, although Unreal Engine 5 offers more advanced rendering options. Another open source solution is the Gazebo Simulator [13]. Gazebo is an open source simulation platform that provides virtual environments for modeling and testing robots and autonomous systems. It supports a variety of sensors and actuators and is often used in combination with ROS [14]. Gazebo enables the simulation of complex scenarios in real time. It is often used in the research and pre-development of robotics and automation technology. Clearpath Robotics uses Gazebo to simulate its robots in agricultural environments [15]. The agricultural machinery manufacturer John Deere, which bought a robotics company in 2017, also uses ROS [16]. In scientific studies, Gazebo is used to simulate crop yields and autonomous navigation in agricultural environments [17-19]. Gazebo offers features such as cloud integration for flexible use of maps and elements. Dynamic loading or discarding of environment elements is used to increase the performance of the simulations. Gazebo can also be flexibly extended via plugins. The software supports both console-based and graphical interfaces as well as web interfaces. The physics simulation is carried out using its own physics engine, which is described as more precise than that of game engines. The modeling of vehicles, robots and their functions in Gazebo includes models for sensors for environment detection as well as mechanical sensor models such as inertial measurement units. Noise processes are included in the signals of the sensor models to map realization effects, a strategy to make ground truth sensor data more realistic. The graphical representation of the environment appears detailed, but not as advanced as game engines such as the Unreal Engine. Blender is a marginal phenomenon [20]. This tool is primarily an open source software developed for 3D modeling, animation, rendering and video editing. However, the software also offers basic functions for physics simulation and motion simulation. Blender has not been developed for the simulation of vehicles and therefore does not reach the level of CARLA or Gazebo. It is also not specifically designed for real-time simulations. However, it is ideal for high-quality graphical modeling of virtual environments and their elements, which makes it particularly suitable for generating image data for camera sensor technology. The software can be controlled and manipulated via a Python API, but there is no indication on the integration other tools for simulation. Despite these limitations, Blender is used in agricultural vehicle research, for example in a study on the simulation of crop sensors [21]. No indication for the industrial application of Blender in the simulation of agricultural vehicle functions was found in this research. <?page no="20"?> 20 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications 2.2 Commercial Solutions In the context of commercial tools, the company dSPACE is one to be mentioned [22]. dSPACE develops software and hardware for real-time simulation and the development of embedded systems. The company is strongly active in the automotive sector and offers a range of tools such as Aurelion [23] for sensor simulation and VEOS [24] for the simulation of dynamic models and ECUs, which together form holistic simulation solutions in the sense of VTF. Besides automotive companies, dSPACE also lists agricultural machinery manufacturers in its customer references and publishes concepts for agricultural application examples of their tools [25]. dSPACE offers extensive options for integrating hardware using XiL methods and for rapid prototyping. The company also develops special real-time hardware that is designed to meet the needs of automated vehicles. The scenario design is based on standards according to [12] and is supported by the dedicated configuration tools as Model- Desk [26]. The Aurelion Manager tool makes it easy to equip vehicle models with individual sensor configurations. Several software components work together in a virtual test and development environment based on dSPA- CE. Aurelion offers sensor simulations for RADAR, LIDAR and camera, which can generate realistic raw data as well as ground truth data. Various models for vehicle dynamics and other mechatronic systems are available for modeling vehicle systems and functions. The quality of the environment graphics appears similar to the representations in CARLA or Unreal Engine 4. The environment can also be automatically created and individualized based on user specifications. It is unclear whether and which physics engine will be used. IPG Automotive also develops commercial simulation solutions for various road vehicles [27]. In addition to vehicle dynamics simulations, the product portfolio also includes the simulation of assistance systems and automated driving functions. It also enables the integration of hardware into simulations for testing purposes. Use cases for the software are also shown an agricultural context [28]. Furthermore, applications from current research show joint use of IPG products with AgriSI from Soluzioni Ingegneria for the simulation of vehicle dynamics [6, 29]. IPG offers extensive possibilities for integrating hardware into the simulation, including real-time computers for sensor data calculation and a variety of XiL methods, such as vehicle or driver-in-the-loop simulations. Scenarios are set up in accordance with ASAM standards, manually or automatically using a 3D library and other databases. The environment for virtual testing is built around the CarMaker product, which is supplemented by visualization, configuration options, data flow structures and model libraries for automated driving. IPG offers comprehensive model libraries for the simulation of vehicle dynamics and powertrain, including exemplary models for agricultural tractors and implements in cooperation with [29]. Sensors such as RADAR, LiDAR and camera can also be simulated and ground truth data can be generated. The graphical representation of the environment is on a par with the visualizations from CARLA or dSPA- CE. The in-house engine Movie NX is used for rendering. Which physics engine is used is not described. The AgriSI software from Soluzioni Ingegneria is used to simulate vehicle functions and for driving simulation [29]. One aim is to train drivers in the use of precision farming functions through simulation and to develop suitable human-machine interfaces. There is no specific information on its use in industry, but the software is used scientifically, for example in [6] on co-simulation for precision farming applications. AgriSI supports driver-inthe-loop and further XiL methods. According to [29], the simulation of the vehicle system and its functions does not include sensor modeling. It works in combination with the model-based dynamics simulation from IPG Automotive. Communication between the vehicle and attachment can also be mapped using various protocols. The ISO- BUS protocol commonly applied in agriculture can also be used [30]. Scenarios are based on georeferenced maps, and routes or trajectories based on GPS can be imported. The graphical representation of the environment appears similar in quality to that of Gazebo. 2.3 Discussion of the State of the Art A successive assessment of this state of the art shows that open source solutions already offer numerous possibilities for simulating assistance and automation functions in agriculture. They are used both in research and in industry. CARLA is known for its realistic 3D environment and comprehensive sensor models, while Gazebo impresses with its versatile application possibilities in robotics. However, both tools are not specifically developed for the agricultural sector. In particular, the graphical representation and physics simulation do not meet the latest standards set by Unreal Engine 5, for example. In addition, both platforms essentially use sensor models that generate ideal data based on ground truth information from the virtual environment, which reduces the degree of realism of the sensor data that can be generated. In the context of the field of application described here, Blender can only be used for pure visualization purposes. There is potential for further development in order to better meet the requirements of agricultural simulations. The commercial simulation tools are primarily anchored in the automotive sector. dSPACE and IPG Automotive offer comprehensive simulation solutions that can also be used in an agricultural context, but there is a lack of concrete application examples in published research and industry. Both have extensive functions for modeling vehicle dynamics, sensors and scenarios according to common standards. AgriSI from Soluzioni Ingegneria, on the other hand, is specifically geared towards the simulation of agricultural vehicle functions, but offers a smaller range of functions. The graphical representation in dSPACE and IPG is qualitatively similar to that of CARLA or Unreal Engine 4, but the rendering and physics engines used remain unclear. The use of Unreal Engine 5 or comparable, latest game engines could contribute to better graphics and physics mapping. Overall, these commercial tools <?page no="21"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 21 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications offer powerful solutions, but are not specifically adapted to the development of function for agriculture. All of the virtual simulation environments mentioned deal only marginally with mobile agricultural machinery technology. Only AgriSI deals with this topic in a relevant way, but does not provide a complete simulation environment for assistance and automation functions. The frequently mentioned configuration of scenarios according to ASAM standards offers practical possibilities in the automotive environment, but is designed for off-road applications. 3. Demand-Orientated Synthesis of System Properties The definition of system properties of a VTF for mobile agricultural applications forms the starting point for the development of corresponding software. First of all, the assistance and automation functions to be developed and tested with the help of the VTF require function-related properties of VTF. In addition, there are method-related properties that reflect the product developments perspective and show how a VTF must be designed in order to effectively support the development process. A process to synthesize system properties for VTF is shown in Fig. 3. It starts with the state of the art and the current challenges in agriculture. Subsequent consideration of the functions to be developed and the needs of the product developers result in desired properties of the VTF, which fulfill the quality requirements for software from ISO/ IEC 25010 [31]. Fig. 3: Process to synthesize Software Properties based on current Challenges in Agriculture and the State of the Art 3.1 Challenges and Solution Approaches A primary challenge in agriculture is the workforce shortage, driven by demographic changes and declining interest in agricultural careers. Statistics indicate a sharp decrease in agricultural workers in Germany over the last few years [32]. Automation presents a solution, reducing the need for personnel and enhancing job appeal by replacing strenuous tasks with monitoring roles. Additionally, the increasing complexity of agriculture necessitates continuous learning and adaptable technical systems. Legal mandates, such as the EU’s Common Agricultural Policy, require extensive understanding, documentation and monitoring, often causing farmer protests [33]. Furthermore, climate change exacerbates costs by introducing new pests and diseases. Automated systems for process monitoring and documentation can alleviate these complexities. Efficiency is another critical issue. European farmers face pressure from global and low-cost foreign competitors to optimize processes and cut costs. Enhanced efficiency, through parallelization, remote control, and minimizing damage and downtime, can lower consumer food prices, aiding in mitigating European inflation [34]. 3.2 Mechatronic Functions as a Solution Approach In the field of agricultural vehicles and implements, mechatronic functions for assistance and automation support the implementation of these solutions. For example, the use of partially automated or even autonomous vehicles and combinations, as in the “Combined Powers” project, reduces the need for personnel [35]. The use of artificial intelligence as an essential part of the system software is also mentioned there. Functions for the remote control of vehicles also offer an opportunity to relieve the farmer. In addition to the driving task, manipulation tasks of the towing vehicle and attachment can also be automated. Examples include automated soil cultivation, sowing and plant protection or functions for predictive maintenance, such as monitoring the wear condition of tools on the implements [36]. The combination of autonomous driving with other automated functions for manipulation or monitoring increases the complexity. Furthermore, the data volumes generated within such systems can be used specifically for process monitoring and documentation, which leads to a better overview of work processes and supports their planning. When looking at the described assistance and automation functions, it becomes clear that all examples are mechatronic systems according to [3]. It also mentions that mechatronic systems are typically developed model-based and with the help of simulation. Here, virtual implementation, virtual commissioning and virtual testing are explicitly described as part of the development process. As mentioned above, the use of artificial intelligence for vehicle functions is also of great importance. The “ADAS/ AV Development Lifecycle” proposed in [37] illustrates the importance of data generation and simulation for the development of such intelligent functions. In order to adequately support the development of mechatronic systems with artificially intelligent components, the VTF must integrate the function to be developed into a highly realistic, virtual operating environment. There, the realistic testing and data-driven development of the described functions can take place in a safe and efficient environment. The desired system properties of VTF can be derived from this task. In order to ensure a generally unders- <?page no="22"?> 22 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications tandable formulation of the properties, they are assigned in the quality requirements for software systems defined according to the product quality model of [31]. This model is shown in Fig. 4. All these requirements are discussed in the next two sections and supplemented by specific target properties of virtual test fields. Fig. 4: Product Quality Model according to [31] 3.2 Properties for achieving Functional Suitability The most comprehensive properties are those relating to the “Functional Suitability” requirement. The functions of the VTF as a tool must make it possible for people involved in the operation, such as drivers or instructors, to be included in the simulation. The VTF to be configured should enable the integration of hardware, for example in the form of XiL methods. In addition, it should be possible to integrate functions implemented in ROS into the VTF. Its structure should consist of variable modules and reflect the structure of mechatronic systems. Data exchange within the VTF should also be based on that in the real mechatronic system. The communication of the software function to be developed with external information systems is to be represented by models of the same. Alternatively, existing external information systems can be integrated via interfaces. Further functional properties of the VTF describe the modeling of the vehicle and its functions. Various sensor principles, such as LIDAR or cameras, must be modeled to simulate environment detection. These models should provide highly realistic raw data. To achieve this, it must be possible to model realization effects such as soiling, reflection, light refraction, distortion effects of the sensor or other optical phenomena. As with the solutions from the state of the art, equivalent ground truth data should be generated for annotating the raw data in order to create labeled data sets for machine learning. Sensors that are not used for environment detection should also be modelled with physical evidence. As they are of particular importance for the functions described above, the sensor technology is listed separately here. For a complete simulation, the other components of the mechatronic system must also be modeled in a physically evident way. This also includes models for mapping actuators, driving dynamics or manipulative elements. With regard to the modeling of the virtual environment, some properties can also be determined. For example, the operational environment must be reproduced three-dimensionally as models with detailed contours (geometries) and coloring (texture) in order to be able to simulate a realistic environment. This includes static elements, such as vegetation or buildings and dynamic elements, such as people or animals. Another important point, particularly for agricultural machinery technology, is the realistic representation or manipulability of the ground. Environmental conditions, such as weather and the position of the sun depending on the time of day, must also be mapped virtually. Furthermore, the geometric model of the vehicle or combination is included in the environment models. Standards, such as those in [12], should also be observed, provided they are practicable for the agricultural field of application. The state of the art also shows that the latest game engines, such as the Epic Games Unreal Engine 5, should be used for visualization and physics emulation. Furthermore, physical phenomena should not only be realizable using an engine-based physics emulation. There should be the option to design and implement physical processes manually. This allows the user to integrate customized dynamic models, such as for vehicle dynamics, into the simulation. In addition to model the functions to be developed and their environment, a VTF must provide options to generate data for the development of machine-learning systems, as many assistance and automation functions contain such components. For structured testing, the scenarios must also be flexibly configurable, as the solutions from the state of the art already show. In addition, the automation of virtual scenarios and test processes is an essential feature for the operational efficiency of the VTF and must therefore be guaranteed. For an accurate simulation of real agricultural scenarios, it must be possible to recreate routes virtually on the basis of GPS coordinates. <?page no="23"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 23 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications Fig. 5: Block Diagram of the Mechatronic System as defined in [3] 3.3 Properties to fulfill further Requirements In addition to functional suitability, there are other requirement that are particularly important for the developers using the system. As the function of the VTF is the main focus of this article, they are only briefly mentioned here. One of these requirements is “Performance Efficiency“, which is essential for the developer. The VTF simulations must perform well enough to replace real-world tests and development steps. It should operate on local powerful workstations and be designed for real-time capable simulations. The VTF must fulfill the “Compatibility” requirement, having interfaces for combined operation with existing simulation environments and meeting recognized standards. Common protocols like ISOBUS should be considered for hardware integration. To meet “Interaction Capability”, the VTF must be clear and user-friendly for development engineers, ensuring transparent, explainable and traceable processes. Documentation of development processes, including reports and support for requirements management are essential. Furthermore, Hardware integration support, such as in terms of XiL testing, must be provided. Moreover, “Reliability” is crucial for the VTF’s robust operation, ensuring reproducibility of simulations, minimizing data loss during crashes and securing restarts. The VTF must meet “Security” and “Safety” requirements, operating offline to avoid hacker threats, respecting personal rights in sensor data and generating meaningful reports during malfunctions. Finally, “Maintainability” and “Flexibility” are essential for long-term use. VTF modules should be interchangeable, flexibly configurable and support co-simulation environments, ensuring software used is freely configurable, such as with C++ programming in the CARLA Simulator. Common communication standards must be provided for integrating external information systems. 4. Approach on a Virtual Test Field Architecture In the following section, an architecture for VTF is proposed on the basis of the previously formulated properties. Suggestions for implementation are also given. As VTF are a development tool, their architecture depends both on the type of products being developed and on the functionality requirements. 4.1 Classification of the Functions to be developed The first step is therefore to look at the functions to be developed, which are assistance and automation functions for use in agricultural vehicles and machines. and can be assigned to the class of mechatronic systems as defined in [3]. This fact is important while deriving the architecture and is therefore described here. For a better understanding of the following argumentation, the structure of mechatronic systems is illustrated in Fig. 5 based on this standard. Mechatronic systems are integrated overall systems consisting of mechanical, electrical, electronic and other types of components that perform a specific function. Mechatronic systems use sensors to perceive their environment and the status of their basic system. The signals from the sensors are processed in a function information system. Data from human-machine interfaces and external information systems also flows into this system. The function information system also generates signals to control the actuators. These act on the basic system and change its status in the direction of a target status. By linking the sensors, information system, actuators and basic system, the mechatronic system represents a closed-loop system. <?page no="24"?> 24 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications The connection of the components through material, energy and information flow is indicated by arrows in Fig. 5. An agricultural example of a mechatronic system is an automatic hoeing machine that is used to remove weeds in row crops of field plants. It records the field with cameras as sensors, whereupon the weeds are identified by software as part of a function information system and the electric motors as actuators are triggered. The mechanical system of the hoe (basic system) then removes the weeds. The driver of the tractor controls the process via a panel (human-machine interface). The hoeing machine also communicates with the tractor’s control units (external information systems) via bus systems. Fig. 6: Block Diagram of an Architecture for Virtual Test Fields as modular Framework 4.2 Synthesis of a modular Architecture The described structure of the mechatronic system consisting of several components forms the basis for the structural architecture of the VTF presented in this article. The function information system component of the mechatronic system forms the software product whose development process is to be supported by the VTF. In order to be able to test and develop this software component in an integrated manner, it is useful to embed it in a modular environment consisting of models of the other components of the mechatronic system. The properties of the models are based on the description of the components from [3], but must also be interpreted further. Besides the models of all components of the mechatronic system, the VTF must include further modules for control and management by the user. It is therefore clear that the architecture of the VTF must be designed as a modular framework. A proposal for a modular framework is shown in Fig. 6. It emerges from the mechatronic system by replacing its components with models, adding further modules and adapting connections. The modules of the test field architecture are described hereinafter. The environment models are a highly realistic representation of the function’s operating environment in terms of its visualization and physics. It contains all necessary elements and enables various scenarios and environmental conditions to be set for comprehensive virtual testing. Models of the used sensor technology generate realistic and format-appropriate information for the function information system. Depending on its type, level of maturity and stage of function development, this information can be designed in different ways. A further distinction is made in the sensor models according to the origin of the information to be recorded. The System Sensor Models simulate sensors for recording internal states of the Basic System. The Environment Sensor models correspond to sensors for recording the environmental states or the interaction between the system and the environment. This separation is justified on the one hand by the high relevance of environment detection for assistance and automation functions and on the other hand by differences in the implementation of both sensor classes. Both classes together form the Sensor Model module of the VTF. The function information system is embedded in the VTF as a software product to be developed. It represents the software of the mechatronic assistance and automation functions at various stages of development. Based on control signals from the function information system, the actuator models act on the basic system models. The basic system models are a virtual replica of the basic system whose state is to be influenced. In contrast to the description from [3], it is assumed that the basic system models also interact with the environment models. This is because it is specified that the basic system is the part of the function and machine that has a manipulative effect on the environment and reacts to its influence. External information systems should be able to be integrated into the VTF via a communication interface <?page no="25"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 25 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications and humans are integrated into the test field via two different interfaces. While in [3] the human only represents the user of the function, his task in the VTF is more diverse. This is because here the human also is the product developer who uses the VTF and therefore has monitoring and controlling tasks. But for testing and development purposes, he can also take the roles of users, such as that of the driver or of a pedestrian. In the role of a user, the human is integrated by a Human-Machine Interface, which can differ depending on kind of this role. As a developer, the human accesses the functions of the Management and Utilities module via a User Interface (UI). The Management and Utilities module equips the VTF with the functions of a development tool and serves as a control center for the developer. The developer can use the module to adapt the individual models and set their parameters. It is used to configure scenarios and acts as a mediator for the dynamic control of the tool during ongoing simulation processes. Furthermore, functions for automating test scenarios are essential to ensure efficient usability. The module stores recorded simulation data in a structured manner. Moreover, there are functions for monitoring virtual tests and reporting results. Depending on the function to be developed, some of the modules described above can be omitted. For example, functions that merely provide the driver with information do not require models of the actuator or basic system. There are two types of information flows in the structure described here. As the VTF is a model-based tool, the material and energy flow of the mechatronic system are part of the information flow. They are summarized in the model information flow, via which emulations and models communicate with each other. The exchange of information between the human developer and the function information system also takes place via this channel, as this is information that occurs in a similar form in the real mechatronic system. The transfer of information relevant to development and testing takes place via development information flow. This data includes data on simulation results, module configuration, monitoring and control of the simulation as well as other data. As a bidirectional channel, it connects the Management and Utilities module with all other modules. 4.3 Assignment to Software Architecture Patterns The quality of the structure described can be confirmed by its assignment to common architecture patterns for software systems. As the solutions from the state of the art are very similar to the VTF described here in terms of their function, an examination of their architectures can serve as a starting point for the classification of the VTF. Both CARLA and the Gazebo Simulator use a client-server architecture in which the server handles the rendering and the physics engine. In both cases, the clients control the environmental conditions, their elements and actors as well as all interactions. [38, 39] There is no information on the software architecture for commercial solutions from dSPACE and IPG Automotive. However, if the solutions of these companies aim to achieve a similar functionality to that of the VTF outlined here, several of their tools must be used in combination. It can be assumed that some of these tools use similar architectures to the open source solutions. As with the commercial solutions, the VTF described in this paper also works across several tools and even hardware. The various tools involved each function according to their own software architecture, which can be assigned to a specific architecture pattern. The Environment Models module can be implemented in a similar way to CARLA and Gazebo. Therefore, the client-server architecture pattern might occur. A component-based structure as described in [40] lends itself as an overarching approach for the distributed software system of the VTF. This software does not explicitly have a software architecture pattern, but a model that divides software into reusable, interchangeable and independent components, with each component having well-defined interfaces. This makes them integrable, interchangeable and interoperable. When implementing the VTF, principles of component-based and integrated software architectures software engineering should therefore be used [40]. 4.4 Initial considerations for implementation Components of mechatronic systems differ greatly from one another in their technical and physical domains. Specialized methods and software tools must therefore be used for the model-based implementation of the components in the test field. The product developers’ perspective also underlines the need to use different software for a specialized modelling of different components. This is because only an implementation with specialized software that exactly matches the components tasks is sufficiently precise and robust to be fully justifiable on the customer side. Numerical simulation software, for example, is the recognized standard for the mathematical modelling and simulation of dynamic systems. For example, they can implement the VTFs modules for actuator models, basic system models and system sensor models of the Sensor Model module. Game engines, such as Unreal Engine 5, are particularly suitable for modelling environments, as they can display highly realistic visualization and physics emulations. Environment Sensor Models can also be integrated into these game engines via programming interfaces. This description makes it clear that a different implementation justifies the division into System and Environment Sensor Models within the Sensor Model module. Furthermore, it should also be possible to simulate modules that are implemented on different hardware platforms in combination. For example, in order to implement XiL methods. This must be taken into account when defining the model information flow, among other things. The flexible exchange of modules or the modification of their implementation is another important feature to ensure applicability with different mechatronic systems. Another important aspect is the exchange of data within the test field and beyond its boundaries. Various approaches to communication are available here. Depending on the hardware used and the distribution of the module soft- <?page no="26"?> 26 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications ware on this hardware, different protocols are suitable for communication. For example, the Network Device Interface (NDI) from NewTek is highly suitable for the high-performance transmission of video data [41]. The User Datagram Protocol (UDP) is also suitable for data transmission. It is already used within a VTF for from the automotive sector in [42]. The Secure Reliable Transport Protocol (SRT) can also be used to enable communication with hardware that uses ARM processors. Furthermore, there are various options for human-machine interfaces to integrate the human developer, depending on the task. These range from simple operation via keyboard, mouse and monitor to complete integration of the developer in the simulation with the aid of motion capture and head-mounted displays, as shown in [42]. The cross-tool and cross-hardware development and test environment described above basically meets the quality requirements described in the previous section. It has the system properties assigned to the requirement. If the design is specified more precisely, the requirement can be checked for compliance and a more extensive assignment to common software architecture patterns and integration approaches can be made. 5. Practical Application Examples As part of the current development, various application examples are being created that implement the modules of the VTF in practice. The focus is on the design of the virtual environment and systems for the perception of the environment are the subject of consideration. A first application example is the implementation of virtual test rides in highly realistic agricultural environments. The central module of the VTF to be developed for this purpose is the Environment Model shown in the system diagram and image of Fig. 7. Its visualization forms the basis for testing functions with Environment Sensors. The functions of the Management and Utilities module also play a role. The starting point is the construction of an agricultural scenario in the virtual environment of Epic Games Unreal Engine 5. With the help of the game engine editor, a large map of the environment with a varied topology can be easily created. Rivers and roads are displayed, while the horizon is delimited by modeled mountains. The level of detail of this environment map is kept low for performance reasons. For virtual test rides, a very detailed operational area is integrated into the large, low-detail map of the surroundings. At its center is a field with a varied contoured and textured surface. Part of the field is planted with crops in the form of grain. Other parts are equipped with grass stubble and represent a fallow area. With regard to the environmental conditions, the configuration of the times of day has been implemented. Other weather conditions, such as the degree of cloud cover, fog or precipitation, can be integrated. The field is surrounded by buildings, trees, woodland and overgrown farmland, which visually separate it from the surrounding map and further limit the horizon. A model of a tractor is also placed on the field. The underlying programming enables it to automatically follow trajectories of agricultural maneuvers based on GPS data. With this setup consisting of a virtual environment and an automated vehicle model, virtual test rides can be carried out. After equipping the vehicle model with Environment Sensor Models, sensor data for testing environmental perception functions can be generated in this scenario. Fig. 7: Virtual Test Ride in a highly realistic Agricultural Environment with Models of Plow and Tractor [43, 44] The Environment Model presented above, an Environment Sensor Model and Management and Utilities functions play a role in the next two examples, what is indicated by the system diagram in Fig. 8. Fig. 8: Modules used for sensor-based Applications Since the virtual environments of the VTF offer highquality graphical representation, they are well-suited for simulating camera-based or image-based applications. An example of such an application in agricultural machinery is the camera-based monitoring of tools on implements for soil cultivation [36]. Another practical application are positioning systems for field hoes used for weed <?page no="27"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 27 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications removal which differentiate between crops and weeds based on image recognition systems [45]. Such systems are of fundamental importance, especially for the operation of implements in conjunction with future autonomous tractors, where no driver will oversee or control the implements directly. The algorithms used in these systems for image evaluation are developed and tested using image data. This image data can be generated efficiently, reproducibly and following clear environmental scenarios through virtual drives in the VTF. However, the image data must closely correspond to the representations of the camera used in the real system, which is why the VTF camera model must be configured based on the calibration data of the real camera. The synthetic image data generated with such a model accurately replicate real recordings in terms of image distortion and field of view. Fig. 9 shows the image rendered by the game engine and the realistic replication distorted based on calibration data. Fig. 9: Ideal and realistically distorted synthetic Images A further example is the generation of test and training data sets for image-based machine learning object recognition algorithms in virtual environments. For machine learning, these data sets must contain raw sensor data in the form of images of the objects to be recognized. Furthermore, this raw image data must be annotated by labeling the positions and classes of the objects in the image recordings with so-called bounding boxes and assigning the objects to an object class. This is done in the VTF by querying the class and position of the object models in the camera’s field of view and storing this ground truth information together with the raw images. Fig. 10 shows the image data annotation process in a simplified form. While in many applications the annotation of image data is still done manually, the implementation in the VTF enables the complete automation of this process. The data generator described here can be operated in parallel to the simulation in order to test object detectors in real time and in flexible scenarios. Furthermore, the synthetically generated data sets from annotated images can be used to develop algorithms for object detection. Fig. 10: Data Generation Process for image-based Machine Learning Object Recognition Algorithms A test of this approach is conducted for demonstration purposes. It results in a large number of annotated images of a virtual horse model, as it is shown Fig. 10. This synthetic image data forms 90% of a hybrid data set used to train a machine learning object detector based on the Yolo algorithm [46]. Fig. 11 shows the evaluation of a real image using the object detector designed in this way. It is evident that the object detector, which is largely trained with synthetic data, is capable of precisely evaluating real images. Fig. 11: Result of Object Detection in a real Image from [47] with a Detector trained with Hybrid Data <?page no="28"?> 28 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Innovative Test Field Approach for Agricultural Applications An outlook on further application examples is given in the following section. However, the examples shown are already sufficient to emphasize the functionality and usefulness of the VTF for testing and product development. 6. Conclusion This study shows that VTF are a promising solution for development of sophisticated agricultural applications in order to cope with the increasing demand on automation and therefore on suitable testing methods. The presented approach enables reproducible test scenarios, temporal independence and flexible virtual testing, which can still be further adapted to the specific requirements of agriculture. Based on the current state of the art, it was possible to derive an architecture that meets standardized quality requirement. This means that the described VTF can not only be used scientifically, but is also justifiable as a robust solution within industrial development processes. In general, the future prospects for VTF in mobile agricultural machinery development and commercial vehicle technology are very promising. Advancing digitalization will further increase the demand for such tools. Especially new technologies, such as machine learning will expand both the demand and application possibilities of VTF. This will support the development of efficient and sustainable vehicle and machine systems and contribute to overcoming future challenges in agriculture. Further developments can also be expected in the specific case of this VTF. For instance, the presented examples will be developed further in the direction of industrially usable tools in the future. Further functions will also be added and integrated into the VTF. One existing concept, for example, is the integration of dedicated, prototypical hardware for environment perception functions into the VTF. This requires the creation of suitable, high-performance interfaces and an evaluation of usability. This step is intended to create the basis for the implementation of processor-in-the-loop methods in the VTF. Further investigations, evaluations and technical developments of the modules are also planned as well as a transfer of the principle to other commercial vehicle applications. References [1] O. Burkacky, J. Deichmann, and J. P. Stein, Outlook on the automotive software and electronics market through 2030. [Online]. Available: https: / / www.mckinsey.com/ industries/ automotive-and-assembly/ our-insights/ mapping-the-automotive-software-and-electronics-landscape-through-2030 (accessed: May 19 2024). [2] C. Steinbrink et al., “Simulation-Based Validation of Smart Grids - Status Quo and Future Research Trends,” in Lecture Notes in Computer Science, Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems, V. Mařík, W. Wahlster, T. Strasser, and P. Kadera, Eds., Cham: Springer International Publishing, 2017, pp. 171-185. [3] Development of mechatronic and cyber-physical systems, VDI/ VDE 2206, VDI/ VDE Society Measurement and Automation, Düsseldorf, 00.Nov. 2021. [Online]. 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(FH) Thomas Kemmerich, HBK - HOTTINGER, BRÜEL & KJÆR GmbH, Darmstadt Zusammenfassung: Der Vortrag erläutert die Prozesskette von der Messung der im Betrieb auftretenden Vibrationsbelastungen, der Herleitung eines optimierten Prüf-spektrums bis hin zur Interpretation der Testergebnisse und Nachweis der geforderten Systemzuverlässigkeit. Dabei kommen modernste analytische Methoden zum Einsatz wie das Fatigue Damage Spectrum, virtuelle Testverfahren (Digital Twin) und statistische Werkzeuge zur Modellierung der Ausfallwahrscheinlichkeit. Dabei wird insbesondere auf das Spannungsfeld zwischen deterministischen Berechnungs-/ Simulationsergebnissen und probabilistischen Effekten der Realität, wie z.B. Streuungen in Materialgüte, Fertigungsqualität und den auftretenden Belastungen eingegangen. Es wird gezeigt, wie aus diesen Betrachtungen ein hinsichtlich Prüfdauer/ -spektrum und Anzahl der Prüflinge optimierter „Reliability Demonstration Test“ abgeleitet werden kann. 1. Quellen von Vibrationsdaten Bei der Entwicklung von Systemen und Komponenten ist die Absicherung der Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit elementarer Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses. Vibrationen und Erschütterungen spielen dabei eine entscheidende Rolle für die zu erwartende Bauteillebensdauer. Es gilt also ein repräsentatives Belastungsspektrum zu ermitteln, das gleichermaßen Grundlage für virtuelle Lebensdaueranalysen und Prüfstandversuche am realen Bauteil sein kann. In vielen Fällen sind Informationen zur Vibrationsbelastung für das konkrete Bauteil und die spezifische Einbausituation nicht vorhanden. Grund dafür ist, dass es nahezu unmöglich ist, für jedes Bauteil eines komplexen Systems individuelle Beschleunigungsmessungen vorzunehmen. Vielmehr handelt es sich bei den verfügbaren Vibrationsdaten um globalere Beschleunigungsmessungen z.B. an einem Fahrzeug Chassis oder bestimmten Abschnitten eines Flugzeugrumpfes. Diese Daten bilden dann die Vibrationsanregung für das zu betrachtende Bauteil bzw. System. Mit Hilfe von Beschleunigungsaufnehmern, die entsprechend der drei Raumrichtungen ausgerichtet sind, kann die Vibrationsbelastung im Zeitbereich (Beschleunigung über Zeit) oder im Frequenzbereich als PSD (Leistungsdichte- Spektrum) aufgezeichnet werden. Bei der Messung werden alle für die Bauteillebensdauer relevanten Ereignisse und Situationen erfasst. Beispielhaft kann man den Betrieb eines Flugzeugs betrachten, der sich aus Ereignissen wie Rollen am Boden (Taxi), Start, Flugmanöver und Landung zusammensetzt. Die einzelnen gemessenen Ereignisse unterscheiden sich üblicherweise nicht nur durch ihre Intensität oder den Frequenzbereich, sondern auch durch ihre individuelle Häufigkeit und Dauer. Das Erstellen des benötigten repräsentativen Belastungsspektrums aus den Messdaten der verschiedenen Ereignisse wird auch als „Mission Profiling“ bezeichnet. Die hier im folgenden diskutierte Methode basiert auf dem französischen Militärstandard GAM-EG 13 [1] und dem NATO Standard AECTP 200 [2]. Zum besseren Verständnis werden zu Beginn das Shock Response Spectrum (SRS), Extrem Response Spectrum (ERS) und das Fatigue Damage Spectrum (FDS) erläutert. [14] 2. Das Shock Response Spectrum (SRS) Betrachtet wird ein typisches Bauteil, z. B. ein elektronisches Steuergerät, wie es in Fahrzeugen und Flugzeugen häufig verbaut wird. Für dieses Bauteil muss ein repräsentativer Vibrationsversuch hergeleitet werden. Die gemessene Beschleunigung direkt am Steuergerät selbst ist in der Regel nicht verfügbar, da es sich um eines von vielen kleinen Bauteilen handelt und es nicht möglich ist, jedes einzelne zu messen. Zu einem sehr frühen Zeitpunkt der Produktentwicklung steht oft noch kein Prototyp zur Verfügung, an dem die relevanten Beschleunigungsmessungen durchgeführt werden könnten. Die wahrscheinlichste Datenquelle sind Beschleunigungsmessungen eines ähnlichen Fahrzeugs oder Flugzeugs, vielleicht des Vorgängers. Anhand der gemessenen Beschleunigung lassen sich die von dem Steuergerät wahrgenommenen Beschleunigungswerte ermitteln. Für diese Berechnung muss der Frequenzgang des Steuergeräts, seiner Bestandteile und der verschiedenen Halterungskomponenten bekannt sein: Dann kann die Eingangsbeschleunigung mittels Frequenzübertragungsfunktion gefiltert und, vorausgesetzt, das System reagiert linear, die von dem Steuergerät wahrgenommenen Beschleunigungswerte ermittelt werden. In der Realität ist der Frequenzgang in der Regel recht kompliziert und ohne detaillierte Kenntnis aller Komponenten des betrachteten Steuergeräts und ihrer Ausfallarten kaum zu ermitteln. Am Ort des Versagens ist jedoch in der Regel zu beobachten, dass die Übertragungsfunktion von einer einzigen Eigenfrequenz dominiert wird, wie im Single Degree of Freedom (SDOF) System dargestellt (Abb. 1). Im Jahr 1932 untersuchte der amerikanische Ingenieur Biot [3] die Auswirkungen von Erdbeben und nutzte diese Annahme als Mittel zum Vergleich ihres relativen Schadensgehalts. Die SDOF-Antwort wird von einer einzigen Spitze dominiert, die bei der Eigenfrequenz liegt. Bei Frequenzen unterhalb der Eigenfrequenz verhält sich die Komponente quasi-statisch, während bei Frequenzen oberhalb der Eigenfrequenz die Antwort deutlich abgeschwächt ist. Um die Eigenfrequenz her- <?page no="32"?> 32 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit um reagiert die Komponente dynamisch und wird stark verstärkt, wobei ihre maximale Reaktion nur durch die Dämpfung im System begrenzt wird. Das Verhältnis zwischen der maximalen dynamischen Reaktion und der statischen Reaktion wird als dynamischer Verstärkungsfaktor (Q) bezeichnet. Abbildung 1: Single Degree of Freedom System Bei einer typischen strukturellen Dämpfung von 5 % hat dieser Faktor den Wert Q = 10. Da Biot die tatsächliche Eigenfrequenz seines Bauteils nicht kannte, erstellte er ein Spektrum der Reaktion, indem er die angenommene Eigenfrequenz schrittweise erhöhte und so die maximale Reaktion über einen Bereich von Eigenfrequenzen aufzeichnen konnte. Zur Berechnung des Shock Response Spectrums nach Biot wird das Eingangssignal durch eine SDOF-Übertragungsfunktion gefiltert, wie in Abbildung 2 dargestellt und das Maximum der Antwort wird berechnet. Die Berechnung wird eine Reihe von Malen über einen Bereich von angenommenen Eigenfrequenzen wiederholt, und ein Diagramm der maximalen Antwort in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz kann so erstellt werden. Im Jahr 1934 veröffentlichte Biot [4] eine Abhandlung über die Erdbebenanalyse und verwendete zum ersten Mal den Begriff Shock Response Spectrum. Das Shock Response Spectrum, SRS, wie es heute bekannt ist, kann je nach der verwendeten Frequenzgangfunktion als Beschleunigungs- oder Verschiebungsantwort ausgedrückt werden. Für Ermüdungszwecke ist vor allem die Verschiebungsantwort interessant. Ermüdungsrisse entstehen und wachsen durch die zyklische Freisetzung von Dehnungsenergie, und daher steht die Verschiebungsantwort in einem proportionalen Verhältnis zu der Energie, die zum Ermüdungsversagen führt. Die Beschleunigung kann der Ursprung der Belastung sein, aber es ist die resultierende Dehnung (Verschiebung), die das Versagen der Struktur verursacht. Das SRS der Verschiebung kann daher zur Quantifizierung der schädigenden Wirkung der Eingangsbeschleunigung für jedes SDOF-System über einen Bereich von Eigenfrequenzen verwendet werden. Abbildung 2: Herleitung Shock Response Spectrum <?page no="33"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 33 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit Biot schlug vor, die SDOF-Annahme für alle schwingenden Komponenten unabhängig vom tatsächlichen Frequenzgang zu machen. In den letzten Jahren haben viele die Konservativität dieser Annahme in Frage gestellt. Lalanne [5] dokumentiert eine Reihe dieser Studien, die alle zu dem Schluss kommen, dass die SDOF-Antwort in Verbindung mit einem Frequenzsweep eine angemessen konservative Annahme für alle praktischen Fälle ist. Mit dem Aufkommen von Digitalrechnern ist es möglich geworden, die SRS für Langzeitsignale sehr schnell zu berechnen. Unter Verwendung der Z-Transformation leitet Irvine [6] die Gleichungen für den sehr effizienten „Infinit Impulse Response (IIR) Filter ab. [14] 3. Das Extreme Response Spectrum Bis zu diesem Punkt wird das Shock Response Spectrum (SRS) aus einem Zeitsignal der gemessenen Beschleunigung abgeleitet. Bei zufälligen Schwingungsdaten ist es in der Regel effizienter die Beschleunigungsbelastung mit Hilfe eines PSD (Power Spectral Density) darzustellen. Im Jahr 1953 stellte Miles [7] eine Gleichung vor, die dem SRS ähnelt. Unter Verwendung der in Gl. 1 ausgedrückten einfachen Formel wird ein Spektrum der RMS (Root Mean Square)-Beschleunigungsantwort auf eine zufällige PSD abgeleitet, die auf ein SDOF-System mit der Eigenfrequenz f n einwirkt. Das Verschiebungsspektrum kann auch mit Halfpenny’s Modifikation in Gleichung 2 bestimmt werden. RMS Beschleunigungs-Antwort: (1) RMS Verschiebungs-Antwort: (2) Dabei ist der Beschleunigungswert des Eingangs- PSD bei der Frequenz f n und Q der dynamische Verstärkungsfaktor. Die Gleichung von Miles wird verwendet, um den Effektivwert der Beschleunigungsantwort für eine bestimmte Eigenfrequenz zu bestimmen. Für einen Prozess mit dem Mittelwert Null sind der Effektivwert und die Standardabweichung gleich. Daher schlug Miles vor, eine Gaußsche Annäherung an die Amplitudenverteilung als Schätzung für die extreme Reaktion zu verwenden. Wenn man die wahrscheinlichste lokale Beschleunigungs- oder Verschiebungsreaktion mit 99,97 % der höchsten Amplitude schätzen möchte, könnte man das Spektrum mit dem Faktor 3 multiplizieren (d. h. 3 Standardabweichungen). 1978 schlug Lalanne [8] eine Verfeinerung der Gleichung von Miles vor. Für eine schmalbandige Antwort, die typisch für ein SDOF-System ist, wurde von Bendat [9] festgestellt, dass die Amplitudenverteilung Rayleigh und nicht Gauß ist, wie von Miles vorgeschlagen. Lalanne leitete daher die Gleichung neu ab, wobei er diesmal die Rayleigh-Wahrscheinlichkeitsfunktion (Gl. 3) einsetzte. Die sich daraus ergebende Gleichung ist als Maximax Response Spectrum (MRS) oder Extreme Response Spectrum (ERS) bekannt. Es stellt die wahrscheinlichste extreme Amplitudenantwort dar, die ein SDOF-System bei einer zufälligen PSD-Anregung der Dauer T Sekunden erfährt. Die Antwort kann auch in Form einer relativen Verschiebung unter Verwendung der Halfpenny-Modifikation, Gleichung 4, ausgedrückt werden. ERS Beschleunigungs-Antwort: (3) ERS Verschiebungs-Antwort: (4) Das ERS ist daher analog zum SRS im Zeitbereich. Während die SRS jedoch in der Regel zur Bestimmung der maximalen Reaktion auf einen hochgradig schädigenden transienten Stoß Anwendung findet, wird die ERS zur Darstellung der erwarteten Reaktion bei einer typischeren Langzeit-Vibrationsbelastung verwendet. Daher ist es von Vorteil, die unterschiedliche Terminologie beizubehalten, auch wenn beide Spektren im Wesentlichen die gleichen Informationen liefern. [14] 4. Das Fatigue Damage Spectrum Lalanne [10] schlug auf der Grundlage der Hypothese des Extreme Response Spectrum (ERS) ein äquivalentes Fatigue Damage Spectrum (FDS) vor. Nach ersten Arbeiten von Bendat [9] und Rice [11] zur Bestimmung der Ermüdungsschädigung direkt aus einem PSD der Spannung konnte Lalanne diese Technologie nutzen, um eine geschlossene Form für die Berechnung des FDS direkt aus dem PSD der Beschleunigung zu erstellen. Diese ist in Gleichung 5 angegeben. Weitere Einzelheiten siehe Halfpenny [12] und Bishop [13]. Fatigue Damage Spectrum: (5) Dabei ist K die Federsteifigkeit des SDOF Systems und die Gamma-Funktion Des Weiteren sind b und C Ermüdungsparameter, die die Wöhlerlinie beschreiben, so dass N = C*S -b ist, wobei N <?page no="34"?> 34 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit die Anzahl der Zyklen bis zum Versagen bei der zyklischen Spannungsamplitude S ist. Unter Verwendung eines analogen Ansatzes zum SRS leitete Halfpenny einen Ansatz zur Berechnung des FDS unter Verwendung von Zeitreiheneingaben ab. Für einen transienten Stoß wird das FDS auf die gleiche Weise berechnet wie das SRS, aber anstatt einfach die maximale Verschiebungsantwort zu ermitteln, wird nun die gefilterte Verschiebungsantwort als Rainflow-Zyklus gezählt und die Ermüdungsschädigung mithilfe einer Wöhler-Berechnung ermittelt. Abbildung 3: Herleitung des Fatigue Damage Spectrum Auf der y-Achse des FDS wird die Schädigung aufgetragen, die einheitenlos angegeben wird. Diese ist ein Maß für die Schwere der Ermüdungsbelastung. Streng genommen besagt die Miner-Regel, dass das betrachtete Bauteil aufgrund von Ermüdung ausgefallen ist, wenn der Schaden = 1 ist. Im Falle des FDS sind jedoch alle Berechnungen relativ, nicht absolut, da keine Spannungen oder Dehnungen als Eingangsgrößen verwendet werden. Infolge dieser relativen Berechnung können die FDS-Schadenszahlen von sehr kleinen Dezimalzahlen (z. B. 1e-7) bis zu sehr großen Zahlen (z. B. 1e10) reichen. [14] 5. Mission Synthesis Nachdem in den vorangegangenen Abschnitten die technischen Hintergründe zu SRS, ERS und FDS erläutert wurden, wird jetzt wieder das zu Beginn skizzierte Szenario aufgegriffen. Für ein elektronisches Steuergerät, das in einem Fahrzeug oder Flugzeug verbaut werden soll, wird ein realistisches Vibrationsspektrum gesucht. Dieses findet Anwendung sowohl bei realen Prüfstandversuchen als auch beim sog. Virtual Testing, bei dem Lebensdauerabschätzungen am virtuellen Bauteil durchgeführt werden. Der Vorteil dieser Methode ist, dass das zu entwickelnde Bauteil noch nicht real existieren muss, um wertvolle Erkenntnisse über die zu erwartende Lebensdauer zu gewinnen. So können z.B. unterschiedliche Geometrien und Materialien auf ihre Eignung untersucht werden, bevor ein Prototyp gebaut wird. Es stehen gemessene Beschleunigungsdaten zur Verfügung. Diese können von einem Prototypen stammen, aber in vielen Fällen auch von einem Vorgängermodell mit vergleichbaren Eigenschaften. Alle relevanten Ereignisse sind messtechnisch erfasst. Mit den im Alltag zur Verfügung stehenden PCs und moderner Software kann nun unkompliziert und schnell für jedes gemessene Ereignis das FDS (und SRS/ ERS) berechnet werden. Dabei ist das FDS eine kumulative Größe. Für unseren Versuch (real oder virtuell) wird also das FDS gesucht, das die Gesamtschädigung aller relevanten Ereignisse inklusive der individuellen Dauer und Wiederholungsfaktoren der jeweiligen Ereignisse berücksichtigt. Diese Gesamtschädigung muss dann auf dem Prüfstand reproduziert werden. 6. Test Synthesis Das Fatigue Damage Spectrum mit unserer Zielschädigung ist nun vorhanden. Analog zur weiter oben beschriebenen Vorgehensweise lässt sich daraus nun wieder ein PSD berechnen, das dann den gewünschten Schädigungsinhalt enthält und für Simulation und den zu planenden Prüfstandversuch als Eingangsdaten dient. Oft ist es nicht praktikabel den Prüfstandversuch in Echtzeit durchzuführen, da das viel zu lange dauern würde und somit zu viel Geld verschlingen würde. Die Theorie ermöglicht es aber, das Prüfspektrum (PSD) hochzuskalieren, also dem System mehr Energie zuzuführen. Dadurch wird die Zielschädigung in kürzerer Zeit erreicht. <?page no="35"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 35 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit Abbildung 4: Berechnung des Prüfspektrums Diese Vorgehensweise eröffnet hinsichtlich der Prüfzeit ein enormes Einsparungspotential. Allerdings sind der Erhöhung der zugeführten Energie auf dem Prüfstand auch Grenzen gesetzt, und zwar in Form der maximal zu erwartenden Beschleunigungsantwort des Prüflings beim realen Einsatz. Um die realistischen Grenzen beschreiben zu können wird nun das Shock Response Spectrum, das aus den Messdaten berechnet wird, herangezogen. Genau wie beim FDS wird für jedes relevante Ereignis das SRS aus den Messdaten berechnet. Allerdings ist das SRS im Gegensatz zum FDS nicht kumulativ. Daher spielen die einzelnen Wiederholungsfaktoren für das SRS keine Rolle. Auch werden die SRS der einzelnen Ereignisse nicht aufsummiert. Vielmehr wird die Einhüllende aus allen Ereignissen gebildet. Dieses einhüllende SRS setzt die realistischen Grenzen, die beim Prüfstandversuch nicht überschritten werden dürfen. Aus dem zeitlich verkürzten Prüfspektrum wird nun ebenfalls das SRS berechnet. Durch den Vergleich der beiden SRS (Abb. 5) wird schnell ersichtlich, ob das generierte Prüfspektrum trotz zeitlicher Verkürzung (und daher höherer Energiedichte) innerhalb der realistischen Grenzen für den relevanten Frequenzbereich liegt. Abbildung 5: Vergleich der Shock Respons Spektren zur Absicherung der realistischen Grenzen. Einhüllende SRS der gemessenen Ereignisse (gestrichelt) und SRS des ermittelten Prüfspektrums (durchgezogen). Sind nun alle Bedingungen erfüllt, kann mit der Erprobung auf dem Prüfstand begonnen werden. 7. Deterministische Ergebnisse und Probabilistische Effekte Nachdem bisher ausschließlich die Herleitung des Prüfspektrums für den Prüfstand bzw. die Simulation diskutiert wurde, rückt nun die Interpretation der Testergebnisse in den Vordergrund. Die Herausforderung hier ist, dass uns der Prüfstand ein deterministisches Ergebnis liefert, sofern nur ein Versuch durchgeführt wird. Wiederholt man den Versuch, erhält man ein anderes Lebensdauer- Ergebnis. Im Gegensatz zur Simulation treten in der Realität probabilistische Effekte auf, die zu einer Streuung in den Lebensdauer-Ergebnissen führen. Diese Effekte beruhen im Wesentlichen auf Schwankungen in Fertigungsqualität, Werkstoffgüte und tatsächlicher Belastung, wobei die Belastung des Bauteils auf dem Prüfstand identisch für alle Prüflinge ist. Die probabilistischen Effekte lassen sich mit entsprechender Software sehr effizient bewerten. Daher ist die statistische Auswertung von Ausfalldaten sehr lohnenswert. Diese Ausfalldaten können direkt von dem betrachteten Bauteil stammen, oder ggf. von einem ähnlichen Bauteil, z.B. dem Vorgängermodel. Voraussetzung ist, dass es sich um den identischen Schadensmechanismus handelt, bei vergleichbarer Vibrationsbelastung. Abbildung 6: Statistische Bewertung von Ausfalldaten <?page no="36"?> 36 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit Die Ausfalldaten, bzw. die Ausfallwahrscheinlichkeit lässt sich nun mit Hilfe statistischer Verteilungen (Weibull, Exponential, Log Normal, etc.) modellieren und in Berechnungen nutzbar machen. Wenn man nun den für unser Bauteil durchzuführenden Prüfstandversuch aus statistischem Blickwinkel betrachtet, wird schnell deutlich, dass die Forderung nach einer nachzuweisenden Lebensdauer um statistische Randbedingungen ergänzt werden muss. Daraus könnte eine Spezifikation wie folgt abgeleitet werden: „Gefordert wird für eine Betriebsdauer von 100.000km eine Systemzuverlässigkeit von 95 % mit einer Sicherheit von 90 %“. Die letzte Frage, die es zur Vorbereitung unseres Validierungsversuchs auf dem Prüfstand zu beantworten gilt, ist: wie viele erfolgreich getestete Prüflinge werden zum Nachweis der geforderten Systemzuverlässigkeit bzw. Lebensdauer benötigt? Die mathematisch modellierte Ausfallwahrscheinlichkeit zusammen mit der spezifizierten Anforderung an die Systemzuverlässigkeit helfen bei der Beantwortung dieser Frage. Entsprechende Software-Tools können die minimale Anzahl an Prüflingen berechnen (Abb. 7) und ermöglichen drüber hinaus auch die Betrachtung vieler unterschiedlicher Szenarien. Abbildung 7: Ermittlung der zum Nachweis nötigen Anzahl an Prüflingen Nachdem nun auch die nötige Anzahl an erfolgreich zu testenden Prüflingen ermittelt werden konnte, steht der Durchführung unseres Validierungstests nichts mehr im Wege. 8. Zusammenfassung und Ausblick Bei der Entwicklung und Erprobung von Bauteilen, die im Betrieb einer Vibrationsbelastung unterliegen, sind realistische Prüfspektren von essenzieller Bedeutung. Daher müssen die zur Verfügung stehenden Daten aus Vibrations-, bzw. Beschleunigungsmessungen bestmöglich genutzt werden. Die beschriebene Vorgehensweise macht sich das FDS sowie das SRS/ ERS zu Nutze, um die aus der Vibration resultierende Belastung in den Schädigungsbereich zu überführen, ein zeitlich optimiertes Prüfspektrum daraus abzuleiten und dieses hinsichtlich der realistischen Belastungsgrenzen zu überprüfen. Im zweiten Teil wurden die probabilistischen Aspekte einer solchen Erprobung diskutiert. Diese machen es fast unausweichlich neben der eigentlich geforderten Lebensdauer auch die entsprechende Systemzuverlässigkeit näher zu spezifizieren. Mit Hilfe von Ausfalldaten lassen sich diese probabilistischen Effekte mathematisch über Verteilungen modellieren. In unserem Beispiel haben wir so die minimale Anzahl ausfallfrei getesteter Prüflingen bestimmt, um die geforderte Zuverlässigkeit nachweisen zu können. Führt man diese mathematische Modellierung weiter und dehnt diese noch auf weitere Komponenten der Funktionskette aus, können wichtige Erkenntnisse zur optimalen Wartungsstrategie oder der Ersatzteillogistik gewonnen werden. <?page no="37"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 37 Herleitung eines repräsentativen Vibrations-Tests und Absicherung der geforderten Systemzuverlässigkeit Referenzen [1] GAM EG-13, (1986). Essais généraux en environnement des matériels. Ministère de la Défense, Délégation Générale pour l’Armement. France. [2] NATO AECTP 200, (2003). 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Fakultät Ingenieurwissenschaften, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Mathias Rudolph Fakultät Ingenieurwissenschaften, Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Olfa Kanoun Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Technische Universität (TU) Chemnitz, Deutschland Zusammenfassung Die Erkennung von Schienenfehlern ist aufgrund vieler fahrzeug- und schienenseitiger Einflussbedingungen komplex. Der Vorteil beim Einsatz der Schwingungsdiagnose besteht in der Schmutzunempfindlichkeit und der Wartungsfreiheit und ist für die mobile und indirekte Erfassung der Schienenoberflächentopologie geeignet. Für die schwingungsbasierte Erkennung von Schienenfehlern wird ein Rad-Schiene-Prüfstand zur Simulation von unterschiedlichen Schienenkopfschäden, Fahrzeuggeschwindigkeiten und -massen eingesetzt. Die große Anzahl erzeugter Merkmale aus den Zeitreihen der Schwingungsmessungen werden durch eine multivariate Datenanalyse, hinsichtlich ihres Informationsgehalts, verdichtet. Mit Methoden des maschinellen Lernens, werden Klassifikationsmodelle über eine überwachte Klassifikation entwickelt. Die Leistungsfähigkeit der Modelle wird anhand von Testdaten belegt. 1. Einführung 1.1 Motivation Schienenfahrzeuge und die Infrastruktur, insbesondere des schienengebundenen öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV), erfahren aufgrund aktueller Trends (Urbanisierung, Elektromobilität, Umwelt- und Gesundheitsschutz) eine erhöhte Auslastung (Fahrgastzahlen, Streckenkilometer) [1]. Zur Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen ÖPNV sind Informationen zum aktuellen Schienenzustand essentiell. Informationen aus dem Betrieb und der Instandhaltung der Infrastruktur werden bereits zentral erfasst. Jedoch werden diese Daten häufig empirisch und unter ungleichen Randbedingungen erfasst [2]. Sie unterliegen einer nicht objektiven Interpretation, da wenig Wissen über ihre Klassifikation vorliegt. 1.2 Schwingungsdiagnose von Schienenwegen Die Anzahl der Schienenfehlerarten ist groß und sie sind klassifiziert [3]. Besonders Schienenkopffehler besitzen einen großen Einfluss auf die mechanischen Antriebskomponenten und den Fahrkomfort. Zur Zustandsüberwachung der Schienenkopftopologie ist die Diagnose der Fahrzeugschwingungen, als Reaktion aus dem Rad- Schiene-Kontakt, ein sehr geeignetes Verfahren. Der Stand von Wissenschaft und Technik stellt sich breit auf. In [4] erfolgte die Entwicklung eines Fahrbahnqualitätsparameters, der unabhängig von der Art des Schienenschadens ist. Die definierten Grenzwerte dienen als Hinweis darauf, ob der untersuchte Abschnitt der Strecke instandhaltungsbedürftig ist. Die Untersuchungen wurden bei konstanter Geschwindigkeit des Fahrzeugs durchgeführt. Ein weiterer Ansatz wurde in [5] demonstriert. Bei der Zustandsbewertung der Schienen wurde ein Smartphone verwendet. Die initialen Sensoren und die aktuellen geografischen Koordinaten eines Smartphones bildeten die Grundlage für die Messdaten. Es wurde eine mathematische Funktion entwickelt, die den Geschwindigkeitseinfluss durch Normierung beseitigte, indem die Schwingungsamplitude von der Fahrgeschwindigkeit abhängig war. Bei den Randbedingungen handelte es sich um einen gewöhnlichen Zustand der Schienen und um verschiedene Geschwindigkeiten im Beharrungszustand. Das Ziel lag lediglich darin, Hotspots für Schienenschäden zu finden. Eine Kartenansicht ermöglichte es, die Hotspots darzustellen. MEMS-Sensoren werden für die ursprünglichen Sensoren moderner Mobilfunktelefone verwendet. Ein dreiachsiger MEMS-Sensor wurde auch in [6] eingesetzt. Dieser wurde im Passagierraum einer Straßenbahn fest angebracht. Die verwendeten Sensoren hatten in Bezug auf Quantisierung und Abtastrate (1 kHz) eine relativ geringe Auflösung. Aus diesem Grund wurden für eine Zeitfrequenzanalyse die Koeffizienten mithilfe der Maximal Overlap Discrete Wavelet Packet Transform ermittelt. Für <?page no="40"?> 40 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Schienenfehlersimulation und -erkennung mittels Schwingungsdiagnose die Analyse der untersuchten Schienenschäden hat sich ein verfeinertes charakteristisches Spektrum entwickelt. Ein tragbarer Messkoffer, der ein Mikrofon, einen Beschleunigungssensor, ein Gyroskop und ein GNSS-Empfangsgerät enthält, wird in [7] verwendet. Durch die Darstellung sämtlicher Messgrößen wurde der RMS-Wert der Schwingbeschleunigung genutzt, um markante Gleisflächen über einen Grenzwert zu ermitteln. Für die Diagnose von Schienenwiegen werden auch die Systeme eingesetzt, die zur Zustandsüberwachung der mechanischen Antriebskomponenten ([8], [9], [10] und [11]) verwendet werden. Die Diagnose von Schienenwegen unterscheidet sich jedoch von der Fahrzeugdiagnose in der Hinsicht, dass sich die Fehlerbilder und der Untersuchungsgegenstand voneinander unterscheiden, was eine separate Betrachtung erfordert. 1.3 Problem und Zielstellung Die Ausgangssituation zeigt, dass häufig direkt an den Fahrzeugen gemessen wird, was mit einer hohen Komplexität bzgl. der einfließenden Randbedingungen verbunden ist. Es existieren wenige Informationen zum Einfluss von Geschwindigkeit, Achslast bzw. Fahrzeugmasse und Schienenschadensfortschritt. Um eine konkrete Handlungsempfehlung zur Fehlerbeseitigung abzuleiten, sind die Schäden voneinander zu unterscheiden. Eine Klassifizierung des Schienenschadens ist auch dann wichtig, wenn eine Zustandsüberwachung der mechanischen Antriebskomponenten durchgeführt wird, um die Schwingungsquellen bzw. -ursachen (Fahrzeug- oder Schienenschaden) klar voneinander zu unterschieden. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Simulation der Schienenfehler an einem Versuchsstand, um die wesentlichen Einflussparameter auf die Fahrzeugbewegung zu untersuchen. Es soll untersucht werden, ob die Schwingungsdiagnose eine Aussage zum technischen Zustand der Schienenkopftopologie zulässt und zum perspektivischen Einsatz im ÖPNV geeignet ist. 2. Material und Methoden 2.1 Rad-Schiene-Prüfstand Zur Untersuchung typischer Schienenfehler wird ein Rad- Schiene-Prüfstand gemäß Abb. 1 eingesetzt. Die Geometrieverhältnisse in Bezug auf die Spurweite, den Raddurchmesser und die Achsabstände sind an die einer Straßenbahn (Maßstab 1: 8) angepasst. Es sind drei präferierte Schienenfehler und ein Normalzustand implementiert. Der Normalzustand ist die Schiene ohne Fehler. Der erste Fehler ist der Schienenbruch zwischen zwei Schwellen (Abb. 3), indem zwei Schienenenden lose miteinander ausgerichtet sind und die Schienenenden sich berühren. Dabei wird die reale kinematische Schienenbewegung eines Bruchs, während der Überfahrt der vorderen und hinteren Wagenachsen, simuliert. Der zweite Fehler ist das Schienenfehlstück auf einer Schwelle, was die typischen Schienenfehler Schleuderstelle, Schienenstoß und eingefallene Schweißnaht simuliert. Abb. 1: Rad-Schiene-Prüfstand zur Simulation von Schienenkopfschäden Hierbei wird ein fest definierter Abstand zwischen den Schienenenden eingehalten. Der letzte betrachtete Schienenfehler ist der Riffel. Er ist durch seine wellenförmige Schienenkopftopologie geprägt. Zur Vereinfachung beschreibt die Geometrie eine rechteckige Form gemäß Abb. 2. Er ist als gradueller Schaden realisiert, indem unterschiedliche Riffelhöhen (Riffel 1: 150 μm, Riffel 2: 300 μm, bei gleichbleibender Wellenlänge) in zwei Schienen fräsend eingebracht wurden. Alle Schienenfehler sind miteinander austauschbar und beliebig oft überfahrbar. Abb. 2: Schienenstück mit Riffelgeometrie (300 µm) <?page no="41"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 41 Schienenfehlersimulation und -erkennung mittels Schwingungsdiagnose Abb. 3: Schienenbruch zwischen zwei Schwellen Die Erfassung der Fahrzeugreaktionen infolge der Schadensüberfahrt erfolgt durch einen kabelgebundenen Körperschallbzw. IEPE Beschleunigungssensor oberhalb der ersten Wagenwelle. Die Messgröße ist die Schwingbeschleunigung a(t). Der Messauf bau verfügt über eine geeignete Kabelführung. Die Wagengeschwindigkeit ist stufenlos realisierbar und wird durch eine höhenverstellbare Startvorrichtung vorgegeben. Die Wagenmassenvariation erfolgt in zwei Stufen, indem die Eigenmasse des Wagens durch Zusatzmassen auf der Vorderachse erweitert wird. Zur zeitlichen Eingrenzung der schadensbezogenen Schwingungssignalanteile, die aus der Überfahrt der lokalen Schienenfehler resultieren, werden zwei rote Punktlasersensoren (Trigger 1 und 2) eingesetzt. Über eine Reflexionsmarke an der Wagenseite, wird je Trigger das ausgesendet Laserlicht zurückgesendet und am Sensor erfasst. Er liefert ein Spannungssignal von 3 V. Die seriell auslösenden Sensoren werden zusammengeführt und an einen Trigger-Signaleingang der Messtechnik (Verstärker, Analog-Digital-Wandler) angeschlossen, gemäß Abb. 4. Die beiden Messkanäle (Trigger, Schwingbeschleunigung) werden zeitparallel erfasst und besitzen den gleichen Zeitstempel. Der Aufzeichnungsbeginn erfolgt manuell über eine Messsoftware (SW) am PC. Das Betätigen der mechanischen Startvorrichtung erfolgt zeitversetzt. Abb. 4: Prinzipschaubild zur Interaktion der Messtechnik mit dem Rad-Schiene-Prüfstand 2.2 Messtechnische Untersuchungen Die Messszenarien unterscheiden sich voneinander durch die unterschiedlichen Zustände - wobei der Riffelschaden durch zwei Schadensausprägungen in Erscheinung tritt - sowie durch jeweils zwei Fahrzeuggeschwindigkeiten und -massen. Die sich daraus ergebenden 20 Messszenarien werden jeweils 15-mal wiederholt. Jede Messung beinhaltet eine Hin- und Rückfahrt, wodurch jeder Trigger 2-mal betätigt wird (Abb. 5). Die Messdauer beträgt 4 Sekunden. Abb. 5: Hin- und Rückfahrt einer Messung am Beispiel des Schienenschadens Riffel 2 2.3 Messdatenanalyse 2.3.1 Merkmalsberechnung Die Rohmessdaten werden zur Anpassung der Datenformate und zur Vereinheitlichung der Syntax der Messwertdarstellung zunächst vorverarbeitet. Für die Berechnung der Merkmale des Schwingungssignals werden nur die relevanten Signalabschnitte segmentiert. Sie werden über die Durchfahrtszeitpunkte der Trigger ermittelt. Hierbei findet ausschließlich die Hinfahrt Verwendung, da die zusätzliche Fahrzeugmasse an der vorderen Fahrzeugwelle angebracht ist. Für jedes segmentierte Signal werden 65 Merkmale berechnet. Sie ermitteln sich aus den Zeitbereichen, den Frequenzbereichen, der jeweiligen Hüllkurven der ursprünglichen Messgröße der Schwingbeschleunigung und der beiden abgeleiteten Größen Schwinggeschwindigkeit v(t) und -weg s(t). Als weiterer Bereich wird der Frequenzbereich der Hüllkurve genutzt. Das Amplitudenspektrum der Hüllkurve besitzt eine potentiell große Relevanz, da sie die Frequenzen auf stoßförmigen Anregungen ähnlich zur Wälzlagerdiagnose sichtbar macht [12]. In allen Bereichen werden die Werte Effektivwert (RMS), Maximalwert (MAX), Scheitelfaktor (CREST), Minimalwert (MIN), Schiefe (SKEW) und Wölbung (KURT) ermittelt. Separate Merkmale stellen die Fahrzeuggeschwindigkeit (V), die Anzahl der Werte, die größer eines Schwellwertfaktors sind (Anzahl=0,25MAX(a(t))) und der Effektivwert des Schwingbeschleunigungs-Amplitudenspektrums im Riffelfrequenzbereich (RBrms) dar. Der zu klassifizierende Datensatz besitzt die Größe von 300 Objekten mit jeweils 65 zugehörigen Merkmalen (Tab. 1). Für die weiteren Analysen wird der Datensatz standardisiert. <?page no="42"?> 42 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Schienenfehlersimulation und -erkennung mittels Schwingungsdiagnose Tab. 1: Aufbau des Objektdatensatzes Obj.-Nr. Label Merkmal 1 ... Merkmal 65 1 Zustand 1 x1 … y1 … … … … … N (= 300) Zustand 5 x300 … y300 2.3.2 Informationsverdichtung Zur Verkürzung von Berechnungszeiten beim Einsatz von Algorithmen des maschinellen Lernens und aus Gründen der Objektdatenvisualisierung werden die Merkmale in ihrer Anzahl reduziert. Durch statistische Betrachtungen mittels der Hauptkomponentenanalyse (HKA) wird der Informationsgehalt der Daten durch wenige Merkmale, den Hauptkomponenten (HK), abgebildet und Redundanzen zusammengefasst. Abb. 6: Prozentuale erklärte Varianz der Hauptkomponenten (Ausschnitt) In Abb. 6 ist die prozentuale erklärte Varianz der ersten 15 HK dargestellt. Bereits die ersten drei HK besitzen 61 % der erklärten Varianz des Datensatzes. Das Vorgehen zur Bestimmung der HK-Anzahl bildet das Elbow-Kriterium [13]. Die Merkmale mit dem größten Einfluss auf die HK werden über die Ladungen ermittelt. Für die ersten drei HK sind es die Werte für RMS von v(t), SKEW der Hüllkurve von s(t) und KURT von v(t). Die übrigen HK werden überwiegend von den Merkmalen von v(t) und s(t) beeinflusst. Das Resultat aus der HKA ist in Abb. 7 zu sehen. Bereits mit den ersten drei HK ist eine visuelle Trennung der Schienenzustände darstellbar. Abb. 7: Hauptkomponenten 1 - 3 des Objektdatensatzes 2.3.3 Klassifikationsmodellbildung Die Klassifikationsmodellbildung findet auf Basis der zuvor bekannten Zustände statt. Als Klassifikationsalgorithmus wird ein künstliches neuronales Netz (KNN) eingesetzt. Es besitzt eine Reihe von Hyperparametern, die gefunden werden müssen. Hierfür wird ein Wrapper verwendet [14]. Mit Hilfe eines Trainingsdatensatzes, der eine Untermenge des in Tab. 1 beschrieben Objektdatensatzes bildet, werden alle Ausprägungen der Hyperparameter miteinander kombiniert. Aus der optimalen Kombination der Hyperparameter resultiert das beste Klassifikationsergebnis. Für die Suchaufgabe wird „GridSearchCV“ des Python-Pakets „Scikit-learn model selection“ angewendet. Das so gefundene Modell wird mit einem Testdatensatzes, der eine andere Untermenge des in Tab. 1 beschrieben Objektdatensatzes bildet, validiert. Der Objektumfang des Testdatensatzes beträgt 20 % und der des Trainingsdatensatzes 80 % der Datenmenge. Abb. 8: Receiver Operating Characteristic (ROC)-Kurve des Klassifikators für fünf Schienenzustände In Abb. 8 sind die Receiver Operating Characteristic (ROC)-Kurven des KNN-Klassifikators für die fünf Schienenzustände abgebildet. Sie ist eine Metrik zur Beschreibung der Leistungsfähigkeit eines Klassifikators. Die Grundlagen bilden die Klassifizierungsergebnisse für den Testdatensatz und die Wahr-Positivbzw. Falsch- Positiv-Raten aus der Konfusionsmatrix. Die Fläche unter einer ROC-Kurve wird zur Bemessung der Leistungsfähigkeit herangezogen. Ihr Wert liegt idealerweise bei 1. Es zeigt sich, dass alle Testobjekte des Normalzustands (ohne Fehler) richtig klassifiziert werden. Die Zustände Riffel 2 und Schienenfehlstück besitzen mit 0,59 und 0,36 geringe Flächen unter der ROC-Kurve. Als einen Optimierungsschritt werden die Zustände Riffel 1 und Riffel 2 (Riffel 1 und 2) zusammengefasst. Das Resultat ist in Abb. 9 zu sehen. Zusätzlich zum Normalzustand werden auch alle Testobjekte zum Zustand Riffel 1 und 2 richtig <?page no="43"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 43 Schienenfehlersimulation und -erkennung mittels Schwingungsdiagnose erkannt. Die Fehlklassifikationen zu den einzelnen Zuständen Schienenfehlstück und Schienenbruch bedingen sich gegenseitig. Jedoch sinken die ROC-Kurven der beiden Zustände erst ab einer Falsch-Positiv-Rate von 0,5 ab. Das bedeutet, dass mit der Verschiebung des Klassifizierungsschwellwertes (begonnen oben rechts) nicht sofort Fehlklassifizierungen erhalten werden. Abb. 9: Receiver Operating Characteristic (ROC)-Kurve des Klassifikators für zusammengefasste Schienenzustände Zur gesamten Beurteilung einer Multiklassen-Klassifikation wird der Parameter macro-average verwendet. Er zeigt mit einer Fläche von 0,8 einen ausreichend hohen Wert [13]. 3. Ergebnisse und Diskussion Es besteht ein großer Einfluss der zwei vom Messwert abgeleiteten Größen s(t) und v(t) auf die Hauptkomponenten. Eine Gemeinsamkeit der beiden ist die Verstärkung von niederfrequenten Signalanteilen als Folge der einfachen und doppelten Integration. Besonders beim flächig vorkommenden Schienenfehler Riffel kommen diese Parameter, aufgrund der damit verbundenen großen Anzahl von aufeinander folgenden hohen Amplitudenwerten, zum Tragen. Der Normalzustand wird trotz sich ändernden Fahrzeuggeschwindigkeiten und -massen sicher erkannt. Das liegt zum einen an den fehlenden stoßhaltigen Belastungen, was zu einer geringen Varianz (im Sinne von Ausreißern) führt. Das bringt Vorteile mit sich, indem grundsätzlich ein Fehlzustand ausgeschlossen wird. Die detaillierte und teilweise graduelle Realisierung der unterschiedlichen Fehlerbilder am Prüfstand und das Vorgehen zur Optimierung des Klassifikators zeigt, dass Schienenfehler zusammengefasst werden können. Sie sind grundsätzlich ähnlich zueinander, bspw. Riffel 1 und Riffel 2. Die grundsätzlichen Fehler, also ob es sich um flächige Fehler (Riffel) oder einmalig auftretende stoßhaltige Fehler (Bruch oder Fehlstück) handelt, sind unterscheidbar. Nicht zuletzt wirkt sich das positiv auf abzuleitende Handlungsempfehlungen für die Schieneninstandhaltung aus, da Wartungs- und Instandhaltungsumfänge detaillierter planbar sind (bspw. der Einsatz von Schleif- oder Schweißzeug). 4. Fazit und Ausblick Die prüfstandsgebundene Schienenfehlersimulation und -erkennung mittels Schwingungsdiagnose ist geeignet zur sicheren Analyse der fahrzeugabhängigen Einflussgrößen. Die Ergebnisse zeigen, dass die den Schienenschaden beschreibende Merkmale aus dem Schwingungssignal trotz variabler Einflussparameter (Fahrzeuggeschwindigkeit und -masse) extrahierbar sind. Die entwickelte Vorgehensweise zur Messdatenanalyse bildet die Grundlage für die Analyse realer Feldmessungen ab. Perspektivisch wird der Prüfstand um drahtlose Messtechnik zur Vermeidung der Messkabel und um eine realitätsnahe bzw. sinusförmige Riffelgeometrie erweitert. Das Versuchsstandkonzept wird hinsichtlich seiner Eignung zur Bestimmung der Restlebensdauer von Schienenoberflächen überprüft. Literatur [1] Heck J 2015 Zur Simulation des Rad-Schiene-Verschleißes bei Straßenbahnen (Karlsruhe) [2] Bundesministerium für Digitales und Verkehr 1987 Verordnung über den Bau und Betrieb der Straßenbahnen (Straßenbahn-Bau- und Betriebsordnung - BOStrab) [3] Heyder R 2001 Der neue Schienenfehlerkatalog der UIC Eisenbahningenieur 94-109 [4] Chudzikiewicz A, Bogacz R and Kostrzewski M 2014 Using acceleration signals recorded on a railway vehicle wheelsets for rail track condition monitoring 7th European Workshop on Structural Health Monitoring, EWSHM 2014 - 2nd European Conference of the Prognostics and Health Management (PHM) Society 166-74 [5] Karimpour M and Moridpour S 2021 A Novel Method in Light-Rail Condition Monitoring Using Smartphones IEEE Intell. Transport. Syst. 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Jörg Hübler Hochschule Mittweida Dr.-Ing. Hagen Bankwitz Hochschule Mittweida Dipl.-Ing. Norman Katzer Hochschule Mittweida Zusammenfassung Für die Auswahl von Prüfmaschinen zur statischen und dynamischen Bauteilprüfung ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen der durchzuführenden Prüfungen sowie die Eigenschaften des Probenspektrums zu berücksichtigen. Zusätzlich spielen finanzielle und gebäudetechnische Aspekte bei der Beschaffung und der Aufstellung der Anlagen eine wesentliche Rolle. Durch ein flexibles Prüfkonzept auf Basis von Lastrahmen aus stranggepressten Aluminium-Systemprofilen kann eine Vielzahl von Prüfaufgaben abgedeckt werden. Diese reichen von der Prüfung von Normproben bis hin zu komplexeren Baugruppen und kompletten Kleinstfahrzeugen, da der Prüfraum und die Anordnung der Aktoren mit relativ geringem konstruktivem und personellem Aufwand an verschiedene Prüfauf bauten angepasst werden können. Bei Auswahl geeigneter Prüfzylinder und Steuerungen sind so ein- und mehrachsige statische und dynamische Prüfungen bei geringen Investitions- und Wartungskosten für die Prüftechnik realisierbar. 1. E inführung Die mechanische Werkstoff- und Bauteilprüfung spielt im Rahmen der Forschung eine große Rolle, um theoretisch gewonnene Erkenntnisse experimentell abzusichern und statistisch signifikante Aussagen zu Eigenschaften von Werkstoffen, Bauteilen oder Baugruppen treffen zu können. Parallel dazu können mechanische Prüfmaschinen bei der Ausbildung von Studenten eingesetzt werden, um praktische Kenntnisse bei der Planung, Durchführung und Auswertung von Versuchen zu vermitteln. Bei der Auswahl der benötigten Prüftechnik müssen das geplante Prüf- und Probenspektrum, die räumlichen Gegebenheiten sowie die finanziellen Ressourcen bei der Anschaffung und während des Betriebs berücksichtigt werden. Die diesbezüglich an der Professur Intelligente Maschinensysteme der Hochschule Mittweida vorherrschenden Rahmenbedingungen führten zur Entwicklung des Prüfkonzepts, welches im folgenden Artikel vorgestellt wird. 2. Prüfkonzept 2.1 Ausgangssituation Die Professur Intelligente Maschinensysteme unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jörg Hübler an der Hochschule Mittweida wurde 2017 gegründet. Im Bereich Forschung werden die Themenfelder Mikromobilität (Radverkehr), Elektromotorische Antriebssysteme (speziell von Zweiradfahrzeugen), strukturintegrierte Sensorik, Maschinenelemente der Antriebstechnik (Zugmittelgetriebe, Kupplungen) und additive Fertigungsverfahren (v.a. gedruckte Sensorik auf technischen Textilien und Maschinenelementen) bearbeitet. Die Lehre konzentriert sich im Wesentlichen auf die Inhalte Mikromobilität, Grundlagen der Konstruktion, Antriebstechnik, Mechatronische Produktentwicklung und Fördertechnik. Aus diesen Aufgabenbereichen ergibt sich für die statische und dynamische Bauteilprüfung das in Tab. 1 aufgeführte Proben- und Prüfspektrum. <?page no="46"?> 46 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen Tab. 1: angestrebtes Proben- und Prüfspektrum Probenart Prüfungen/ Kennwerte Normproben Kunststoff Zug-Druck (statisch und dynamisch)/ Festigkeit, Steifigkeit, Dämpfung Textilproben Zug statisch/ Festigkeit, Steifigkeit 3D-gedruckte Bauteile und Baugruppen Zug-Druck (statisch und dynamisch)/ Festigkeit, Steifigkeit, Dauerfestigkeit Elastomerelemente in Ausgleichskupplungen Zug-Druck (statisch und dynamisch)/ Steifigkeit, Dämpfung, Dauerfestigkeit Antriebsriemen Zug (statisch und dynamisch)/ Festigkeit, Steifigkeit, Dauerfestigkeit Fahrradkomponenten Zug-Druck (statisch und dynamisch)/ Festigkeit, Steifigkeit, Dauerfestigkeit Rahmenstrukturen aus Aluminium, Kunststoffen und faserverstärkten Materialien Zug-Druck (statisch und dynamisch)/ Festigkeit, Steifigkeit, Dauerfestigkeit Betrieben werden soll die Prüftechnik in einem Laborraum der zweiten Etage eines Hochschulgebäudes. Dadurch ergeben sich erhebliche Beschränkungen hinsichtlich der Höhe, der Breite, der zulässigen Geräuschemissionen und des Gewichts der Prüftechnik. Da die Anlage mit einem Personenaufzug in die betreffende Etage verbracht wird, darf die Maximalhöhe zwei Meter abzüglich eines Puffers für den Transport auf einem Hubwagen betragen. Die zulässigen Bodenlasten betragen 3-kN als Einzellast bzw. Flächenlast pro Quadratmeter (Nutzungsklasse B2 nach [1]). Zusätzlich muss die Anlage mit geringem Aufwand innerhalb des Laborraumes umgesetzt werden können, da sich ändernde Prüfauf bauten und Anforderungen aus diversen Forschungsprojekten eine gelegentliche Anpassung der Raumaufteilung erfordern. Für die Energieversorgung stehen Druckluft und eine 3 × 16-A CEE Drehstromdose zur Verfügung. Die Anschaffungskosten der Prüfachsen und der Lastrahmen spielen zunächst eine untergeordnete Rolle. Diese sollten zwar möglichst gering sein, können aber über einmalige Fördermittel realisiert werden. Im Hochschulkontext sind die laufenden Kosten für Wartung und Betrieb der Anlage zu berücksichtigen. Diese sind zwar in der Regel deutlich geringer als die Anschaffungskosten, müssen jedoch wiederkehrend über das Budget der Professur aufgebracht werden. 2.2 Entwicklung des Prüfkonzepts Aus der im vorherigen Abschnitt beschrieben Ausgangssituation lassen sich die Anforderungen an das Prüfkonzept ableiten. Der Fokus auf Kunststoffe, Elastomere und technische Textilien führt zu geringen Anforderungen hinsichtlich der benötigten Prüfkräfte und Maschinensteifigkeit. Weiterhin fallen die maximalen Prüffrequenzen aufgrund der viskoelastischen Materialeigenschaften und der damit verbundenen Selbsterwärmung der Proben bei dynamischen Prüfungen ebenfalls geringer als bei metallischen Prüflingen aus [2]. Für die gelegentliche Prüfung von Bauteilen und Strukturen aus Stahl bzw. Aluminium kann die erhöhte Prüfdauer bei Lebensdauerprüfungen in Kauf genommen werden. Durch die große Vielfalt an Probengeometrien und -größen kommt dem Lastrahmen besondere Bedeutung zu. Neben den Spannzeugen für Normproben sollen auch komplette Bauteile und Baugruppen in teils eigenentwickelten Prüfvorrichtungen untersucht werden. Dies macht die Verwendung von Lastrahmen mit Aufspanntisch und oben befestigter Prüfachse sinnvoll. Der Aufspanntisch sollte dabei ausreichend groß sein, um auch komplexere Baugruppen und Rahmen von Kleinfahrzeugen aufnehmen zu können. Handelsübliche Lastrahmen sind durch die hohe gewünschte Steifigkeit schwer (> 300- kg) und besitzen im Kraftbereich bis 10- kN eine Aufspannfläche von weniger als 500-mm × 500-mm [3, 4, 5]. Zudem ist die Anordnung der Prüfzylinder auf die Mitte der Aufspannfläche fixiert vorgegeben. Dies verhindert, dass größere Bauteile oder Prüfvorrichtungen mit stark außermittiger Krafteinleitung ohne Überhang auf dem Aufspanntisch montiert werden können. Daher ist es zweckmäßig, die Prüfachsen getrennt von den Lastrahmen zu beschaffen und eigene, den Bedürfnissen gerecht werdende Lastrahmen zu entwerfen. Als Basis dienen stranggepresste Aluminiumprofile, da diese sich flexibler als Schweißrahmen gestalten lassen und durch den Austausch einzelner Profile später die Abmessungen der Prüfrahmen bei Bedarf leicht angepasst werden können. Zudem kann die Position separater Prüfzylinder im Prüfrahmen leicht verändert werden, da diese nicht herstellerseitig fest in den Lastrahmen integriert sind. Außerdem es ist möglich, durch zusätzliche Profile mehrachsige Prüfaufbauten mit unterschiedlichen Lastrichtungen zu realisieren. 2.3 Auswahl der Prüfachsen Da der Großteil der Prüfungen als einachsige Zug-Druck- Prüfungen ausgeführt wird, sind zwei verschiedene Prüfachsen in je einem eigenen Prüfrahmen im Einsatz. Durch die im Vergleich zu Hydrauliklösungen günstigeren Anschaffungs- und Wartungskosten [6, 7] wird der Fokus bei der Auswahl auf servopneumatische und servoelektrische Prüfzylinder gelegt. Die folgenden Tabellen enthalten die wesentlichen Anforderungen an die Prüfachsen. Prinzipiell sollen - vor allem im Hinblick auf mehrachsige Prüfungen - mit beiden Achsen statische und dynamische Versuche möglich sein. Jedoch kann durch die getrennte Ausrichtung in primär statische und primär dynamische Versuche das durch die Prüfachsen abgedeckte Gesamtspektrum möglicher Prüfparameter gegenüber zwei identischen Prüfachsen vergrößert werden. Das Maximalgewicht von 40-kg soll sicherstellen, dass die Zylinder manuell von zwei Personen ohne zusätzliche Hebezeuge eingebaut und bei Bedarf neu positioniert werden können. <?page no="47"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 47 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen Tab. 2: Anforderungen an die primär statische Prüfachse Maximalkraft 5-kN Hub 200-mm Maximalfrequenz 3-Hz Dyn. Kennwerte ±10-mm bei ±2-kN und 1-Hz ±3-mm bei ±1-kN und 3-Hz Versuchsführung Kraft- und weggeregelt/ Ein- und Mehrstufenschwingversuche, Rampenversuche, Nachfahrversuche Maximalgewicht 40-kg Tab. 3: Anforderungen an die primär dynamische Prüfachse Maximalkraft 5-kN Hub 100-mm Maximalfrequenz 10-Hz Dyn. Kennwerte ±20-mm bei ±1-kN und 1-Hz ±10-mm bei ±1-kN und 3-Hz ±3-mm bei ±500-N und 10-Hz Versuchsführung Kraft- und weggeregelt/ Ein- und Mehrstufenschwingversuche, Rampenversuche, Nachfahrversuche Maximalgewicht 40-kg Für die dynamischen Versuche kommt eine servopneumatische Prüfachse mit 100-mm Hub der Firma Dynamess zum Einsatz, die überwiegend statischen Versuche werden durch eine servoelektrische Spindelachse mit 300-mm Hub des gleichen Herstellers abgedeckt. Beide Achsen halten die geforderten Werte ein und wiegen jeweils 25-kg bzw. 30-kg inkl. der Führungseinheit zur Querkraftabstützung. Durch diese Führungseinheit sind die jeweiligen Befestigungspunkte mit dem Lastrahmen vorgegeben. Abb. 1: Servopneumatische Prüfachse 5-kN inkl. Führungseinheit Abb. 2: Servoelektrische Prüfachse 7,5-kN inkl. Führungseinheit 3. Lastrahmen 3.1 Grundkonzept Wie bereits im vorherigen Abschnitt erläutert, wird für jeden Prüfzylinder ein eigener Lastrahmen verwendet. Dadurch können beide Achsen unabhängig voneinander im Regelbetrieb als Universalprüfmaschine genutzt werden. Der Auf bau aus Aluminiumprofilen stellt sicher, dass der Prüfraum bei Bedarf erweitert bzw. angepasst werden kann. Durch eine flexible Anbindung der Prüfachsen an den jeweiligen Rahmen kann die Position gegenüber dem Prüfraum verändert werden, was die Prüfung großer Baugruppen vereinfacht. 3.2 Konstruktiver Aufbau Der Lastrahmen wird aufgrund der guten Eignung hinsichtlich einer hohen Steifigkeit als geschlossener Rechteckrahmen ausgeführt [8]. Die Grundstruktur besteht aus den in Abb. 3f verwendeten Aluminiumprofilen. Der Auf bau ist als Tisch mit zwei vertikalen Säulen ausgeführt. Diese sind als Stumpfstoß für eine direkte formschlüssige Kraftübertragung angebunden. Die Größe des Prüfraums ist durch die Länge der Profile anpassbar und kann daher auch nachträglich durch den Austausch der jeweiligen Profile geändert werden. Durch die L-Profile wird der obere Abstand der Säulenprofile eingestellt und somit deren paralleler Verlauf gewährleistet. Die Profilverbindung erfolgt über herstellereigene Verbinder mit großen Anlageflächen (Abb. 5). Dadurch konnte auf Gewinde in den Aluprofilen verzichtet werden und somit geringere Setzbeträge und eine bessere Steifigkeit erreicht werden. Der Tisch zum Aufspannen von Prüfaufbauten besteht aus einer T-Nutenplatte aus Aluminium mit den Abmaßen 500 × 500 mm und einer Stärke von 20 mm (Abb. 6). Die T-Nuten sind nach DIN 650 ausgeführt. Die Position der Säulen auf dem Tisch ist stufenlos verschiebbar und bietet damit bei Bedarf mehr Bauraum für große oder überhängende Prüfauf bauten. Die Befestigung der Nutenplatte erfolgt mittels Senkschrauben und einem geringen Schraubenabstand, um ein Wölben der Nutenplatte zu vermeiden. Zusätzlich wird dadurch eine höhere Biegesteifigkeit des Tisches durch die Übertragung von Scherkräften zwischen der Nutenplatte und den Tischprofilen erreicht. <?page no="48"?> 48 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen Abb. 3: Struktur des Lastrahmens aus Aluminiumprofilen Abb. 4: Querschnitt und Kennwerte der verwendeten Profile [9] Die Befestigung des Zylinders erfolgt über zwei Querhauptplatten (Abb. 7). Die Querhauptverstellung kann manuell über ein Seilzugsystem in den L-Profilen durchgeführt werden. Dazu ist ein Lösen der Querhauptplatten an den Aluminiumprofilen erforderlich. Um ein Verkanten zu vermeiden, ist eine Führung zwischen den Säulenprofilen angebracht, welche dauerhaft über eine der beiden Querhauptplatten mit dem Zylinder verschraubt ist und so die vertikale Ausrichtung des Zylinders im Lastrahmen sicherstellt. Abb. 5: Profilverbindung [9] Abb. 6: T-Nutenplatte zum Aufspannen von Prüfaufbauten Abb. 7: Befestigung und Höhenverstellung des Prüfzylinders 3.3 Allgemeine Eigenschaften Das Gesamtgewicht beträgt rund 150 kg inkl. Prüfzylinder und der Rahmen kann allein bewegt bzw. verschoben werden. Der Prüfraum ist 500 × 500 × 700 mm bis maximal 500 × 500 × 900 mm groß und kann bei Bedarf erweitert werden. Die Montage und Ausrichtung ist nach Herstellervorgaben allein möglich und dauert ungefähr einen Tag. Alle Verbindungen wurden entsprechend der Vorgaben des Profilherstellers montiert und einmal nachgezogen. Die Gesamtkosten für die komplette Hardware (Profile, Verbindungselemente, Aluhalbzeuge) belaufen sich auf ca. 2000 €. 3.4 Festigkeit Die Festigkeit ist abhängig von den verwendeten Profilverbindern und der Nutbelastbarkeit. Diese beträgt für die <?page no="49"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 49 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen verwendeten Profile mit einer Nutbreite von 10-mm 7 kN pro Verbinder [9]. Verwendet wurden vier Verbinder pro Säule. In Summe ergibt dies bei zwei Säulen eine zulässige Vertikalkraft von 56 kN. Dies entspricht einem um den Faktor 7,5-mal höheren Wert als die maximal auftretende Prüfkraft von 7,5 kN. Unter der Nutenplatte wurden pro Tragprofil vier Verbinder eingesetzt. Damit ergibt sich eine Gesamtanzahl von 20 Verbindern mit einer zulässigen Nutbelastbarkeit von je 7 kN. Dies ergibt eine Vorspannung von 140 kN zwischen den Tischprofilen und den horizontalen Längsprofilen, mit denen die Tischprofile verbunden sind. Mit einem Reibwert von µ = 0,21 (Alu-Alu trocken [10]) ist eine ausreichend hohe Reibkraft gewährleistet, um die eingeleiteten Prüfkräfte zu übertragen. Für die Zylinderklemmung wurden entsprechend der Montageanschlüsse an den Prüfzylindern acht M10 Schrauben verwendet. Die Schrauben für die T-Nutenplatte besitzen ebenfalls eine Auszugsfestigkeit von 7 kN pro Schraube, welche geringer als die maximale Prüfkraft ist. Dementsprechend muss auf eine gleichmäßige Lasteinleitung in die Nutenplatte geachtet werden (mindestens zwei, besser vier tragende Schrauben). 3.5 Steifigkeit Für den Lastrahmen wurde eine möglichst hohe Rahmensteifigkeit angestrebt, um eine geringe Verformung und damit einen geringen Einfluss auf das Probenverhalten zu gewährleisten [6]. Allerdings ist ab einem gewissen Wert eine höhere Steifigkeit unnötig. Sobald die Prüfaufbauten und die Prüfzylinder deutlich nachgiebiger als der Lastrahmen sind, hat die höhere Rahmensteifigkeit kaum noch Einfluss auf die Gesamtsteifigkeit. In Abb. 8 wurde die theoretische Rahmensteifigkeit mittels einer FEM-Verformungsanalyse berechnet. Dabei wurde eine Last von 5 kN angenommen und das Querhaupt in einer unteren (170 mm Abstand Nutenplatte-Querhaupt) und oberen Position (900 mm Abstand Nutenplatte-Querhaupt) simuliert. Die Gesamtverformung ergibt sich aus der Addition der Verformungen von Querhaupt und Nutenplatte. Abb. 8: Rahmenverformung bei 5-kN Last und verschiedenen Querhauptpositionen Weiterhin wurde die Rahmensteifigkeit messtechnisch ermittelt (Abb. 9). Die Belastung erfolgte dabei durch eine starre Druckprobe im Bereich von 0...5 kN und die Messung der Rahmenaufweitung wurde mittels einer Messuhr vorgenommen (Mittelwert aus vorderer und hinterer Querhauptplatte). Die Steifigkeit der Prüfachse (Kraftmessdose, Anschlussflansche, etc.) kann bei der Ermittlung der Rahmensteifigkeit aus den Kraft- und Wegmesswerten des Prüfzylinders gewonnen werden. Hierfür muss die Rahmenaufweitung von der gemessenen Gesamtverformung der Prüfachse abgezogen werden. Abb. 9: Messauf bau zur Ermittlung der Rahmensteifigkeit In Abb. 10 ist eine Zugprüfung mit mechanischen Schraubspannzeugen (Alu, 5 kN) und starrer Zugprobe dargestellt. Damit wurde die Steifigkeit des Prüfauf baus für Zugversuche ermittelt. Abb. 10: Zugversuch mit Schraubspannzeugen und starrer Probe Die Tab. 4 enthält eine Übersicht der ermittelten Steifigkeiten, jeweils als Quotient aus Kraft und Verformung. Tab. 4: Ermittelte Steifigkeiten Belastungsart Steifigkeit [kN/ mm] Lastrahmen FEM Querhaupt oben; 5-kN 69 Lastrahmen FEM Querhaupt unten; 5-kN 82 <?page no="50"?> 50 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen Lastrahmen gemessen (Abb. 9); 0…5-kN 70 (Kraft 0…1-kN) 50 (Kraft >2-kN) Mittelwert 60 Prüfachse Druck (Abb. 9); 0…5-kN 28 Zugversuch starre Probe mit mechanischen Schraubspannzeugen (Abb.-10); 0…1-kN 11 Die messtechnisch ermittelte Rahmensteifigkeit von 50 bis 70-kN zeigt Unterschiede zur per FEM-Analyse ermittelten Rahmensteifigkeit auf. Die Ursache liegt hierbei in den nicht vollflächig starren Bauteilverbindungen. Dennoch kann sie als ausreichend hoch betrachtet werden, da sie deutlich höher als die der Prüfauf bauten ausfällt. Dadurch liegt der Hauptanteil der elastischen Verformung in der Prüfachse und den Prüfauf bauten. Für deutlich höhere Zylinderkräfte wird jedoch ein steiferer Auf bau empfohlen, da die Prüfachsen und Prüfauf bauten bei höheren Kräften tendenziell stabiler und steifer sind. 3.6 Eigenfrequenzen Eine Analyse der Eigenschwingungen ergab, dass diese als unkritisch zu bewerten sind. Die erste und zweite Eigenform (Abb. 11) liegen nicht in Prüfkraftrichtung. Außerdem liegen sie mit 23 Hz bzw. 34-Hz deutlich oberhalb der max. Prüffrequenz von 10-Hz. Abb. 11: links: erste Eigenschwingform (23-Hz); rechts: zweite Eigenschwingform (34-Hz) 4. Betrieb des Prüfsystems Der Lastrahmen ist bereits seit 3 Jahren an der Professur IMS in Betrieb und wurde für verschiedene statische und dynamische Versuche genutzt. Dabei erfolgte eine volle Ausnutzung des Kraftbereichs (statisch und dynamisch, inkl. Dauerversuche). Im Betrieb konnte selbst nach großer dynamischer Belastung kein Setzen oder Lockern der Verbindungen festgestellt werden. Auch die Querhauptverstellung erwies sich in der Praxis als unproblematisch. Die Verstellung ist innerhalb von fünf Minuten allein möglich. Für die Querhauptplatten könnte eine höherfeste Aluminiumlegierung verwendet werden, da die Flächenpressung unter dem Schraubenkopf zu hoch ist und die Querhauptplatten dadurch plastisch verformt werden. Die Tab. 5 enthält zusammengefasst die wesentlichen technischen Daten des Gesamtsystems. Tab. 5: Daten des gesamten Prüfsystems servoelektrische Prüfmaschine servopneumatische Prüfmaschine Maximalkraft 7,5-kN 5-kN Hub 300-mm 200-mm max. Frequenz 5-Hz 10-Hz Grundfläche 700 × 750 × 2200 700 × 750 × 2400 Prüfraum 500 × 500 × 700 (1150 1 ) 500 × 500 × 900 (1450 1 ) Zylindergewicht 30 -kg 25-kg Gesamtgewicht 150 kg 140 kg Versuchsführung Kraft- und weggeregelt/ Ein- und Mehrstufenschwingversuche, Rampenversuche, Nachfahrversuche, jeweils als Stand- Alone-Maschine oder kombiniert im 2-Achs-Betrieb 1) Bei manueller Querhauptverstellung ohne Seilwinde Neben Versuchen im üblichen Last- und Prüfraumbereich nach Tab. 5 wurden bereits erste Versuche durchgeführt, welche mit herkömmlichen Universalprüfmaschinen vergleichbarer technischer Daten nicht möglich gewesen wären. Als erstes Beispiel kann hier der Einbau eines Umlenkhebels zur Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen Zylinder und Probe genannt werden (Abb. 12). Bei einer Übersetzung von 3 zu 1 steht die 3-fache Kraft, dafür jedoch nur 1/ 3 des Prüfweges zur Verfügung. Dies ermöglichte die dynamische Druckprüfung von Gummielementen bis 15-kN. <?page no="51"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 51 Flexibles Low-Cost-Prüfkonzept für ein- und mehrachsige Prüfungen Abb. 12: Prüfauf bau mit Umlenkungshebel In einem weiteren Beispiel wurden die Nutenplatte vollständig entfernt, die Säulen verschoben und Zusatzprofile ergänzt, um einen Fahrradrahmen zu prüfen (Abb. 13). Dieser wurde im Tretlagerbereich drehbar gelagert und eine vertikale Zugkraft an der Hinterachse eingeleitet. Damit wurde eine Nachbildung der vertikalen Krafteinleitung im Tretlagerbereich erreicht. Potenziell ist hierbei zusätzlich auch die Anbindung der zweiten Achse im Lenkkopf bereich möglich. Damit kann eine dynamische Variation der Radlastverteilung während des Versuchs abgebildet werden. Abb. 13: Prüfauf bau Fahrradrahmen 5. Zusammenfassung Flexibel anpassbare Lastrahmen aus Aluminiumprofilen mit leichten Prüfachsen für statische und dynamische Prüfung von Normproben, Bauteilen und Baugruppen sind für Forschungseinrichtungen mit ständig wechselnden Prüfaufgaben unabdingbar. Dafür wurde zunächst ein Prüfkonzept für die an der Hochschule Mittweida anfallenden Prüfaufgaben erarbeitet. Die Auslegung der universellen Lastrahmen erfolgte mithilfe messtechnischer und simulativer Untersuchungen. Während der dreijährigen Betriebszeit konnten bisher keinerlei Probleme in der praktischen Anwendung festgestellt werden. Ein grundsätzlicher Funktionsnachweis und die hohe Anpassbarkeit wurden anhand eines Prüfauf baus mit einem Umlenkhebel und eines Fahrradrahmens demonstriert. Zusammenfassend lässt sich damit schlussfolgern, dass sich das neu entwickelte Lastrahmenkonzept als eine kostengünstige und flexible Möglichkeit für die mechanische Werkstoff- und Bauteilprüfung im praktischen Laboreinsatz bewährt. Literatur [1] DIN EN 1991-1-1/ NA: 2010-12, Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter - Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke - Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke - Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau. Berlin: Beuth, 12/ 2010. [2] W. Grellmann, S. Seidler: Kunststoffprüfung (2.-Aufl.). Carl Hanser Fachbuchverlag, 2011. [3] SincoTec Test Systems GmbH: Produktkatalog, Clausthal-Zellerfeld, 2019. [4] ZwickRoell GmbH & Co. KG: Produktinformation. Servohydraulische Prüfmaschine HC10/ 25kompakt, Ulm, 2019. [5] ZwickRoell GmbH & Co. KG: Produktinformation. Elektro-dynamische Prüfmaschine LTM 5 und LTM 10, Ulm, 2019. [6] Th. H. Erismann: Prüfmaschinen und Prüfanlagen. Hilfsmittel der zerstörenden Materialprüfung, Springer, Berlin, 1992. [7] D. Findeisen: Mechatronisches System Werkstoffprüfmaschine, Materials Testing 51, 2009, No. 9, S.-564-578, 2009. [8] D. Findeisen: Grundlegendes zur Steifigkeit von Werkstoffprüfmaschinen, Materials Testing 59, No.-4, S. 379-385, 2017. [9] item Industrietechnik GmbH: MB Systembaukasten. Der Gesamtkatalog, Solingen, 2016. [10] VDI Richtlinie 2240: Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen: Zylindrische Einschraubverbindungen. Düsseldorf: VDI- Verlag, 2015. <?page no="53"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 53 Entwicklung einer Temperaturwechselkammer für einen 100-kN Shaker Sonderlösung zur flexiblen Verwendung einer Kammereigenkonstruktion an ein Temperiergerät Olaf Nusche TechnoLab GmbH Udo Hartwig TechnoLab GmbH Zusammenfassung TechnoLab ist ein akkreditiertes Testlabor, das Produktqualifizierungen für alle Industriebereiche anbietet: nach dem Motto -vom Handy bis zum Raketentriebwerk-. Das Unternehmen hat seinen Ursprung in der Materialprüfanstalt (MPS) der Firma DeTeWe in Berlin-Kreuzberg und ist seit 28 Jahren als unabhängiges Technologielabor für Qualifizierungen und Schadensanalytik tätig. TechnoLab betreibt zwei Standorte mit insgesamt 2100 qm Räumlichkeiten. Es sind 31 Mitarbeiter beschäftigt, darunter zwei Auszubildende in den Bereichen Mechatronik und Automatisierungstechnik. Um den ständig wachsenden Bedarf der Kunden nach außergewöhnlichen Prüfungen zu decken, hat sich das Unternehmen bereits seit 2001 nicht nur mit der Entwicklung von Testständen, sondern auch mit der kompletten Entwicklung von Prüfequipment beschäftigt, das bis 2015 auch verkauft wurde. Angesichts immer aufwändigerer Tests wurde die Produktion von Equipment 2016 eingestellt. Seitdem erfolgen Entwicklungen „nur“ noch für den Eigenbedarf, um bessere, einfachere und komplexere Prozesse zu ermöglichen, die mit gekauften Anlagen entweder zu teuer oder zu eingeschränkt wären. 1. Einführung Seit den 1970er Jahren werden Schwingungsprüfungen zur Ermittlung von Lebensdauervorhersagen herangezogen. In den 1980er Jahren erkannte die Automobilindustrie, dass die komplexen Zusammenhänge von mechanischer Bewegung und Temperatureinwirkungen (Wärme oder Kälte) realistischen Testszenarien wesentlich näherkommen. Seitdem werden in der Automobilindustrie Vibrationstests hauptsächlich mit überlagerten Temperaturwechseln durchgeführt. Inzwischen gibt es viele Hersteller, die sich auf die Konstruktion solcher Kammern spezialisiert haben. Diese Kammern werden entweder als Standardmodule angeboten oder als sehr individuelle, kostspielige Sonderkonstruktionen, die maßgeschneidert an die Bedürfnisse des Kunden und dessen Shaker angepasst werden. Als Nutzer mit Entwicklungsmöglichkeiten stellt sich immer die Frage: „Make or Buy? “ Bei falscher Entscheidung kann eine Fehlkalkulation kann dazu führen, dass ein Projekt aus dem Ruder läuft und Ressourcen gebunden werden, die anderweitig verwendet werden könnten. Deswegen wurden zunächst Marktrecherchen durchgeführt. Es gibt mindestens fünf Hersteller solcher Kammern. Warum also eine eigene Lösung anstreben? Um diese Überlegungen zu verdeutlichen, sind im Manuskript und im dazugehörigen Vortrag weitere Fragen und Erklärungen präsentiert. 2. Das Konzept Vorab müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden, da sie Einfluss auf die Make-or-Buy-Entscheidung haben: • Gebäude/ Platzbedarf: Fläche, Gebäudehöhe, Traglast • Infrastruktur: Strom, Druckluft, Kühlwasser • Emissionen: Abwärme, Schall, Körperschall • Bedienbarkeit: Equipment wie Kran, Gabelstapler, Portale, verwendete Werkzeuge • Budget: Umsetzungskosten/ Kauf • Beschaffungszeit: Dauer der Beschaffung All diese Punkte müssen sorgfältig abgewogen werden, wenn man überlegt, ein solches Projekt zu starten. Zunächst ist ein Lastenheft zu erstellen. Doch was erfolgt zuerst? Natürlich macht man es sich „einfach“ und fragt bei bestehenden Firmen nach Lösungen. Ernüchternd gesagt, erhält man dann oft „Standardlösungen“, die aufgrund mangelnder Flexibilität schon einmal ausscheiden. Ein Beispiel einer „fertigen“ Lösung hierfür ist ein kleiner Shaker aus unserem Haus, der mit einer Standardkammer ausgestattet ist. Diese Kammer wird mithilfe einer Hebebühne und einem Schienensystem über den Shaker verfahren. <?page no="54"?> 54 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung einer Temperaturwechselkammer für einen 100-kN Shaker Abb. 1: Shaker mit Standardtemperaturkammer (Quelle: TechnoLab GmbH) Nun ist jedoch der Shaker des beschriebenen Projektes viel größer und die Anforderungen unseres Labors sind vielseitiger. Unter anderem wurde die Möglichkeit in Betracht gezogen, die Kammer über dem Shaker so zu gestalten, dass auch komplette Teile größeren Volumens temperiert werden könnten. Solche Lösungen werden beispielsweise bei der NASA bei Satellitentests realisiert, wo ein „Sack“ über das Objekt auf dem Shaker gestülpt und an ein Temperiergerät angeschlossen wird. Anstatt des flexiblen „Sacks“ kann natürlich auch eine kubische Kammer an ein solches Temperiergerät angeschlossen werden. Es wurden also Informationen eingeholt, wer solche Temperiergeräte liefern kann und möchte. Viele Anbieter boten einen Standardklimaschrank mit zwei angeschlossenen Schläuchen und Gebläse an, um eine individuelle Kammer oder Ähnliches zu klimatisieren. Abb. 2: Klimatisierung einer Kammer über Schläuche (Quelle: https: / / www.kunststoffcampus-bayern.de) Der Nachteil dieser Lösung ist die ungenutzte Klimakammer, die ein erhebliches Volumen einnimmt, sowie die Verluste, die durch die Übertragung über den isolierten Schlauch entstehen (Druckverluste durch Knicke, Reibungsverluste an den Schlauchinnenwänden und der Einsatz eines zusätzlichen Ventilators, der die konditionierte Luft vom Klimaschrank absaugt und in das Nutzvolumen einbringt und zurückführt (Kreislauf)). Es wurde ein Unternehmen gefunden, das Sonderlösungen anbietet und das passende Temperiergerät bereitstellen konnte. Insofern war die Make-or-Buy-Frage in diesem Punkt geklärt - wir wollten nicht zum Klimaanlagenbauer werden. Nun fehlte noch die passende Kammer, die an dieses Gerät angeschlossen werden sollte. Um auch hier die Makeor-Buy-Frage zu lösen, wurden Hersteller von Klimaanlagen kontaktiert. Allerdings konnte keiner die passende Lösung bieten, da das Lastenheft eine flexible Lösung vorsah. Die Hauptherausforderungen waren: • Die Kammer sollte leicht sein, um sie mit dem Kransystem über dem Shaker (1000 kg max. Traglast) abheben und wegfahren zu können. • Die Kammer sollte in zwei Teile (Ober- und Unterteil) zerlegbar sein, um schwere Prüfteile mit installierter Unterkammer zu montieren und dann den oberen Teil über die untere Kammer zu setzen und anzukoppeln. • Der Boden sollte für den Standardeinsatz des Shakers in Vertikal- und Horizontallage gleichermaßen verwendbar sein. (In vielen Fällen wird der Kammerboden in zwei Varianten ausgelegt). Der verbliebene Hersteller des Systems gab zu bedenken, dass die Kammer sehr robust gebaut werden muss, da durch die pumpende Luftbewegung die Kammer sonst in Schwingungen versetzt werden könnte, was dazu führt, dass sie sich im Vertikalbetrieb immer mit Luft füllt und dann wieder einen Unterdruck erfährt. Aufgrund des hohen Gewichts und des sechsstelligen Preises für eine solche Kammer wurde die Entscheidung zugunsten der Eigenentwicklung getroffen. Abb. 3: vorhandener Shaker, im Hintergrund (Mitte oben) Temperiergerät (Quelle: TechnoLab GmbH) <?page no="55"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 55 Entwicklung einer Temperaturwechselkammer für einen 100-kN Shaker 3. Umsetzung Was waren nun die Hauptmerkmale, die so eine Kammer haben sollte, bzw., was waren die Umsetzungsherausforderungen? Zunächst ist es einfacher, in einer großen Fabrikhalle mit extrem hoher Bauhöhe und unbegrenztem Platz ein System zu bauen, das den Grundanforderungen einer solchen Kammer entspricht: Nutzraum LxBxH plus Isolation und Gestell ergeben die Außenmaße, und das Gewicht bei großer Kranlast spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Unsere Situation war jedoch eingeschränkter. Zudem diskutierten wir, die Kammer aus unüblichen Materialien zu konstruieren: Warum Stahl oder Aluminium? Dünnes Blech für das Kammerinnen- und Außenleben ist akzeptabel, aber gibt es Alternativen für die statische Konstruktion? Der Einsatz von Carbon wurde in Erwägung gezogen - sehr innovativ und superleicht - jedoch problematisch bei Temperaturen von -60 °C bis +180 °C. Bei -60 °C wird es brüchig, und bei +180 °C erreicht das Epoxidharz seine Erweichungsgrenze. Die Materialwahl fiel auf Paulowniaholz, das auch im Flugzeugbau Verwendung findet. Es ist sehr leicht und bietet eine hohe Stabilität über den gesamten Temperaturbereich. Dank seiner Eigenschaften als Tropenholz zeichnet sich Paulowniaholz durch hohe Festigkeit, Verwindungssteifigkeit und Beständigkeit gegen kurzzeitige Feuchtigkeitseinwirkung aus. Zudem besitzt es ausgezeichnete Isoliereigenschaften und weist eine geringere Längenausdehnung im Vergleich zu Aluminium auf. Abb. 4: Grundgerüst der Kammer (Quelle: TechnoLab GmbH) Das Konzept wurde erweitert mit dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Temperierung aufzuwenden. Daher wurde die Innenverkleidung sehr dünn gestaltet und die Isolation direkt auf dem Holz befestigt. Die Innenverkleidung wurde ebenfalls direkt am Holz angebracht. Vorab wurden Tests zur Wärme- und Kältebelastbarkeit, Verwindungsverhalten, Klebverhalten und Feuchtebeständigkeit durchgeführt. Auch bei der Isolierung wurde auf einen innovativen, neuartigen Schaumstoff zurückgegriffen, der auch im Brandschutz verwendet wird. Es sei angemerkt, dass Materialien aus anderen Branchen oft viel günstiger angeboten werden als in Spezialbranchen. Abb. 5: Wandauf bau der Kammer (Quelle: TechnoLab GmbH) Da die Kammer aus Holz besteht, könnte die Belastbarkeit durch das „Atmen“ des Shakers in vertikaler Richtung beeinträchtigt werden. Der Vertikaltisch hat eine Fläche von 0,8-m² und bei einem maximalen Hub von 75-mm ergibt dies ca. 90-Liter Luft bei niedrigen Frequenzen, die in der Kammer dann unterschiedliche Drücke in sehr kurzer Zeit erzeugen. Aus diesem Grund wurden Luftausgleichskissen am oberen Kammerdeckel installiert, um einen Ausgleich zu schaffen. Um Energieverluste zu vermeiden, sind die Kissen doppelwandig mit Isolation versehen. Abb. 6: Oberteil mit Kissen zum Druckausgleich (Quelle: TechnoLab GmbH) Da die Kammer sehr leicht ist (weniger als 300-kg), konnte ein elektrisches Teleskophubsystem verwendet werden, das die Kammer in die obere Position für den Vertikalbetrieb bringt oder absenkt für den Horizontalbetrieb. Die Kammer ist in einem Gestell montiert, das sie fahrbar über den Shaker positioniert. Vorgabe war der Einsatz durch einen einzigen Bediener. Das Temperiergerät wird neben die Kammer platziert und mittels einer Hebebühne in die Vertikal- oder Horizontalposition gefahren. Dieses „Komplettsystem“ ist ebenfalls auf Schienen zur einfachen Positionierung montiert. Die Anbindung an die Kammer erfolgt durch einen Kompensator, der mit einer pneumatischen Verstellung an die <?page no="56"?> 56 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung einer Temperaturwechselkammer für einen 100-kN Shaker Kammer herangefahren wird, um eine nahezu luftdichte Verbindung beider Komponenten zu gewährleisten. 4. Zusammenfassung Abschließend lässt sich festhalten, dass die Entwicklung und Realisierung der flexiblen Kammereigenkonstruktion für das Temperiergerät eine bedeutende Herausforderung darstellte, die durch innovative Ansätze und Materialwahl erfolgreich gemeistert wurde. Die Entscheidung für Paulowniaholz erwies sich als richtungsweisend, da dieses Material nicht nur leicht und stabil ist, sondern auch exzellente Isoliereigenschaften bietet und sich für die vielfältigen Temperaturanforderungen optimal eignet. Die Integration eines Luftausgleichssystems und die Verwendung eines elektrischen Teleskophubs ermöglichen eine effiziente Nutzung der Kammer sowohl im Vertikalals auch im Horizontalbetrieb, wobei die gesamte Konstruktion auf die Anforderungen eines einzigen Bedieners ausgelegt ist. Diese Lösung unterstreicht die Innovationskraft von TechnoLab bei der Entwicklung maßgeschneiderter Prüfumgebungen, die weit über Standardlösungen hinausgehen und spezifische Kundenbedürfnisse präzise erfüllen. <?page no="57"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 57 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen Massive Werkstoffe für Unterbauten von Prüfständen Dr.-Ing. habil. Bernhard Sagmeister Durcrete GmbH, Limburg an der Lahn, Deutschland Zusammenfassung Beim Bau von Prüfständen für Getriebe oder Antriebe muss der Ingenieur alle Bauteile derart auslegen, dass keine störenden Schwingungen der eingesetzten Komponenten das Messergebnis verfälschen. Insbesondere bei schnell drehenden Elektromotoren werden deshalb dämpfende und steife Unterbauten aus massiven Werkstoffen verwendet. Der Beitrag grenzt zuerst die Eigenschwingungen der Bauteile von der Isolation gegenüber Fußpunkterregungen ab. Danach wird der Unterschied von verfüllten Stahlschweißkonstruktionen zu Mineralguss aus epoxidharz- oder zementgebundenem Beton erläutert und im Detail auf ein Material mit einem E-Modul von 80.000 MPa eingegangen. 1. Abgrenzung Isolierung - Dämpfung Abb.-1: Prüfrahmen von OPVengineering auf Luftfedern gelagert. 1.1 Isolierung gegen Fußpunkterregung Ziel der Isolierung ist es, eine Übertragung von Schwingungen über die Auflagerung zu unterbinden. Diese Abschottungen von Fußpunkterregungen kann zum einen erforderlich sein, um eine Beeinflussung des Testaufbaus durch benachbarte Prüfstände, Transport von Schwergut auf Ameisen oder LKW-Verkehr außerhalb der Halle abzublocken. Die Isolierung verhindert auch die Übertragung von Schwingungen des Versuches auf die Umgebung, was z.B. aus Gründen des Arbeitsschutzes sinnvoll ist. Eine Isolierung kann wie in Abb. 1 dargestellt über Luftfedern [1], alternativ auch mit Stahlfedern, Gummielementen oder Elastomerlager stattfinden. Die Isolierung kann mit einem Dämpfer gekoppelt werden. Die Eigenfrequenz des Komplettsystems aus Masse (Prüfstand) und Feder (Auflagerung) wird in der Regel vereinfacht als Einmassenschwinger berechnet. Der Prüfstand selbst wird dabei als unendlich starrer Körper betrachtet. 1.2 Einfluss der Lagerung auf die Eigenfrequenz Nun ist auch der massive Klotz in Abb. 1 alles andere als unendlich steif. Er verformt sich in sich. Seine Eigenfrequenzen und Eigenmoden werden bestimmt durch seine Masse und Steifigkeit sowie der Auflagerung. Bei einer weichen Auflagerung wie mit Luftfedern können die Eigenfrequenz des Systems mittels einer FEM- Berechnung leicht bestimmt werden. Man rechnet ohne Auflagerung und sortiert die ersten 6-Eigenfrequenzen nahe Null als die Starrkörperverschiebungen aus. Bei festen Auflagern kann keine Verschiebung auftreten und bei allen Eigenmoden muss deshalb die Verformung an den Auflagern Null sein. Das beeinflusst die Anzahl, Reihenfolge und Höhe der Eigenfrequenz beträchtlich. Da die Federsteifigkeit der Lager -- bis hin zur Gründung-meist nicht bekannt ist, empfehlen sich hier Abschätzungen mit unterschiedlichen Randbedingungen. 1.3 Dämpfung des Prüfstandes Die Dämpfung des Prüfstandes ist der Energieabbau und somit des Abklingens der Schwingung innerhalb des Materials. Man erklärt es sich durch Reibung der Moleküle untereinander, wobei die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird. Die Dämpfung verändert zum einen die Eigenfrequenz des Prüfstandes etwas nach oben oder unten, siehe hierzu Abb.-2. Zum anderen sorgt eine hohe Dämpfung dafür, dass beim Durchfahren der Eigenfrequenz die Amplituden nicht unendlich nach oben gehen und die Ausschläge limitiert sind. Je höher die Dämpfung, desto schneller werden die meist ungewollten Schwingungen abgebaut und stören nicht mehr das Messsignal [Abb. 3]. Dieser Effekt ist wichtig, damit bei Werkzeugmaschinen keine Rattermarken entstehen und bei Prüfständen das Messignal ohne Störungen erfasst werden kann. <?page no="58"?> 58 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen Abb.-2: Einfluss der Dämpfung auf Eigenfrequenz und Amplitude des Prüfstandes Abb. 3: Schwingungskurven eines verfüllten Stahlstabs im Vergleich zu einem Aluminiumstab vergleichbarer Eigenfrequenz Nun ist es kein Zufall, dass Glocken aus Bronze oder Stahl hergestellt werden. Nur diese Materialien mit extrem geringer Dämpfung sorgen für den langen Nachhall und schönen Klang. Es ist auch kein Zufall, dass Glocken nicht aus Beton hergestellt werden. Schlägt man sie an, hörte man nur ein dumpfes „Klock“ und schon wären die Schwingungen abgebaut. Dies gilt für alle massive Materialien. Sei es Granit, epoxidharzgebundener Mineralguss, zementgebundener Hochleistungsbeton, oder Quellvergussmörtel, das Niveau der Dämpfungseigenschaften ist vergleichbar [2] und somit für allen massiven Werkstoffe mindestens 10-x höher als bei Stahl und 5-bis-7 mal höher als bei Grauguss, siehe hierzu Tab.1. Tab. 1: Dämpfungswerte [4] und [5] Material Log. Dekr. Λ-[ ] Dämpfungsgrad D-[%] Mineralguss UHPC Polymerbeton 0,02 - 0,03 0,32 - 0,48 Naturstein 0,03 - 0,04 0,48 - 0,64 Nanodur E80 0,02 0,32 Vergussmörtel 0,02 - 0,04 0,32 - 0,64 Grauguss GG 0,003 0,05 Stahl S235 0,002 0,03 Die Messung der Dämpfung nichtmetallischer Materialien streut stark und die Auswertung ist wesentlich von der Wahl der auszuwertenden Bereiche und somit vom Prüfer abhängig. Frequenzmessungen bis etwa 250-Hz sind ganz einfach mit einem modernen Mobiltelefon und einer preiswerten App wie z.B. myFrequency [3] durchzuführen. Nach dieser Selbsterfahrung ist es verständlich, warum der Versuch Dämpfungseffekte zu berechnen fruchtlos ist. 2. Verfüllte Stahlschweißkonstruktionen Verfüllte Stahlschweißkonstruktionen sind bei Prüftischen gängige Praxis. Die Vergussmassen erhöhen die Steifigkeit und die thermische Trägheit, dämpfen Schwingungen und reduzieren die Lärmemissionen. Die robuste metallische Oberfläche kann auch nachträglich gebohrt werden oder neue Anbauteile angeschweißt werden. Abb.-4: verfüllte Stahlweißkonstruktion mit zusätzlichen Bewehrungsstäben Da der Stahlkorpus gleichzeitig die Form ist, ist dies vor allem bei Einzelstücken eine wirtschaftliche und einfache Lösung. Für eine Erhöhung der Steifigkeit und somit Steuerung der Eigenfrequenz, können neben der äußeren Stahlhaut auch innen zusätzliche Bewehrungsstäbe eingeordnet werden, siehe Abb. 4. Es gibt zwei Anbieter von Komplettbauteilen, welche mit eigenen Rezepturen und Mischanlagen verfüllen. Alternativ gibt es viele Schweiß- und Präzisionsbetriebe, die regelmäßig mit Fertigmischungen arbeiten und einfach entsprechende Bauteile herstellen, bearbeiten und lackieren können [Abb. 5]. Diese Fertigvergussmassen werden von mehreren Anbietern entweder auf Basis des Bindemittels Epoxidharz oder als zementgebundenen, selbstverdichtenden Werktrockenmörteln, welche nur mit Wasser angemischt werden, vertrieben. Jeder Ma- <?page no="59"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 59 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen schinenbauer kann mit diesen Do-It-Yourself Materialien mit Hilfe einfachster Mischtechnik z. B. einem Bohrmaschinenquirl selbst verfüllen. Abb.-5: Verfüllen einer Stahlschweißkonstruktion mit Hilfe eines Durchlaufmischers und einer Förderpumpe Sowohl Epoxidharz als auch Zement ziehen sich beim Erhärten zusammen und das Material möchte sich von der Wandung lösen. Bei Epoxidharz erfolgt der Verbund über eine gute Klebewirkung zum Metall, welches entsprechend gestrahlt und entfettet werden muss. Bei zementgebundenen Materialien darf die Innenseite nass und rostig sein. Der Verbund zwischen Füllmasse und Wandung wird zum einen durch einen Quelldruck der Vergussmasse und zum zweiten über angeschweißte Schubnocken sichergestellt [Literatur 6 sowie Abb. 6]. Abb.-6: Schubnocken bei Vergussmassen mit Bindemittel auf Zementbasis Da die Verbundwirkung nicht so einfach zu erfassen ist und auch von der Geometrie des Bauteils abhängt, sind die Eigenfrequenzen verfüllter Stahlschweißkonstruktionen nicht immer sicher vorherzuberechnen und auch die Produktionsqualität unterliegt Schwankungen. Bei Stückzahlen größer 3 wird auch der Stahlmantel teuer und es rechnet sich ein Formenbau. In diesen Fällen lohnt es sich über massive Bauteile aus einer Form nachzudenken. 3. Mineralguss aus der Form Bei Mineralgussbauteilen sei es aus epoxidharzgebundenem Polymerbeton oder zementgebundenem Ultra-High Performance Concrete (UHPC) benötigt man einen professionellen Formenbau, eine leitungsfähige Mischanlage und Know-How. Wenn man nicht mehr als 1 Million EUR für eine derartige Anlagentechnik investieren will, bleibt der Rückgriff auf entsprechende Lieferanten, die derartige Bauteile inkl. Präzisionsbearbeitung und Lackierung fertigen. Die Unterbauten werden kundenspezifisch nach dessen Zeichnungen erstellt. Die Hersteller helfen bei rechnerischer Auslegung, Konstruktion und Detaillierung [7]. Um den Formenbau günstig zu halten, werden bei Unterbauten für Prüfanlagen einfache Holzformen mit geringer Genauigkeit und Lebensdauer verwendet. Alle präzisen Flächen werden als eingegossene Stahlleisten und Stahlplatten abgebildet, welche in einem separaten Arbeitsgang auf Präzision gefräst werden. Spezielle Stahlgüten wie Edelstahl sind problemlos möglich. Gewindehülsen unterschiedlicher Güte, Rohrleitungen für Flüssigkeiten, Leerrohre zur Kabelführung, Temperierungs-, Hydraulik und Pressluftleitungen können im Bauteil integriert werden. Dies gilt auch für Sensoren, z.B. für Temperatur, Dehnungen usw. Auf der Außenseite können Montageschienen für flexible, nachträgliche Befestigungen eingebaut werden [Abb. 7]. Abb.-7: Montageschienen bei Prüfrahmen ÓOPVengineering Abb. 8 zeigt einen fertigen Prüfstand mit T-Nuten auf der Oberseite, um beliebige Prüfanordnungen variabel befestigen zu können. Abb. 9 zeigt die Anordnung von Einbauteilen in einer Form. <?page no="60"?> 60 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen Abb.-8: Fertiger Prüfstand mit T-Nuten Kantenschutzleisten, Staplerschuhe usw. erhöhen die Robustheit der Konstruktion gegen Abplatzen der Kanten bei Schlag oder grober Behandlung. Spezielle Transportanker sorgen für eine sichere Befestigung, siehe hierzu auch Abb.-9. Abb.-9: Form mit Einbauteilen 3.1 Polymerbeton Bei Polymerbeton werden vorab getrocknete Gesteinskörnungen mit Kunstharzen verklebt. Vorrangig wird wegen seiner guten Formbeständigkeit Epoxidharz verwendet. Die Zugfestigkeit ist hoch. Das erhärtete Harz selbst ist eine dünne, weiche Zwischenschicht zwischen den härteren Gesteinskörnungen, so dass die Hersteller rezepturabhängig einen E-Modul zwischen 35.000 bis 45.000 MPa angeben. Da die Harze teuer sind und außerdem den E-Modul negativ beeinflussen, wird versucht die Menge des erforderlichen Klebers auf ca.- 7 %-10 % Volumenprozent zu minimieren. Die Sieblinie des Korngemisches wird deshalb vom Mikrometerbereich bis in den Zentimeterbereich optimiert, um eine möglichst dichte Packung zu erhalten. Da sich bei einer dichten Packung die Körner gegenseitig blockieren, muss die Mischung beim Befüllen der Form intensiv durch Rütteln verdichtet werden. 3.2 UHPC Bei UHPC oder Ultra-High Performance Concrete ist der Kleber Zementleim, eine mögliche Zusammensetzung zeigt Abb.- 10. Bei UHPC werden puzzolanische Teilchen wie Silikastaub, Metakaolin oder fein gemahlener Hüttensand verwendet, welche deutlich kleiner als die ca. 40 bis 60 Mikrometer großen Zementpartikel sind. Diese Teilchen füllen die Zwickel zwischen den Zementkörnern. Durch Fließmittel auf Basis Polycarboxilatether -PCEwird der Wasseranspruch der Mischung und die Dicke des Wasserfilms zwischen den Partikeln reduziert und so der Abstand zwischen den Zementkörnern minimiert. UHPC-Mischungen sind meist selbstverdichtend eingestellt [Abb. 11]. Die Gesteinskörner schwimmen im Zementleim. Die Luft steigt wie bei Wasser selbständig nach oben auf und es werden keine Rüttler benötigt. Die reinen Materialkosten sind bei UHPC geringer als bei epoxidharzgebundenem Polymerbeton. Eine Temperaturbeständigkeit ist von -40 °C bis ca. +140 °C gegeben. Abb.-10: Bestandteile von UHPC Nanodur E45 4. Berechnungen Monolithische Mineralgusskörper werden mittels der FE-Methode unter Nutzung von Volumenelementen berechnet, siehe auch Abb. 12. Da im Maschinenbau das Auftreten eines Risses dem Versagen des Bauteils entspricht, kann das Material linear elastisch (entsprechend dem Hookeschen Gesetz) angenommen werden. Benötigt werden also für die Berechnung nur die Dichte, der E- Modul und die Querdehnzahl, siehe hierzu Tab.-2. Stahlplatten und Einleger sind derart monolithisch mit dem Mineralguss verbunden, dass der Verbund zu 100 % angenommen wird. <?page no="61"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 61 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen Abb.-11: Gießen von UHPC Nanodur E45 Tab. 2: Vergleich E-Modul und Rohdichte Material E-Modul [Mpa] Querdehnzahl μ [-] Dichte [to/ m³] Polymerbeton 35-45.000 0,25-0,30 2,3-2,4 UHPC E45 45.000 0,20 2,5 Naturstein 90-100.000 0,11-0,25 2,9 3,0 Nanodur E80 84.500 0,20 2,8 Vergussmasse durfill 32.000 0,20 2,3 Grauguss GG 80-185.000 0,20-0,30 7,2-7,4 Stahl S235 210.000 0,30 7,8 Abb.-12: Beispiel einer Modalanalyse mit FEM 5. Nanodur E80 Ca. 50 % des E-Moduls wird bei Beton vom Leim bestimmt, weitere 50 % durch die Härte der Gesteinskörnung. Der deutsche Zementhersteller Dyckerhoff hat eine Mischung entwickelt, bei der die üblichen natürlichen Gesteinskörnungen wie Basalt durch eine industriell hergestellte, gebrannte Gesteinskörnung [Abb.13] ersetzt wird. Damit ist es möglich, den E-Modul dieses Spezial- UHPCs auf über 80.000-MPa zu erhöhen. Das Ergebnis ist ein natursteinähnlicher Werkstoff, der in Formen gegossen wird und kalt erhärtet. Bei gleichen Abmessungen wird somit die Steifigkeit der Bauteile um rund 50 % erhöht und entspricht massiven Blöcken aus Aluminium. Damit werden auch die Verformungen entsprechend minimiert und die Eigenfrequenz maximiert. Viele Hersteller von Prüfständen für die E-Mobilität setzen auf das einzigartige Material, um die Eigenfrequenzen der Prüfstände jenseits von 25.000-rpm oder >-400-Hz (Beispiel siehe Abb.-14) oder sogar >-600-Hz (Beispiel siehe Abb- 7) zu bringen, welche im Antrieb von E-Motoren von PKWs auftreten. Dabei sind auch großformatige Bauteile bis über 10-m Länge und bis zu 100-Tonnen Gewicht möglich. Die technischen Vorteile sind bei dieser Anwendung so überzeugend, dass bei diesem Anwendungsfall auch für Losgröße „1“ die hohen Kosten des Formenbaus in Kauf genommen werden. Abb.-13: Künstlicher Zuschlag durigid Abb.-14: Fertiger Prüfstand mit Nanodur E80 am Beispiel Horiba [8] Literatur [1] Toebe Bernhard: Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandsbetrieb am Beispiel der Schwingisolation, Fachtagung TestRig 2024, TAE Esslingen 18.9.2024, Ostfildern, Expert Verlag 2024. [2] Sagmeister B.: Thema: Massive Maschinenelemente - Ein Vergleich zwischen Naturstein, Mineralguss und UHPC, Werkstoffe in der Fertigung 04/ Juli 2023, HW-Verlag, Mering, ISSN 0939-2629/ 8 25800. <?page no="62"?> 62 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Verbesserte Dämpfung und Steifigkeit bei Prüfrahmen [3] APPtodate, Berlin, Zugriff Mai 2024: https: / / myfrequency.jimdofree.com/ english/ myfrequency/ [4] Jackisch Utz-Volker: Mineralguss für den Maschinenbau, verlag moderne industrie, Die Bibliothek der Technik, Band 231, 2015, München. [5] Sagmeister B.: Maschinenbauteile aus zement-gebundenem Beton, DIN, Beuth Verlag, Berlin 2017. [6] Sagmeister B.: Thema: Verfüllte Maschinenbauteile - Materialauswahl und Konstruktionshinweise, Werkstoffe in der Fertigung 06/ November 2023, HW-Verlag, Mering, ISSN 0939-2629/ 8 25800XYZ. [7] durcrete GmbH: Webinar 1 bis 10 auf www.youtube.com/ durcrete [8] Horiba Automotive: Brochüre TITAN eDrive, 2023. <?page no="63"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 63 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation Bernhard Toebe FABREEKA GmbH, 64572 Büttelborn, Deutschland Zusammenfassung 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. In Wohn- und Mischgebieten in der Nähe von Industrieanlagen entstehen eventuell unerwünschte oder auch unzulässig starke Erschütterungen, welche sogar zum Erlöschen der Anlagenund/ oder Betriebsgenehmigung führen können. 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. Durch Schwingungen steigt der sekundäre Luftschall, da Bauteile wie Decken oder Wände dadurch angeregt werden. In konstruktiven Bauteilen treten oft Schäden wie z.B. Risse in Decken, Wänden und Böden auf. 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, gegeben als Schwingwege, Schwinggeschwindigkeiten oder -beschleunigungen, gehen auf die Maschine oder Anlage in reduzierter Form über. [1] In der Praxis nennt man ein aktives System oder aktiven Isolator oft fälschlicherweise auch selbst nivellierende Isolatoren. Passive Isolatoren werden nicht selten mit einfachen Elastomer-Lagern verwechselt. Quellerregung Empfangserregung 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 Messergebnissen 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 VDI 2057 [5] „Einwirkungen mechanischer Schwingungen auf Menschen“ Empfindliche Mess- und Produktionsgeräte können durch die Empfangserregung in ihrer Funktion gestört werden. Die Maximalimmissionen können der Hersteller-Betriebsanleitung oder den VC-Kurven (Vibration-Criteria, VC-Linien) entnommen werden. [6] Grundsätzlich sollten bei solchen Maschinen am geplanten Aufstellungsort Schwingungsmessungen durch Fachfirmen durchgeführt werden. <?page no="64"?> 64 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation 3. Systeme der Isolation Luftfeder Einkammer 0,6 - 1,3 Hz Membranluftfeder 1,5 - 2,7 Hz Stahlfeder 2,5 - 6 Hz [B1] Gummi-Metall-Isolatoren > 4,5 Hz [B2] Elastomerplatten > 6 Hz 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 Auf bau eines Prüfstandes eignen sich vorwiegend Eisen-Gussplatten im Werkstoff EN- GJL oder EN-GJS. Durch die vorhandene Nutzung nach DIN 650 [7] und einer Oberflächenbearbeitung nach DIN 876/ III [8] lassen sich Prüflinge und Aktuatoren einfach verschieben und befestigen. Durch das hervorragende Dämpfungsvermögen, hohe Belastbarkeit und einer relativ hohen Eigenmasse (Dichte 7200 kg/ m³) hat sich der Werkstoff EN-GJL-250 (GG25) [9] seit vielen Jahren bewährt. 4.1 Aufspannplatten können als Module im standardisierten Raster von 500-mm (ab einer Plattengröße von 2 × 1-m) 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. <?page no="65"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 65 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation [B4] Für das notwendige Masse-Federsystem hat sich die Faustformel „Masse des Prüfstandes ist 100-mal bewegte Masse“ als Abschätzung durchgesetzt. Eine ingenieurtechnische Bewertung durch einen Baudynamiker ist jedoch empfehlenswert. [B5] 4.2 Kombination aus Spannplatte und Stahlbeton Wird die notwendige Masse nicht erreicht, kann diese durch eine Kombination mit Stahlbeton (StB) realisiert werden. StB eignet sich hier ebenfalls als Tragstruktur. Diese Kombination ist in Fällen notwendig großer Massen sehr wirtschaftlich, jedoch mit erhöhtem bautechnischem Aufwand verbunden. Ein geeignetes Verankerungssystem ist hier einzuplanen. Beton-Fertigteile sind oft eine Option. [B6] Geeignete Ankersysteme zur Befestigung der Spannplatte auf StB sind in Schal- und Bewehrungs-pläne einzuplanen. [B7] [B8] <?page no="66"?> 66 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation [B9] 4.3 Zementgebundener Mineralguss und Stahl- Verbundwerkstoff Anwendungsoptimierte Materialrezepturen sorgen für eine individuelle Anpassung des Bauteils an die Prüfanforderung. Der Formgebung des Bauteils sind kaum Grenzen gesetzt. Steifigkeit, Dämpfung und Bauteilgewicht sind variabel. Prüflingsaufnahmen z.B. Spannschienen, Aussparungen und Leistenkanäle sind im Vorfeld konstruktiv einzuplanen und beeinflussen die Bauteileigenschaften nur gering. 4.3.1Mineralguss Ultra-High Performance Concrete Sowohl epoxidharzgebundener Polymerbeton als auch zementgebundener Ultra-High-Performance Concrete -UHPC wird ausschließlich in spezialisierten Werken verarbeitet. Hierzu ist neben einer industriellen Mischanlage eine Form oder Schalung notwendig. Wenn diese für mehrere Abgüsse ausgelegt ist, wird bei größeren Stückzahlen eine beachtliche Wirtschaftlichkeit erzielt. [B11] 4.3.2 Verbundwerkstoff Stahl und Mineralguss Bei diesem kombinierten Verfahren dient die Stahlstruktur als tragendes Element und gleichzeitig als Schalkörper. Eine gewünschte Aufspannfläche kann somit leicht integriert werden. [B12] Einzelanfertigungen in spezialisierten Herstellbetrieben sind wirtschaftlich und die Bauweise erlaubt auch nachträgliche Änderungen. Für eine Do-It-Yourself -Verfüllung für vorhandene Stahlschweißkonstruktionen, welche aus Gründen der Stabilität und Steifigkeit nachträglich ausgefüllt werden müssen, bietet der Markt hochfeste, selbstverdichtende, zementgebundene Mineralguss-Materialien an. Alle notwendigen Arbeiten können ohne Spezialkenntnisse direkt beim Endkunden mittels handelsüblicher Werkzeuge z.B. mit einem Bohrmaschinenquirl und ohne Rütteln ausgeführt werden. [B13] Eine signifikante Erhöhung der Eigenfrequenzen infolge einer nachträglichen Verfüllung ist bei den derzeit gebräuchlichen Aufspannplatten (auf Epoxidharz - oder Zementbasis) nicht zu erwarten. Bis Vergussmassen mit einem höheren E-Modul verfügbar sein werden, stellt das schubfeste Aufschrauben einer Stahlplatte auf der Unterseite die einfachste Lösung zur Steuerung der Eigenfrequenz dar. Allerdings ist für zahlreiche Anwender die Eigenfrequenz nicht von Belang, da bei zahlreichen Prüfanordnungen das Durchfahren der Eigenfrequenzen nicht zu vermeiden ist. In jedem Fall wirkt sich das Verfüllen positiv aus, da die hohe Dämpfung der mineralischen Verfüllmasse zu einer deutlichen Dämpfung der Spitzenamplituden und einer effektiven Begrenzung der Ausschläge führt. <?page no="67"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 67 Aktuelle Trends und Entwicklungen im Bereich Prüfstandsbau und Prüfstandbetrieb am Beispiel der Schwingisolation Regelsystem die Eigenfrequenz der Luftfedern anzupassen. 5. Adaption der Luftfederfrequenzen auf Prüfprofile Die Regelsysteme der Aktuatoren sind mit allen gängigen Prüfprofilen vertraut und somit in der Lage, vor Beginn des Tests über das Regelsystem die Eigenfrequenz der Luftfedern anzupassen. (Frequenzumschaltung/ angepasste Frequenz). Dies ist sogar im Rahmen laufender Testprozesse, beispielsweise im Falle eines Rauschens, durchführbar. Zufällig eingeleitete Shocks werden mit der angepassten Eigenfrequenz der Feder optimal isoliert. 6. Aus der Praxis Korrosion der Aufspannplatte vermeiden/ entfernen Prüfstände zur Umweltsimulation sind besonderen Bedingungen ausgesetzt. Tauwasserbildung oder Salzsprühnebel fördern Korrosionen an der Aufspannplatte. Zur Vermeidung können Sphäroguss-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 Spezialschmierstoffen Korrosionsschutzmittel auf pflanzlicher Basis 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. [B14] Quellennachweise: [1] VDI 2062 Blatt 1 - 2011-05 Schwingungsisolierung - 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 Einwirkungen. [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. [B11] OPV Engineering GmbH 76227 Karlsruhe. [B12] framag Industrieanlagenbau GmbH 4873 Frankenburg/ AT. [B13] durcrete GmbH 65549 Limburg an der Lahn. [B14] Ox4S GmbH 32351 Stemwede. <?page no="69"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 69 Neue Dimensionen in der Schwingfestigkeitsprüfung Ein biaxialer Prüfstand für große geschweißte und additiv gefertigte Bauteile Georg Klenk M.Eng. SFI Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart, Deutschland Tim Fritschle M.Sc. Materialprüfungsanstalt (MA) Universität Stuttgart, Deutschland Dr.-Ing. Alexander Hobt FORM+TEST Seidner & Co. GmbH, Deutschland Dr.-Ing. Martin Werz SFI Materialprüfungsanstalt (MPA) Universität Stuttgart, Deutschland Zusammenfassung Die Verwendung hochfester Feinkornbaustähle ermöglicht leichtere und schlankere Tragwerke, stellt jedoch erhöhte Anforderungen an die schweißtechnische Verarbeitung. Besonders Schweißnähte sind unter Ermüdungsbeanspruchung anfällig für Versagen, was durch Kerbwirkungen und Schweißeigenspannungen bedingt ist. Umfangreiche Untersuchungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass herkömmliche Festigkeitshypothesen die Lebensdauer unter mehrachsiger Beanspruchung teils erheblich überschätzen [1], [2]. Das Forschungsvorhaben „RESSiS“ widmet sich daher der Untersuchung der Schwingfestigkeit großer geschweißter Bauteile. Ziel ist die Entwicklung erweiterter Festigkeitshypothesen zur besseren Beschreibung mehrachsiger Materialermüdung. Hierfür wurde ein Prüfstand mit Lasten bis zu 1 MN konzipiert. Spezielle Kreuzproben ermöglichen eine umfassende Bewertung der Schweißnahtqualität unter dynamischen Belastungen. Der neue Prüfstand erlaubt Tests sowohl standardisierter Proben als auch realistischer Bauteile, was neue Perspektiven für die Leistungsbewertung von Schweißkonstruktionen eröffnet. Zudem werden mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) gefertigte Übergangsdetails geprüft, um Einblicke in das Verhalten additiv gefertigter Strukturen unter realen Bedingungen zu gewinnen und die Technologie weiterzuentwickeln. 1. Leichtbaupotenzial geschweißter Stahlkonstruktionen Die Verwendung von Feinkornbaustählen mit höheren Festigkeiten ermöglicht die Realisierung schlankerer Tragwerke bzw. Schweißkonstruktionen mit reduziertem Eigengewicht. Seit etwa 40 Jahren sind niedriglegierte hochfeste Feinkornbaustähle mit Festigkeiten von bis zu 1300 MPa auf dem Markt verfügbar. Diese hochfesten Feinkornbaustähle stellen jedoch hohe Anforderungen an deren schweißtechnische Verarbeitung, obwohl das Schmelzschweißen dieser Werkstoffgruppe grundlegend bis zu einer Festigkeitsklasse von 960 MPa genormt ist. Das Versagen geschweißter Stahlstrukturen erfolgt in der Regel im Bereich der Schweißnähte - speziell bei Ermüdungsbeanspruchungen. Die Schwingfestigkeit der Schweißverbindung ist dabei im Vergleich zum Grundwerkstoff sehr stark abgemindert und damit in vielen Fällen für die Dimensionierung der Konstruktion maßgeblich. Dies liegt hauptsächlich an den durch Kerbwirkung hervorgerufenen Spannungskonzentrationen am Schweißnahtübergang sowie den hohen Zugeigenspannungen, welche sich aufgrund des hohen thermischen Gradienten beim Schweißen einstellen. Die Erhöhung der Schwingfestigkeit lässt sich daher maßgeblich sowohl durch konstruktive Maßnahmen als auch durch Optimierung der Prozesstechnik und geeignete Auswahl der Werkstoffe und Schweißzusätze erreichen. Jedoch haben umfangreiche Untersuchungen der letzten Jahre gezeigt, dass die Lebensdauer von Stahlschweißverbindungen unter mehrachsiger, nicht proportionaler, Beanspruchung bei der Anwendung konventioneller Festigkeitshypothesen wie z.B. der Gestaltänderungsenergiehypothese (GEH) zum Teil überschätzt wird und diesbezüglich dringender Forschungsbedarf besteht [1], [2]. Insbesondere das im Bauingenieurbereich häufig eingesetzte Nennspannungskonzept berücksichtigt keine komplexen mehrachsigen Spannungszustände und führt teilweise zu nicht konservativen Ergebnissen mit entsprechend hohen Sicherheitsrisiken, obwohl die Anwendung in den Regelwerken nicht ausgeschlossen wird. Daher besteht nicht nur auf der Seite von Konstruktion und Fertigung Handlungsbedarf, sondern auch auf der Seite der Le- <?page no="70"?> 70 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Neue Dimensionen in der Schwingfestigkeitsprüfung bensdauerbewertung mittels geeigneter Methoden. Nur bei korrekter Beschreibung des Versagensprozesses kann eine Optimierung der Konstruktion ohne Einbußen für die Sicherheit des Bauteils erfolgen. 2. Mehrachsige Ermüdungsbeanspruchung Die Ermüdungsbeanspruchung von Schweißverbindungen ist ein komplexes Phänomen, das von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird. Klassisch werden Ermüdungsbewertungen oft auf Basis von einachsigen Belastungstests durchgeführt, die jedoch nicht immer die tatsächlichen Betriebsbedingungen widerspiegeln. In realen Anwendungen sind Bauteile meist mehrachsigen Belastungen ausgesetzt, was die Notwendigkeit einer umfassenderen Untersuchung und Bewertung der Ermüdungsfestigkeit unter solchen Bedingungen verdeutlicht [3]. Bei mehrachsigen Ermüdungsbeanspruchungen spielen die Proportionalität der Lasten und deren Phasenverschiebung eine entscheidende Rolle. Proportionale Belastungen treten auf, wenn die Hauptspannungen in konstanten Verhältnissen zueinander stehen und sich in gleichen Phasen ändern. Ein Beispiel hierfür sind Druckbehälter, welche in Längs- und Umfangsrichtung proportionale Beanspruchungen erfahren. Eine Phasenverschiebung ist in diesem Fall nicht möglich. Im Gegensatz dazu sind nichtproportionale Belastungen durch wechselnde Spannungsverhältnisse und Phasenverschiebungen charakterisiert, was zu komplexeren Spannungszuständen führt. Dieser Zustand stellt sich z.B. in komplexen Stahlbauanschlüssen aber auch durch Überlagerung von konstanten Eigenspannungen mit einer Schwingbeanspruchung ein. Diese Bedingungen können die Lebensdauer und das Versagensverhalten von Schweißverbindungen erheblich beeinflussen [1],[2]. Um die mehrachsige Materialermüdung adäquat beschreiben und berechnen zu können, werden verschiedene Festigkeitshypothesen angewendet. Traditionelle Hypothesen wie die von Haigh, Goodman oder Gerber basieren auf einachsigen Spannungszuständen und berücksichtigen somit auch keine Phasenverschiebung [4]. Fortgeschrittenere Konzepte, wie die Methode der kritischen Schnittebenen versuchen die Wechselwirkungen der Spannungszustände zu erfassen indem sie die am meisten beanspruchte Stelle innerhalb eines Bauteils identifizieren und bewerten [5], [6]. Auf bauend auf der Methode der kritischen Schnittebenen wurde an der MPA Universität Stuttgart, in [5] und [7], das MPA Advanced Integrated Multiaxial Fatigue Life Konzept (MPA AIM-Life) entwickelt. Das in MATLAB und Python programmierte AIM-Life-Konzept ist ein Werkzeug zur Bewertung der Lebensdauer von Bauteilen, welche zyklischen Belastungen ausgesetzt sind. Die lokalen elastisch-plastischen Spannungs-Dehnungs-Tensoren von einem oder mehreren kritisch beanspruchten Materialpunkten werden mittels Finite-Elemente-Analysen und der Methode der kritischen Schnittebenen analysiert. Dafür werden geeignete zyklische Materialmodelle verwendet, um den Spannungszustand von Proben und Bauteilen unter komplexer Ermüdungsbelastung vorherzusagen [7]. Das AIM-Life-Konzept zeichnet sich durch eine modulare Struktur aus, siehe Abb. 1. Die verwendeten Festigkeitshypothesen werden mittels experimenteller Ermüdungstests an Proben oder Bauteilen verifiziert. Aufgrund der modularen Struktur des AIM-Life-Konzepts können zusätzliche Festigkeitshypothesen hinzugefügt und gegenübergestellt werden. Abb. 1: Struktur des MPA AIM-Life Verfahrens zur Bewertung komplexer Ermüdungsbeanspruchung Eine umfassende Bewertung der Ermüdungsfestigkeit unter mehrachsigen Belastungen erfordert die Berücksichtigung von Faktoren wie Spannungsamplituden, Mittelspannungen, Phasenverschiebungen und die Richtung der Hauptspannungen. Doch auch Effekte, wie die Stützwirkung duktiler Werkstoffe sowie die durch den Schweißprozess hervorgerufenen Eigenspannungen sind zu berücksichtigen. Diese Aspekte sind entscheidend für die Entwicklung erweiterter Festigkeitshypothesen, die die mehrachsige Ermüdung realistischer und genauer vorhersagen können. Im Verbundvorhaben RESSiS wird das MPA AIM-Life Konzept hinsichtlich der Anwendung weiterer Ansätze zur Ermittlung von erweiterten Schädigungsparametern weiterentwickelt. Die so berechneten Lebensdauern werden den experimentellen Ergebnissen gegenübergestellt. Die Stützwirkung duktiler Werkstoffe sowie die durch den Schweißprozess hervorgerufenen Eigenspannungen werden dabei numerisch und experimentell berücksichtigt. Die Anwendung der Methodik erfolgt am Beispiel von zyklisch belasteten Mock-ups auf einem biaxialen Zugprüfstand. 3. Optimierung der Ermüdungsfestigkeit Bei der Optimierung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen spielen geometrische und materielle Kerben, die Materialeigenschaften wie Duktilität und Streckgrenze sowie Eigenspannungszustände für die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von Bauteilen eine kritische Rolle. Geometrische Kerben entstehen durch die Formgebung der Schweißnaht und die angrenzenden Bereiche und führen zu Spannungskonzentrationen, die die lokale Beanspruchung und damit die Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung signifikant beeinflussen [1], [2]. Durch die Optimierung der Schweißnahtgeometrie, wie beispielsweise durch das hochfrequente Hämmern oder formgeschweißte Übergangsdetails, kann die Kerbwirkung reduziert werden. Materielle Kerben resultieren <?page no="71"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 71 Neue Dimensionen in der Schwingfestigkeitsprüfung aus Inhomogenitäten im Materialgefüge, die durch den Schweißprozess entstehen und durch Gefügeumwandlungen und unterschiedliche Abkühlraten im Schweißbereich verursacht werden [8]. Eine Optimierung der Schweißparameter sowie eine gezielte Vor- und Nachbehandlung der Schweißnähte können die Ausprägungen dieser materiellen Kerben minimieren [2], [8]. Neben der Schweißnahtnachbehandlung kann auch die Schweißnahtvorbehandlung im Sinne einer Vorwärmung die entstehenden Gefüge maßgeblich beeinflussen. Zu den gängigen Verfahren gehört das Vorwärmen der Grundwerkstoffe mithilfe einer Flamme, um die Abkühlraten zu kontrollieren. Im Projekt wird eine dem Schweißbrenner vorlaufende Induktionserwärmung untersucht. Die vorlaufende Induktionserwärmung der Bauteile soll eine Reduzierung der Lichtbogenleistung ausgleichen und so dazu beitragen, dass geringere Temperaturgradienten während des Schweißprozesses auftreten. In [9] wurde gezeigt, dass sich eine lokale induktive Vorwärmung von Schweißnähten positiv auf die Härteeigenschaften und die Anfälligkeit für Kaltrisse auswirken kann. Die Verbesserung der Duktilität und die Steigerung der Homogenität des Schweißgutes in Verbindung mit reduzierten Schweißeigenspannungen könnte wiederum zu einer Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit der Schweißverbindung führen. Im Vorhaben wird die induktive Vorwärmung der Schweißnaht untersucht um die Auswirkungen auf die Ermüdungsfestigkeit zu quantifizieren. Das hochfrequente Hämmern (High Frequency Mechanical Impact, HFMI) ist eine Nachbehandlungsmethode, bei der die Schweißnaht mechanisch bearbeitet wird, um Druckeigenspannungen einzubringen und die Kerbwirkung zu reduzieren. Untersuchungen haben gezeigt, dass HFMI die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen signifikant verbessern kann [10], [11], [12]. Diese Methode führt zu einer Verfestigung der Schweißnahtoberfläche und einer gleichmäßigeren Spannungsverteilung, was die Lebensdauer der Verbindung unter zyklischen Belastungen verlängert. Besonders bei hochfesten Stählen kann durch HFMI die Ermüdungsfestigkeit signifikant gesteigert werden [13]. Im Rahmen dieses Vorhabens wird die Anwendung von HFMI auf Schweißverbindungen speziell unter biaxialen Spannungen untersucht, um die potenziellen Verbesserungen in Bezug auf die Ermüdungsfestigkeit systematisch zu erfassen und die Effekte dieser komplexen Spannungszustände besser zu verstehen. Eine innovative Methode zur Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit ist der Einsatz von Schweißzusatzwerkstoffen mit niedriger Martensitumwandlungstemperatur (Low Transformation Temperature, LTT). Diese Werkstoffe sind so konzipiert, dass sie beim Abkühlen aufgrund der Gefügeumwandlung Druckeigenspannungen erzeugen, welche den schweißinduzierten Eigenspannungen entgegenwirken [8]. Der Einsatz von LTT-Zusatzwerkstoffen hat sich als äußerst effektiv erwiesen, um die Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen zu erhöhen. Im Rahmen dieses Vorhabens wird die Anwendung von LTT-Zusatzwerkstoffen unter biaxialen Spannungen untersucht, um die Wirkung dieser Werkstoffe auf die Ermüdungsfestigkeit in komplexen Spannungszuständen systematisch zu erfassen. Die Optimierung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißverbindungen erfordert eine ganzheitliche Betrachtung und Kombination verschiedener Methoden. Durch die Reduktion von Eigenspannungen und die Minimierung der Kerbwirkung können signifikante Verbesserungen erzielt werden. Die Vor- und Nachbehandlung der Schweißverbindungen sowie der Einsatz von innovativen Zusatzwerkstoffen wie LTT bieten vielversprechende Ansätze, um die Lebensdauer und Zuverlässigkeit von geschweißten Bauteilen zu erhöhen. Zukünftige Forschungsarbeiten im Rahmen des Projekts RESSiS werden diese Techniken weiterentwickeln und deren Anwendung in der Praxis optimieren, um die Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit im Stahl- und Schwermaschinenbau zu verbessern. 4. Biaxialer Prüfstand Um erweiterte multiaxiale Festigkeitshypothesen in einem großen Maßstab zu verifizieren, müssen experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden. In der ersten Projektphase werden die experimentellen Lebensdaueruntersuchungen zunächst an einachsigen Prüfmaschinen durchgeführt. Um die Schwingfestigkeit auch biaxial, mit asymmetrischen Belastungen dynamisch untersuchen zu können muss jedoch ein Prüfstand mit ausreichend hohen Prüflasten konzipiert und gebaut werden. Um die Anforderungen hinsichtlich ausreichendem Prüfraum und Lastbereich zur Prüfung entsprechender Mockups zu ermöglichen, wird eine biaxiale Prüfmaschine mit einem Prüfraum von 1m x 1m und einem Lastbereich bis 1 MN gemeinsam von Form+Test und der MPA konzipiert, von Form+Test entwickelt und an der MPA in Stuttgart aufgebaut. Als Herausforderung stellt sich hier insbesondere die Weiterentwicklung entsprechender Regelalgorithmen und der Reglerstruktur dar. Zur Messung der Probendehnung, -verformung und -verschiebung kommt ein Videoextensometer zum Einsatz. Dies ist Voraussetzung, um für die experimentelle Absicherung den Spannungszustand großflächig in verschiedenen Konfigurationen abbildbar zu machen. Dank des großzügig dimensionierten Bauraums und austauschbaren Probenhaltern lassen sich nicht nur standardisierte Proben, sondern auch reale Bauteile prüfen. Diese Möglichkeit zur Durchführung von Bauteilprüfungen eröffnet neue Perspektiven für die Bewertung der Tragfähigkeit und Zuverlässigkeit von Schweißkonstruktionen in Anwendungsszenarien, die weit über die bisherigen Standardtests hinausgehen. 5. Probengeometrie Im Rahmen des Projekts wurden spezielle Kreuzproben entwickelt, um Schweißnähte unter mehrachsig proportionalen und nicht proportionalen dynamischen Belastungen zu prüfen. Diese Proben ermöglichen eine umfassende Bewertung der Schweißnahtqualität unter realitätsnahen Belastungsbedingungen. Die Probengeometrie wurde in Anlehnung an ISO 16842, welche die biaxiale Zugprüfung mit einer kreuzförmigen Probe beschreibt, festgelegt und an die spezifischen <?page no="72"?> 72 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Neue Dimensionen in der Schwingfestigkeitsprüfung Prüfrandbedingungen angepasst, siehe Abb. 2. Die Geometrie des Probekörpers gewährleistet eine homogene Spannungsverteilung und ermöglicht die präzise Messung der biaxialen Spannung. Dies ist entscheidend, um die tatsächliche Belastbarkeit und das elastisch-plastische Verformungsverhalten von Blechmetallen unter verschiedenen Spannungs- oder Dehnratenverhältnissen zu bewerten [14]. Abb. 2: Kreuzprobe (Position der Schweißnaht in Rot) Ein weiterer Vorteil der entwickelten Kreuzproben liegt in ihrer Fähigkeit, frei von unerwünschten Verformungen zu bleiben, wie sie beispielsweise bei der hydrostatischen Wölbprüfung auftreten können [14]. Dies trägt zur Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messergebnisse bei. Zudem sind die Proben einfach herzustellen, da sie aus flachen Metallblechen durch Verfahren wie Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden gefertigt werden können. Die Verwendung dieser Probenform ermöglicht es, Normal- und Scherspannungen relativ gleichmäßig über die Schweißnahtlänge zu verteilen. Im neu entwickelten Prüfstand können so die mechanischen Eigenschaften der Schweißverbindungen untersucht und erweiterte oder neue Festigkeitshypothesen in einem realitätsnahen Maßstab verifiziert werden. Dies stellt sicher, dass die gewonnenen Daten eine hohe Relevanz und Anwendbarkeit für die Praxis haben und zur Verbesserung der Schweißnahtqualität und der strukturellen Integrität beitragen. 6. Danksagung Das Verbundvorhaben RESSiS wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages im Rahmen des Technologietransfer-Programm Leichtbau (TTP LB) unter dem Förderkennzeichen 03LB2059A unterstützt. Literaturverzeichnis [1] P. Rettenemeier, Bewertung von geschweißten Kranbahnen unter mehrachsiger Ermüdungsbeanspruchung durch Radlasten, Dissertation, Universität Stuttgart, 2015. [2] A. Oßwald, M. Werz und S. Weihe, „Entwicklung und Validierung eines Konzepts zur Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißnahtenden,“ in DVS Congress, Essen, 2021. [3] W. Findley, „A Theory for the Effect of Mean Stress on Fatigue of Metals Under Combined Torsion and Axial Load or Bending.,“ Journal of Engineering for Industry 81, p. 301-306, 1959. [4] Beden, S.M., Abdullah, S., Ariffin, A.K., Al-Asady, N.A., Rahman, M.M. (2009). Fatigue life assessment of differentsteel-based shell materials under variable amplitude loading, Eur. J. Sci. Res., 29(2), [5] T. FESICH, Festigkeitsnachweis und Lebensdauerberechnung bei komplex mehrachsiger Schwingbeanspruchung, VDI-Forschrittsberichte, Reihe 5, Band 748, 2012. [6] P. Rettenmeier, K.-H. Herter, X. Schuler und T. Fesich, „Application of advanced Fatigue Damage Parameters in comparison with Fatigue Analysis included in Codes and Standards.,“ in Proceedings of the ASME 2014 Pressure Vessels & Piping Conference, Paper No. PVP2014-28379, 2014. [7] T. FESICH, K.-H. HERTER, E. ROOS und X. SCHULER, „Untersuchungen zur Anwendung der Festigkeitshypothesen bei schwingender Beanspruchung im Rahmen rechnerischer Festigkeitsnachweise,“ Reaktorsicherheitsforschung - Vorhaben- Nr. 1501355, IMWF (Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeitslehre) Universität Stuttgart, 2012. [8] A. Kromm, Dissertation - Umwandungsverhalten und Eigenspannungen beim Schweißen neuartiger LTT Zusatzwerkstoffe, Berlin: BAM-Dissertationsreihe - Band 72, 2011. [9] Moschinger, M., Vauderwange, T. & Enzinger, N. Plasma wire arc additive manufacturing and its influence on high-carbon steel substrate properties. Weld World (2024). https: / / doi.org/ 10.1007/ s40194-024-01717-5 [10] G. B. Marquis und Z. Barsoum, IIW Collection - IIW Recommendations for the HFMI Treatment, Singapur: Springer-Verlag, 2016. [11] DASt Richtlinie 026, Ermüdungsbemessung bei Anwendung höherfrequenter Hämmerverfahren, 2019. [12] L. M. S. M. Gerster P., „Praktische Anwendungen eines höherfrequenten Hämmerverfahrens (PIT) in der Industrie,“ in Proceedings of the Join-Ex Congress, Vienna/ Austria, 2012. [13] J. Berg, „Einfluss des Höherfrequenten Hämmerns auf die Ermüdungsfestigkeit geschweißter ultrahochfester Feinkornbaustähle“, 2016. [Online]. Verfügbar unter: https: / / duepublico2.uni-due.de/ receive/ duepublico_mods_00042813 [14] Chen, J.; Zhang, J.; Zhao, H. Quantifying Alignment Deviations for the In-Plane Biaxial Test System via a Shape-OptimisedCruciform Specimen. Materials 2022, 15, 4949. <?page no="73"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 73 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine Jesse Ceruso M. Sc. Robert Bosch GmbH/ TU Clausthal, Schwieberdingen, Deutschland Jens Mischko M. Sc. Robert Bosch GmbH, Schwieberdingen, Deutschland Prof. Dr.-Ing. Alfons Esderts TU Clausthal, Clausthal-Zellerfeld, Deutschland Zusammenfassung Elektrische Maschinen gewinnen in der heutigen Zeit immer mehr an Bedeutung. Um deren Zuverlässigkeit zu bewerten, ist es wichtig, die Beanspruchbarkeit der Komponenten genau zu kennen. Eine zentrale Komponente von elektrischen Maschinen sind die sogenannten Hairpins. Die Hairpins sind Teil des Wickelkopfes von elektrischen Maschinen und sind stromführende Komponenten aus Reinkupfer (Cu-ETP), die das elektromagnetische Feld zum Antrieb der elektrischen Maschine erzeugen. Im vorliegenden Beitrag wird eine Mehrfachprüfvorrichtung zur Erprobung von Hairpins vorgestellt. Die Vorrichtung ermöglicht eine einflussfreie Prüfung von vier Hairpins gleichzeitig und kann durch unterschiedliche Federkonfigurationen zu einer Effizienzsteigerung der Prüfung auf elektromagnetischen Prüfständen von bis zu 800-% beitragen. Es kann gezeigt werden, dass additiv gefertigte Vorrichtungsteile zur Einspannung der Hairpins in der Prüfvorrichtung genutzt werden können. Dies führt zu einer Kostensenkung der Prüfung. 1. Einführung Mit der weiteren Elektrifizierung des automobilen Antriebsstrangs rücken neue Komponenten elektrischer Maschinen in den Fokus der Betriebsfestigkeit. Zentrale Bauteile einer elektrischen Maschine sind die Kupferwicklungen des Stators, die zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes für den Antrieb des Rotors benötigt werden. Um eine zuverlässige Auslegung zu gewährleisten, ist eine genaue Bestimmung der Beanspruchbarkeit der Kupferwicklungen notwendig. Im vorliegenden Beitrag wird ein Weg aufgezeigt, wie diese Beanspruchbarkeit effizient und störungsfrei ermittelt werden kann. Dies wird durch die Konstruktion einer für Kupferwicklungen optimierten Prüfvorrichtung erreicht. Die erzielten Ergebnisse werden in die Literatur eingeordnet, diskutiert und die Vorteile einer solchen Prüfvorrichtung werden erörtert. Zentrale Bauteile des Wickelkopfes sind die sogenannten Hairpins. Diese bestehen aus zwei mittels Laserschweißen verbundenen Kupferflachstäben. Die Kupferstäbe führen während des Betriebs der elektrischen Maschinen Strom und erzeugen so das elektromagnetische Feld, das für den Antrieb des Rotors genutzt wird. Abbildung 1 zeigt einen Stator einer elektrischen Maschine und einen Hairpin. Die Schweißverbindung an der Spitze des Hairpins ist vergrößert dargestellt. Um die Lebensdauer der dargestellten Hairpins zu untersuchen, sind Schwingprüfungen notwendig, die im besten Falle effizient und kostengünstig durchzuführen sind. Die Prüfung von Kupferbauteilen kann auf mehreren Wegen erfolgen, die im Folgenden vorgestellt werden. Lauf [1] prüft die geschweißten Kupferbauteile des Wickelkopfes und Kupferproben aus geschweißten Blechen auf einem elektrodynamisch erregten Schwingtisch. Die Anregung der Proben erfolgt hierbei weggeregelt. Diese Methodik hat den Nachteil, dass bei jeder Probe die Eigenfrequenz getroffen werden muss. Diese kann bei unterschiedlichen Bauteilen oder unterschiedlichen Schweißzuständen zwischen den Proben variieren, was zu einem höheren Auswerteaufwand führt. Gemäß den Abbildungen in [1] wird die entsprechende Probe mit einem Beschleunigungssensor appliziert, es bleibt jedoch offen, ob dieser zum Abgleich der Versuche mit den entsprechenden Simulationen dient, zur Ausfallerkennung oder Regelung der Maschine. Auf die Einspannsituation der Prüflinge, auf die Spannvorrichtung, sowie auf die Prüffrequenz wird nicht eingegangen. Dimatteo [2] führt statische Prüfungen an geschweißten hairpinähnlichen Bauteilen durch. Hierbei werden die Hairpins so modifiziert, dass sie auf Schälzug beansprucht werden können. Für die gezeigten Versuche ist eine Zugprüfmaschine mit einfachen Spannbacken ausreichend. Es muss keine gesonderte Vorrichtung angefertigt werden. Stanzl-Tschegg [3] nutzt eine ultraschalleregte Prüfmaschine um Kupferbauteile zu Prüfen. Das Ziel ist es, Schwingspielzahlen >10 8 Lastwechseln bei geringen Lastamplituden dehnungsgeregelt abzuprüfen. Auf den Versuchsauf bau und die Maschinenkonfiguration wird nicht eingegangen. Es wird eine Frequenz von 20 kHz durch die ultraschallerregte Prüfmaschine erreicht. <?page no="74"?> 74 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine Abb. 1: Stator mit Hairpin und Hairpinschweißnaht [4]. Ceruso [4] führt Versuche an Hairpins mithilfe einer elektromagnetischen Schwingprüfmaschine durch, die auf Basis eines Feder-Masse-Systems arbeitet. Es wird versucht, die Prüfung effizient zu gestalten indem vier Prüflinge gleichzeitig geprüft werden. Die Ergebnisse legen eine Beeinflussung der Prüflinge untereinander nahe, weshalb dieser Ansatz verworfen wird. Weitere Quellen wie Moreira [5] und Wagener [6], die ebenfalls Wöhlerversuche an Kupferproben durchgeführt haben, gehen nur untergeordnet auf die Prüftechnik oder den Versuchsauf bau ein. Eine Prüfung von Bauteilen an elektrodynamischen Schwingprüfmaschinen oder servohydraulisch betriebenen Prüfständen ist nicht bekannt. Die aktuell effizienteste Methode der Prüfung ist die Prüfung mittels Ultraschallmaschinen. Diese sind in der Forschung verbreitet, sind aber bei Industrieunternehmen selten vorhanden. Es wird daher eine Methode gesucht, die vor allem eine effiziente Prüfung der Proben auf herkömmlichen, resonanzerregten, elektromagnetischen Schwingprüfmaschinen ermöglicht. 2. Prüfmaschine und Prüftechnik Für die Prüfung von Hairpins kommt eine elektromagnetische arbeitende Prüfmaschine des Typs Mikrotron vom Hersteller Rumul zum Einsatz, welche schematisch in Abbildung 2 zu sehen ist. Die technischen Daten sind Tabelle 1 zu entnehmen. Abb. 2: Schemazeichnung Rumul Mikrotron Tab. 1: Maschinendaten Rumul Mikrotron 5 kN Eigenschaft Wert Lastbereich 5 kN bis -5 kN max. Kraftamplitude 2,5 kN max. Wegamplitude 2 mm Baujahr 2019 <?page no="75"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 75 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine Die Schwingprüfmaschine arbeitet mit dem Resonanzprinzip. Dies führt dazu, dass die Regelung der Maschine eine Resonanzfrequenz w E des gesamten Versuchsauf baus einstellt. Diese Resonanzfrequenz setzt sich zusammen aus den Massen und den Steifigkeiten der Vorrichtung, der Maschine und des Prüflings. Die Maschinensteifigkeit wird durch zwei Federn innerhalb der Maschine definiert. Diese sind nicht austauschbar. Ebenfalls die Steifigkeit und die Masse des Prüflings sind nicht beeinflussbar. Die Masse und die Steifigkeit der Vorrichtung kann gezielt dafür genutzt werden, die Eigenfrequenz des Aufbaus zu erhöhen, was eine höhere Prüffrequenz zur Folge hat. Auch die Maschinenmassen sind austauschbar, um eine zusätzliche Beeinflussung der Prüffrequenz zu ermöglichen. Es ist darauf zu achten, dass die Frequenzänderung über die Maschinenmassen nicht zu Unregelmäßigkeiten bei der Prüfung führt, wie bspw. zu niedrige Kraft- oder Wegamplituden. Insgesamt stehen drei unterschiedliche Massen (klein, mittel, groß) für die Prüfmaschine zur Verfügung, zusätzlich kann diese auch ohne Massen betrieben werden. Dies führt zu vier unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten. 3. Ausgangssituation bei der Prüfung von Hairpins Zur Durchführung der Schwingprüfungen werden Prüflinge aus einem Stator gemäß Abbildung 1 entnommen. Die Prüflinge lassen sich durch ihre Nummerierung unterscheiden. Die Spurnummer gibt an, ob sich der Hairpin außen oder innen im Stator befindet. Spur-1 ist die äußerste Spur, während die Spurnummer von außen nach innen zunimmt. Die Nutnummer gibt an, an welcher Position sich der Hairpin umlaufend am Stator befindet. Abbildung-3 zeigt die Spur- und Nutnummerierung der Bauteile an. Die Prüfvorrichtung, die für die Schwingprüfung der Hairpins eingesetzt wird, ist ebenfalls in Abbildung 2 zu sehen, sie nennt sich Zugaufnahmevorrichtung. Es werden vier Hairpins gleichzeitig geprüft. Die aufgebrachte Last ist eine rein wechselnde Wegamplitude S a , welche über einen Laser gemessen wird. Die Zugaufnahmevorrichtung ist, wie in Abbildung 3 gezeigt, mit der unteren hälfte auf dem Maschinentisch fixiert gelagert. Für die Durchführung von Schwingversuchen mit der in Abbildung 3 gezeigten Konfiguration kann in [4] gezeigt werden, dass die Prüflinge sich gegenseitig beeinflussen bzw. stützen. Dies führt zu einer größeren Lebensdauer als bei Einzeldrahtprüfungen und das, obwohl die gleiche Wegamplitude auf die Vorrichtung aufgebracht wird (vgl. Abbildung 4). Da diese Effekte einen nicht-konservativen Einfluss auf die Lebensdauer haben, kann die Prüfung mit vier Hairpins gleichzeitig nicht durchgeführt werden, dies hat einen Effizienzverlust zur Folge. Abb. 3: Links: Nummerierung der Prüflinge und deren Position aus dem Stator. Rechts: Prüfauf bau mit Vorrichtung Zugaufnahme und vier Hairpins [4]. Abb. 4: Beeinflussung der Prüflinge bei der gemeinsamen Prüfung der Hairpins [4]. <?page no="76"?> 76 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine 4. Einsatz einer Mehrfachprüfvorrichtung Um den Effizienzverlust auszugleichen wird eine Mehrfachprüfvorrichtung eingesetzt (Abb. 5). Diese soll die Beeinflussung der Hairpins beim weggeregelten Prüfen untereinander ausschließen und höhere Prüffrequenzen zur Folge haben. Die Mehrfachprüfvorrichtung besitzt jeweils vier Prüfnester, in die jeweils die Spannbacken mit den Kämmen und die Adapterplatten eingeschraubt werden. Die Spannbacken und die Adapterplatten sind hairpinspezifische Teile, das bedeutet, dass diese auf den jeweiligen Stator des Hairpins abgestimmt sind.Ändert sich der Statordurchmesser oder die Dimensionen des Lackdrahtes ist es notwendig, neue Adapterplatten und Spannbacken anzufertigen. Zur Erhöhung der Prüffrequenz werden Federn eingesetzt. Dies ist deshalb möglich, da elektromagnetisch erregte Prüfmaschinen mit dem Resonanzprinzip arbeiten. Durch die Erhöhung der Steifigkeit steigt die Resonanzfrequenz des Gesamtauf baus, dies wiederrum führt zu einer höheren Prüffrequenz. Als Federn können wahlweise Tellerfederpakete oder Schraubendruckfedern in die Mehrfachprüfvorrichtung eingebaut werden. Zur Unterbindung von Querschwingungen (Bewegungen der Prüfvorrichtung senkrecht zur Anregung) bei der Prüfung von Hairpins, werden vier Führungsstangen mit Kugelbuchsen eingesetzt. Diese können Querkräfte und seitliche Bewegungen aufnehmen und stabilisieren die Vorrichtung. Die Maschinenanbindung der Prüfvorrichtung kann entweder durch eine Kugel mit einem Stempel realisiert werden oder durch eine feste Verschraubung. Die Kugel-Stempel-Variante hat den Vorteil, dass Querkräfte schlechter übertragen werden können und dass Fehler bei der Ausrichtung der Vorrichtung zur Maschine kompensiert werden. Die Verschraubung ist daher nur dann zu empfehlen, wenn die Mehrfachprüfvorrichtung ohne Federn außerhalb des Resonanzprinzips betrieben wird. Dies ist zum Beispiel an einer servohydraulischen oder elektrodynamischen Prüfmaschine der Fall. 4.1 Betrieb der Mehrfachprüfvorrichtung Die Vorrichtung wird auf dem Maschinentisch verschraubt und so zentriert, dass der Stempel, der die Kraft auf bringt, mittig auf der Kugel aufsitzt. Die Vorrichtung ist auf Resonanzprüfmaschinen nur im Druckbereich zu betreiben, das bedeutet, dass eine Vorspannung auf die Federn aufgebracht werden muss. Diese Vorspannung richtet sich nach dem Abstand zwischen den Adapterplatten, der für die jeweiligen Hairpins benötigt wird. Es ist darauf zu achten, dass die Kraftamplitude bei der Prüfung die Vorspannkraft betragsmäßig nicht überschreitet. Die Ausfallerkennung der Prüflinge erfolgt nach [4] durch den Frequenzabfall, der über die Anzahl der Lastwechsel stattfindet. Dieser wird über die Maschine bis zu einer Frequenzgrenze festgestellt und führt zur Abschaltung der Prüfmaschine. Werden vier Hairpins gleichzeitig geprüft, lässt sich die Frequenzänderung nicht einem Hairpin zuordnen. Dies führt dazu, dass unbekannt ist, welcher Hairpin versagt hat. Zur Ausfallerkennung kommen daher Dehnungsmessstreifen zum Einsatz, die den Bruch des Hairpins, analog zum Frequenzabfall detektieren. Durch die Zuordnung der Messkanäle kann somit das Versagen direkt einem Hairpin zugeordnet werden. Abb. 5: Mehrfachprüfvorrichtung in der Seitenansicht. Eingespannt sind vier Hairpins der Spur 4, wovon der Hintere nicht sichtbar ist, da er verdeckt wird. Zu sehen ist die Konfiguration der Vorrichtung mit den Tellerfedern. <?page no="77"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 77 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine 4.2 Vorteile der Mehrfachprüfvorrichtung Der größte Vorteil der Mehrfachprüfvorrichtung besteht darin, dass vier Hairpins gleichzeitig geprüft werden können. Diese Hairpins können einzeln in einem Prüfnest gespannt werden und sind daher unabhängig und einflussfrei voneinander. Dies hat eine Effizienzsteigerung von 400-% zur Folge, da bei der Zugaufnahmenvorrichtung nur ein Hairpin geprüft werden konnte. Ein weiterer Vorteil ist die Frequenzerhöhung durch die Federn bzw. die Ferderpakete. Wie hoch diese Frequenzerhöhung ist, lässt sich nicht allgemein sagen, da die Prüffrequenz auf dem verwendeten Maschinentyp auch immer von der Steifigkeit des Prüflings abhängt. Um trotzdem eine Aussage über die Leistungsfähigkeit der Prüfvorrichtung zu treffen, werden die Konfigurationen, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, abgeprüft. Bei den gezeigten Konfigurationen handelt es sich um Betriebszustände bei denen eine störungsfreie, stabile Amplitude in der Prüfmaschine eingestellt werden kann. Es werden zwei Prüflinge erprobt. Prüfling A ist ein Prüfling mit einer kleineren Drahtdicke als Prüfling B. Es kann gezeigt werden, dass die Prüffrequenz mit den Tellerfedern 106 Hz beträgt. Dies entspricht einer Erhöhung um 103-% zu den vormals 52 Hz mit der Zugaufnahmevorrichtung. Insgesamt ist eine Effizienzsteigerung um 800-% zur alten Zugaufnahmevorrichtung möglich, welche sich aus den vier gleichzeitig prüf baren Prüflingen und der erhöhten Frequenz zusammensetzt. Wird eine andere Resonanzprüfmaschine eingesetzt oder steifere Federn verwendet, kann die Prüffrequenz voraussichtlich noch weiter gesteigert werden. Dies verbleibt aber zum aktuellen Zeitpunkt Stand der Forschung. 4.3 Nachteile der Mehrfachprüfvorrichtung Durch die Auf- und Abbewegung des oberen Vorrichtungsteils entsteht Reibung zwischen den Kugelbuchsen und der Führungsstange. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn es zu Querkräften bei der Maschinenanregung kommt. Die Kugelbuchsen graben sich hierbei in die Führungsstangen ein, und hinterlassen sichtbare Rillen. Trotz sichtbarer Rillen auf den Führungsstangen bei einer Gesamtbetriebsdauer der Vorrichtung von ca. 3 · 10 8 Lastwechseln ist keine Auffälligkeit im Prüfverlauf feststellbar. Es kann jedoch sein, dass Wartungsintervalle zum Austausch der Kugelbuchsen und Führungsstangen in Zukunft notwendig sind. Tab. 2: Unterschiedliche Maschinenkonfigurationen Prüfling Prüfvorrichtung Maschinenmasse Federn Prüffrequenz A Zugaufnahme (alt) Mittlere Masse - 52 Hz A Mehrfachprüfvor. Kleine Masse Tellerfedern 106 Hz A Mehrfachprüfvor. Große Masse Schraubendruckfedern 78 Hz B Mehrfachprüfvor. Große Masse Schraubendruckfedern 78 Hz Obwohl mit den Tellerfedern die höchste Prüffrequenz erreicht werden kann, kommt es zum Abrieb und zum sichtbaren Verschleiß der Tellerfedern. Es deutet sich an, dass die Tellerfedern in Intervallen von ca. 10 8 Schwingspielen getauscht werden müssen, um die Sicherheit der Prüfung und die des Bedieners zu gewährleisten. Die Empfehlung ist daher, die Prüfvorrichtung mit Schraubendruckfedern zu betreiben, auch wenn nur eine Prüffrequenz von 74 Hz erreicht werden kann. Da nicht alle Prüflinge gleichzeitig ausfallen kommt es nach dem Bruch des ersten ausgefallenen Prüflings bei diesem Prüfling zu der Situation, dass die beiden Bruchflächen aneinander reiben. Durch das Reiben und den weichen Kupferwerkstoff bildet sich Kupferoxid auf den Bruchflächen aus, welches die originale Bruchfläche nicht mehr gut erkennen lässt. Dies hat zum Nachteil, dass die Flächenvermessung der Bruchfläche nicht mehr exakt möglich ist. Des Weiteren lassen sich Informationen wie die Anzahl der Poren in der Bruchfläche oder der vermutete Anrissort nicht mehr detektieren. Zur Montage aller vier Hairpins in der Mehrfachprüfvorrichtung muss ausreichend Platz um die Maschine herum vorhanden sein, dies ist bei der Zugaufnahmevorrichtung nicht der Fall, da diese nur einen frontalen Zugang benötigt. 5. Validierung der Mehrfachprüfvorrichtung Zur Validierung der Prüfvorrichtung werden auf einem Vergleichshorizont mit Wegamplitude s a = 0,4 mm Prüflinge sowohl auf der Zugaufnahmevorrichtung als auch auf der Mehrfachprüfvorrichtung geprüft. Die Prüflinge stammen dabei aus einem Stator und wurden seriennah hergestellt. Abb. 6: Versuche auf einem Vergleichshorizont zwischen Zugaufnahmevorrichtung und Mehrfachprüfvorrichtung. Durchgeführt mit Prüfling A und Spannbacken aus Stahl. <?page no="78"?> 78 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine Abbildung 6 zeigt die Prüfergebnisse. Ein Ausreißer ist zu erkennen, der auf der Zugaufnahmevorrichtung geprüft wurde. Dies ist bei den vorliegenden Hairpins kein Einzelfall, weshalb dieser Ausreißer nicht weiter beachtet wird. Des Weiteren ist zu erkennen, dass die restlichen Prüflinge in ein Streuband fallen. Dies bedeutet, dass beide Prüfvorrichtungen zum gleichen Ergebnis kommen und die Mehrfachprüfvorrichtung so einsetzbar ist. Werden alle Prüflinge in Abbildung 6 betrachtet, die eine Lebensdauer größer als 10 5 Lastwechsel haben, so kann man die Prüfzeit der jeweils drei Prüflinge gegenüberstellen. Die maximale Lastwechselzahl auf der Mehrfachprüfvorrichtung beträgt 442.000 Lastwechsel. Berechnet man den Zeitbedarf t M hierfür bei einer Frequenz von 78-Hz aus so ergibt sich: [1] Für die Zugaufnahmevorrichtung müssen alle Lastwechselzahlen addiert werden, da jeder Prüfling einzeln geprüft wird. Es ergibt sich eine Zeit von t z von: [2] Die Zeitersparnis t E beim Prüfen der Teile mit der Mehrfachprüfvorrichtung beträgt somit: t E = 426,9 min − 94,4 min = 332,5 min [3] Dies entspricht einer Effizienzsteigerung von ca. 451-%.Wie in Kapitel 4 erwähnt, sind die Adapterplatten und die Kämme auf bestimmte Hairpins abgestimmt. Ändern sich die Dimensionen der Hairpins oder des Stators müssen neue Adapterplatten und Kämme angefertigt werden. Bei vier Prüfnestern und filigranen Frästeilen, wie der Kämme, kann das einen nachteiligen Kostenfaktor zur Folge haben. Um diese Fertigungskosten zu senken, werden weitere Spannbacken mittels additiver Fertigung hergestellt. Es stehen folgende Spannbacken für Hairpin Typ B zur Verfügung: • Stahl, gefräst • PA-12 GB (Glassballs), Selective-Laser-Sintering • PLA-CF (Carbonfiber), Fused-Deposition-Modelling Die Versuchsergebnisse für die Spannbacken aus Stahlsind in Abbildung 7 aufgetragen. Als Durchläufer (DL) werden die Punkte gewertet, die eine Lastwechselzahl von 10 7 erreicht haben. Alle Versuchspunkte sind für die jeweiligen Spannbacken mit anderen Markern markiert. Es ist zu erkennen, dass es keine klare Tendenz gibt, welchen Einfluss die unterschiedlichen Spannbacken haben. Auf den Lasthorizonten 0,5 mm, 0,45 mm und 0,4 mm versagen die Hairpins in den Stahlspannbacken tendenziell früher, es gibt jedoch Ausreiser wie auf dem Lasthorizont 0,4 mm zu sehen ist. Abb. 7: Versuchsreihe (Prüfling B) auf der Mehrfachprüfvorrichtung <?page no="79"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 79 Effiziente Prüfung von geschweißten Kupferkomponenten einer elektrischen Maschine Um diese Wegamplituden in lokale Spannungen umzurechnen sind Simulationen notwendig. In diesen Simulationen ist es nötig die Materialeigenschaften der Spannbacken zu berücksichtigen, so kann es sein, dass die lokalen Spannungen der Kunststoffspannbacken im Vergleich zu den Stahlspannbacken niedriger ausfallen und sich die Versuchspunkte in ein gemeinsames Streuband schieben. 6. Zusammenfassung und Ausblick Im Vorliegenden Beitrag wird eine Zusammenfassung über die Prüfung von Kupferdrähten gegeben, wie sie in Statoren von elektrischen Maschinen vorhanden sind. Es wird gezeigt, worin die Herausforderungen bei der Prüfung von Hairpins liegen und darauf eingegangen, wie die Prüfung von Hairpins effizienter gestaltet werden kann. Hierzu wird eine Mehrfachprüfvorrichtung eingesetzt, die durch Führungsstangen und Kugelbuchsen eine einflussfreie Prüfung ohne Querschwingungen ermöglicht. Die Mehrfachprüfvorrichtung kann bis zu 4 Hairpins gleichzeitig in einer Aufspannung prüfen. Dies verringert die Maschinenbelegungszeit und ermöglicht es, eine Wöhlerlinie mit vier Lasthorizonten in einer Arbeitswoche zu ermitteln. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass sich durch unterschiedliche Federkonfigurationen die Prüffrequenz an elektromagnetischen Resonanzprüfständen erhöhen lässt. Dies kann eine Effizienzsteigerung von bis zu 800 % zur Folge haben. Die verkürzten Prüfzeiten und die damit verbundene Effizienzsteigerung führt zu einer unmittelbaren Kosteneinsparung, die sich vor allem bei langen Prüfzeiten, wie bei der Ermittlung der Langzeitfestigkeit bemerkbar macht. Durch Reibung der Kugelbuchsen und der Tellerfedern sind regelmäßige Wartungen und ein Austausch der Vorrichtungsteile unerlässlich. Durch die mehrfache Prüfung von vier Prüflingen ist eine Ausfallerkennung durch Dehnungsmessstreifen notwendig. Trotz der Ausfallerkennung kann es dazu kommen, dass Bruchflächen verrieben werden, bis der letzte der vier zu prüfenden Prüflinge ausgefallen ist. Hierdurch gehen Informationen über die Bruchfläche verloren. Zur Validierung der Vorrichtung wird auf einem Vergleichshorizont ein Versuch mit der Mehrfachprüfvorrichtung und dem Vorgängermodell der Zugaufnahmevorrichtung durchgeführt. Die Versuchspunkte fallen bis auf einen Ausreißer in ein Streuband, weshalb die Versuchsergebnisse der Mehrfachprüfvorrichtung als valide betrachtet werden. Zur Kostensenkung bei der Fertigung der vier Spannbackenpaare werden additiv gefertigte Bauteile eingesetzt. Die Versuchsergebnisse deuten darauf hin, dass es keinen signifikanten Einfluss der eingesetzten Spannbacken auf das Versuchsergebnis gibt. Die weitere Bewertung der durchgeführten Versuche sollte auf Spannungsebene erfolgen. Hierzu kann das Kerbspannungskonzept für geschweißte Bauteile mit dem Ersatzradius r = 0,05 mm eingesetzt werden. Es kann zudem geprüft werden, ob in den Spannbacken wie vormals vier Hairpins eingespannt werden können. Durch die Führungsstangen kann die Beeinflussung der Prüflinge untereinander abgenommen haben, sodass eine Prüfung in der Mehrfachprüfvorrichtung von 16 Hairpins gleichzeitig erfolgen könnte. Danksagung Die Autoren danken Benjamin Gertz für die Konstruktion der Prüfvorrichtung und Benedikt Raab für die Unterstützung bei der Versuchsdurchführung der Versuche mit unterschiedlichen Spannbacken. Herrn Miklas Nitsche wird für die Anfertigung der additiv gefertigten Bauteile gedankt. Literatur [1] M. Lauf, S. Pruy, S. Kiesner: Experimentelle und Simulative Schwingfestigkeitsuntersuch-ungen von geschweißten Kupferverbindungen basierend auf der Realgeometrie. In: Tagungsband der 49. -agung des DVM Arbeitskreises Betriebsfestigkeit. 2023 DOI: 10.48447/ BF-2023-130. [2] V. Dimatteo, A. Ascari, P. Faverzani, L. Poggio, A. Fortunato, The effect of process parameters on the morphology, mechanical strength and electrical resistance of CW laser-welded pure copper hairpins, In: Journal of Manufacturing Processes (2021), Volume 62, p. 450-457, DOI: 10.1016/ j.jmapro.2020.12.018. [3] S. Stanzl-Tschegg: Influence of material properties and testing frequency on VHCF and HCF lives of polycrystalline copper. In: International Journal of Fatigue, Vol. 105, p. 86-96. 2017. DOI: 10.1016/ j. ijfatigue.2017.08.014. [4] J. Ceruso, M. Mannsperger, J. Mischko, A. Esderts: Verbesserung von Prüfverfahren für lasergeschweißte Hairpin-Wicklungen. In: Tagungsband Werkstoffe und Bauteile auf dem Prüfstand. 2023. DOI: 10.48447/ WP-2023-281. [5] P. Moreira, M. de Figueiredo, P. de Castro: A Contribution to the Mechanical Characteri-zation of Cu ETP Used in the Electric Motors Industry. In: Materials Science Forum, Vol. 730-732, p. 679-684. 2012. DOI: 10.4028/ www.scientific.net/ msf.730- 732.679. [6] R. Wagener, M. Scurria, T. Kimpel, M. Haouel, H.- Kaufmann, T. Melz: Schwingfestigkeits-verhalten von Kupfer-Legierungen für die Anwendung in mobilen Steuergeräten. In: Metall-Forschung, Vol.-70, p. 458-461. 2016. <?page no="81"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 81 Tribological Investigations under Varying Pressure Atmosphere Felix S. M. Zak Optimol Instruments Prüftechnik GmbH, Munich, Germany * felix.zak@optimol-instruments.de Abstract The exploration of pressurized gas atmospheres within tribological investigations holds significant implications across diverse industrial sectors. This novel Tribotest option offering a specialized testing apparatus designed explicitly to operate under various pressurized gas atmospheres. This advancement aligns with the critical need to simulate real-world scenarios where materials and components undergo mechanical friction and wear within specific gas environments. By subjecting test samples to controlled gas atmospheres at different pressure levels, the Tribotest option emerges as a crucial tool for assessing material performance and durability under varied operating conditions. 1. Introduction Pressurized gas atmospheres are commonly encountered in aerospace, oil and gas, energy generation and various manufacturing processes. The behavior of materials and lubricants under elevated pressure conditions can signif-icantly impact the efficiency, safety, and reliability of these systems. However, traditional tribology test methods often fall short in accurately simulating the complex conditions found within pressurized gas environments. A novel option for tribotesting is presented, specifically designed to operate under different pressurized gas at-mospheres, especially hydrogen. By exposing test samples to controlled gas atmospheres at different pressure levels, the Tribotest option provides a valuable tool for evaluating the tribosystem in terms of per-formance and durability of materials under different op-erating conditions. 2. Design and Features The new Tribotest option presents an extension module of the SRV®5, an established testing machine for tribo-logical investigations. It retains the standard specifica-tions of the tribometer and additional adjustable parame-ters, like the pressure up to 100 bar The technical dependencies of set values, in the form of the tribological loading spectrum, give rise to several limitations. These dependencies require additional corrections within the regulation, such as compensating for force due to pressure differentials between the pressure chamber and the environment, necessary for normal force control. The option offers variable adjustment of the surrounding atmospheric pressure, capable of encompassing various gases, with a primary focus on hydrogen. Due to hydrogen’s unique properties, predominantly stemming from its small molecular size and associated hazards concerning its high energy density, specific design considerations are imperative. The small molecule size, governed by Graham’s law, results in a high diffusion rate. To counter this, aside from hermetic sealing, an additional protective gas layer is employed. This protective gas (ni-trogen) operates at the same pressure as the test gas, con-ferring advantages in terms of the system’s dynamic sealing. The pressure is measured in both circuits and controlled separately and also recorded for examination purposes. Given the hazards posed by different test gases, particularly hydrogen, an elaborate safety concept is pursued. This includes the utilization of external sensors for detection purposes and consideration of safety parameters, such as the maximum allowable temperature for sealing materials, through continuous monitoring and shutdown mechanisms. In addition to diffusion, other effects emerge when dealing with hydrogen, such as increased permeation and hydrogen embrittlement. These are mitigated through suitable material selection. For permeation, a specific polymer blend, verified through permeation testing, has been employed. The amalgamation of pressure tightness and the dynamic load from tribological investigations presents diverse challenges to individual components within the sealing concept. To counter these challenges, appropriate kinematics and well-chosen sealing methods have been implemented. No detectable leakage of the test gas is tolerated, while minimal leakage of the protective gas is accepted. Parasitic forces, like spring forces or damping forces resulting from the sealing components, are minimized through suitable calibration processes, corrections, and a deliberate distribution of stiffness and mass within the testing system. Despite the necessity for a substantially robust construction the Tribotest option offers temperature measurement close to the friction point for regulating the test body contact or measuring friction-induced temperature rise. Abb. 1: Design of Tribotest Option <?page no="83"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 83 DME plus X as a potential Fuel Hichame Ait El Mallali, M. Sc. Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Vishalkumar Patel, M. Sc. Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Ashrith Arun, M.Sc. Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Dr. Simon Eiden Tec4Fuels GmbH, Aachen, Germany Abstract Given the growing urgency to reduce carbon emissions, the development of alternative fuels to mitigate CO 2 emission are of utmost importance. Within the DMEplusX project, DME (Dimethyl Ether) has been investigated as a fuel in HiL (Hardware-in-the-Loop) tests by TEC4FUELS. DME exhibits promising potential as an alternative fuel, particularly due to its possible production through solar and wind energy in conjunction with CO 2 . Naturally, DME is in gaseous form, necessitating careful adjustment of test benches to evaluate it as a liquid fuel. In recent years, TEC4FUELS has successfully developed Hardware-in-the-Loop test benches for liquid fuels. To test DME in liquid phase at room temperature it must be compressed to 5 bar during testing. Due to this requirement, the HIL test bench in TEC4FUELS has been accordingly modified. This enables the examination of the effects of DME and DME blends on various automotive components such as injectors, high-pressure pumps, and rails, etc. Additionally, special reactors have been developed to investigate the impact of DME and DME blends on corrosion of steel materials. This article elaborates extensively on the operation of the HiL-DME test bench and its application in different scenarios. 1. Introduction Hardware-in-the-loop (HiL) is a method that allows the most important components of fuel supply system to be tested without having to carry out a combustion test. HiL test benches investigate the effects and compatibility of various fuels and their constituent parts. The automotive sector uses these test recently developed benches. [1]. Fuel tanks, in-tank fuel pumps, filters, electric motors, high-pressure pumps, common rails, and injectors make up the HiL test bench as shown in figure 1. These components are coordinated by an adjustable control system to maintain continuous fuel circulation [2]. Fig. 1: General diagram [1]. At low flow rates, the in-tank fuel pump is triggered and fuel flows to the high-pressure pump. A filter then allows clean fuel to flow through the system, providing a barrier against small particles making it from the tank to the engine. The High-pressure pump is coupled to an electric motor [2]. This method allowed to test the compatibility of different fuels with state-of-the-art system components as well as prototype parts like rails, injectors and pumps. TEC4FUELS has successfully tested not just fossil fuels but also synthetic fuels, such as Polyoxymethylene dimethyl ethers (OME), Methanol to Gasoline (MtG) and also blends of alcohols with fossil fuels. In this work, we will focus on one of the challenging fuels, DME (Dimethyl ether), because this fuel is gaseous at room temperature, whereas all successful HiL tests at TEC4FUELS have been carried out with liquid fuels at room temperature. In ambient conditions, DME is a colorless, non-toxic, slightly narcotic, and highly combustible gas. However, under mild pressure, it can be used as a liquid fuel. DME is a clean fuel among numerous alternative fuels; it emits comparatively little pollution to other conventional fuels. It performs similar to diesel engines in terms of output and thermal efficiency, and has a high cetane number and distinct autoignition properties [3]. <?page no="84"?> 84 2. Fachtagung TestRig - September 2024 DME plus X as a potential Fuel 2. Method Fig.2: Schematic diagram of the DMEplusX hardwarein-the-loop test bench Tab.1. Tested fuels and used parameters. Tested Fuels Run time (h) Pressure (bar) Injector Temperature °C Diesel EN590 200 700 230 100% DME 80%Diesel + 20 % DME 80 % Diesel + 20 % DME +Additive At room temperature, DME (dimethyl ether) requires at least 5 bar to convert from a gaseous to a liquid state. Due to higher temperature expected in the return flow of the high-pressure pump, DME was pressurized to 12 bar inside a stainless-steel tank. The pressure tank was specifically designed for a maximum pressure of 45 bar. As an additional safety measure, the test bench was operated with nitrogen. Nitrogen also served to adjust the system pressure. Due to the applied pressure, all fuel lines in the system were made of stainless steel. In this test setup, no in tank pump was required to deliver the fuel to the high-pressure pump because the pressure in the tank was sufficient. Therefore, the fuel goes directly to the high-pressure pump, which is coupled to an electric motor. The fuel is then distributed at 700 bar rail pressure to the corresponding injector. The other outlets of the rail are blocked. The injector is activated by a current profile provided by the injector control unit. The injector sprays the fuel into a reactor. To simulate the influence of combustion heat on the injector, the injection nozzle is additionally heated to the chosen temperature. The sprayed fuel condenses, leaves the reactor, and is fed back into the tank. The return line of the high-pressure pump is cooled to regulate the temperature of the fuel tank. The complete testing cycle is divided into three main phases: continuous operation (120 min), pause (45 min), long pause (120 min), and cycled operation. In the continuous operation phase, the fuel circulates repeatedly through the components. For this test, a runtime of 200 hours has been selected, meaning the effective runtime is 100 hours. All parameters are controlled by software, ensuring that data is saved every second. On the other hand, a corrosion test was conducted on steel samples to investigate their compatibility with DME and DME blends as a liquid fuel. As shown in Figure 3, the reactor was filled with DME in its liquid state. This setup allowed for the observation development of corrosion over time. Fig.3: a) Reactor used for corrosion test, b) Close-up of the reactor showing the samples in contact with the fuels. 3. Results HiL enables to determine the compatibility of the fuel with the components (high-pressure pump HPP, rail, injector, and tank) in short test times. The results of DME 100 % and DME blends (as listed in table 1) are compared with those diesel EN 590 as reference fuel. For each type of fuel, a new component was used to assess the comparison between the fuels: 3.1 High-pressure pump After the 200-hour test period, the system components were visually evaluated. The following figures (Figure 4) provide photo documentation of the high-pressure pump parts. No significant abnormalities were observed after the diesel test as shown in Figure 4a. However, in the case of DME, signs of corrosion were evident in the high-pressure pump (HPP) and observed more clearly in the spring (Figure 4b). A reduction in corrosion was observed for the blended fuel compared to 100 % DME, particularly in the spring, with no difference being observed between the additive and non-additive blends (Figure- 4c & 4d). Despite the corrosive attacks during the 200-hour runtime, there was no component failure or pressure loss. An <?page no="85"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 85 DME plus X as a potential Fuel explanation for the corrosion observations in the highpressure pump when using DME has not yet been fully clarified. The difference between DME and diesel is that DME has an oxygen content of 35-% [4], whereas diesel contains no oxygen. This could lead to the formation of corrosive and oxidizing intermediates. Fig.4. HPP after 200 h with different fuels, a) Diesel EN590, b) 100 % DME, c) 80 % Diesel + 20 % DME, d) 80 % Diesel + 20 % DME + Additiv 3.2 Injector Fig.5. Injector peak status after 200 h test with Diesel EN590 , DME 100 %, 80 % Diesel + 20 % DME and 80 % Diesel + 20 % DME + Additive Due to the thermal stress on the injector tip, slight discoloration can be seen after the test with diesel. As can be seen in Figure 5, the injector tip shows severe coking after the test with 100 % DME compared to diesel. In contrast, a reduction in coking was observed in tests with blended fuel compared to 100 % DME. A significant improvement and reduction in coking at the injector tip was observed, particularly with additive blended fuels. 3.3 Rail The tests were carried out on the rail fuel distributor with both diesel and DME (dimethyl ether) fuels Figure 6. No anomalies were found during these tests, indicating the versatility and reliability of the system. the rail fuel distributor can operate smoothly with all types of fuel without any adverse effects or loss of performance. Fig.6. Rail after the test run with Diesel EN590 3.4 Tank No abnormalities were observed after the test with diesel. In contrast, the tests with dimethyl ether (DME) showed the formation of deposits, which are shown in Figure 7. These deposits appear as fine metallic particles when viewed visually. This could indicate a lack of material compatibility of the components with DME, which leads to the formation of such particles. Deposits with the blend (80 % diesel + 20 % DME) were observed similar to those with 100 % DME. However, after dosing the additive into this blend, the deposits were almost completely removed as shown in figure 7 (two rights pictures). Further investigations are required to clarify the exact mechanisms of deposit formation and their effects on system compatibility. Fig.7. Tank status after DME test for 200 h. 3.5 Corrosion test The corrosion test of the tested fuels was carried out by filling each reactor with 25 % water, 25 % fuel and 50 % air, so that at the end there was 50 % liquid phase and 50 % atmospheric phase. The first test with diesel showed that the phase in contact with water had a corrosion spot, as can be seen in Figure 8 (left photo). The test with 100 % DME and water showed a different behavior, where the corrosion spot was observed in the gas phase (Figure 8b). The blend of 80 % diesel and 20 % DME showed several corrosion spots in both phases (Figure 8c). With the additivation of the blend, not a single corrosion spot was found after 26 days of storage at room temperature, showing that additives are very important for DME blends. <?page no="86"?> 86 2. Fachtagung TestRig - September 2024 DME plus X as a potential Fuel Fig.8. a) Steel sample after 100 % Diesel, b) Steel sample after the storage in DME 100 %, c) Steel sample after Diesel + 20 % DME, d) Steel sample after Diesel + 20 % DME + Additive Conclusion The HiL testing evaluated the compatibility of DME and its blends with diesel fuel in key fuel system components over 200 hours. Key findings include: High-Pressure Pump (HPP): Diesel showed no issues, while DME caused corrosion, especially on the spring. Blends reduced but did not eliminate corrosion. Injector: Diesel caused slight discoloration, while DME led to severe coking, significantly reduced in blends, particularly with additive. Rail: No anomalies were found, indicating reliable operation with all fuels. Tank: Diesel caused no issues, but DME resulted in metallic deposits. Blends had similar deposits, which were significantly reduced with additives. Corrosion Test: Diesel showed water-phase corrosion; DME showed gas-phase corrosion; blends had corrosion in both phases, eliminated by additives. The reactors for the storage of DME as a liquid gas and its compatibility with steel samples enabled efficient observation of corrosion over time, showing traces in the atmospheric phase. This method also allows testing other materials with liquid gas, such as elastomers and thermoplastics. Additives are crucial for improving DME blend performance, reducing corrosion, and minimizing injector coking. Further research is needed to understand and mitigate these issues for better compatibility. Bibliography [1] D. C. Sanchez, “Data analysis in Hardware-in-theloop applied in a complete common rail system for testing of fuel-component compatibil-ity.,” Technische Akademie Esslingen (Fachtagung TestRig), p. 121, 2022. [2] H. Hoffmann, „A Contribution to the Investigation of Internal Diesel Injector Deposits“, Aachen: Shaker Verlag, 2018. 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Tobias Dickhut Universität der Bundeswehr München, Institut für Aeronautical Engineering, Taufkirchen Zusammenfassung Bei der Neuentwicklung eines Prüfstands zur Untersuchung der äußeren Einflüsse auf den Reaktionsmechanismus von carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) in flüssigem Sauerstoff wurde das Ziel verfolgt, vorherrschende Einflussparameter zu identifizieren und den Versuchsprozess vergleichbar und reproduzierbar zu gestalten. Durch bisher unbekannte Einflussparameter kann es zu teilweise stark abweichenden Ergebnissen innerhalb einer Prüfreihe kommen. Um konstante Prüf bedingungen, bezogen auf wirkende Umwelteinflüsse, zu schaffen, wurden verschiedene Maßnahmen ergriffen. Dazu zählt die Integration des Prüfstandes in einen Reinraum, sowie die Verwendung einer Konstantklimakammer zur Auslagerung der Versuchskörper. Des Weiteren wurde bei der Konzeptionierung des Prüfstandes ein modularer Ansatz verfolgt, um durch Veränderung der Fallhöhe, des Fallgewichts sowie der Prüfkammer, verschiedene Parameter auf ihre Einflüsse hin zu untersuchen. In den Prüfstand integrierte Messtechnik ermöglicht eine erweiterte Darstellung des Reaktionsprozesses. 1. Einführung Die Mehrheit der sich heute im Einsatz befindlichen Trägerraketen sowie die zukünftig geplanten wiederverwendbaren Trägerraketen sind für den Einsatz von Flüssigtreibstoffen ausgelegt. Dabei wird als Oxidationsmittel Flüssigsauerstoff (LOX) verwendet. Durch den Einsatz von carbonfaserverstärkten Kunststoffen als Tankmaterial, könnten 20 bis 40 % Gewichtseinsparung im Vergleich zu metallischen Tankstrukturen erzielt werden [1]. Allerdings ist die Kompatibilität der eingesetzten Tankmaterialien mit dem verwendeten Oxidationsmittel „flüssig Sauerstoff“ zu berücksichtigen. Die Kompatibilität des carbonfaserverstärkten Kunststoffes mit dem flüssigen Sauerstoff ist danach definiert, dass bei einem zu erwartenden Druck und einer zu erwartenden Temperatur, das Material keine Reaktion mit dem flüssigen Sauerstoff als auch mit einer potenziellen Zündquelle eingeht [2]. Eine Zündung erfolgt, wenn eine ausreichende Energiemenge an einer Stelle der Oberfläche des Bauteils, die mit dem LOX in Berührung kommt, injiziert wird. Zur Bestimmung der Materialkompatibilität mit flüssig Sauerstoff ist die Anwendung verschiedener Normen möglich. Darunter zählen die ASTM Norm G86 [3] sowie die ISO 21010 [4]. In diesen Normen wird die Übertragung einer kinetischen Energie auf eine Materialprobe in Kontakt mit flüssig Sauerstoff untersucht. Eine Inkompatibilität führt zu einer Reaktion des Materials mit dem flüssigen Sauerstoff, wie sie in Abbildung 1 dargestellt ist. Abb. 1: Beispielhafte Reaktion einer CFK-Probe in flüssig Sauerstoff, bei der ein Schlagimpuls in Höhe von 97 J über einen Schlagbolzen in die Probe übertragen wird und mithilfe einer Slow-Motion Kamera bei 240 FPS aufgezeichnet wurde Ein Vergleich der LOX-Untersuchungen nach den beiden Normen zeigt, dass die Ergebnisse über die Kompatibilität der Proben stark abweichen. Der Grund hierfür ist nicht vollständig erforscht. Bislang wurden nur einige wenige Modelle oder Erklärungsversuche für die Mechanik des Bruchs und die schnellen Energieumwandlungsraten veröffentlicht. Zwar ist der Oxidations-Zündmechanismus an sich bereits gründlich erklärt [2], allerdings liefern diese Arbeiten keine eindeutige Erklärung wie es zu den zufällig auftretenden Reaktionen und den unterschiedlichen Ergebnissen der Versuche kommt. Dieses Verständnis ist zwingend erforderlich, um die bisher weitestgehend inkonsistenten und nicht reproduzierbaren Dieser Beitrag wurde durch den Programmauschuss peer reviewed <?page no="88"?> 88 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Versuche anzupassen. Der Forschungsbedarf liegt somit in der Aufklärung des Mechanismus, nach dem die Probe unter flüssigem Sauerstoff reagiert und der Bestimmung der wirkenden Einflussparameter. Hiervon ausgehend ist ein modularer Prüfstand [Abbildung 2] konzeptioniert worden, welcher einen reproduzierbaren und vergleichbaren Prüfablauf sicherstellt. Durch integrierte Messtechnik lässt sich der Reaktionsmechanismus aufzuzeichnen und ermöglicht die Wirkung der Einflussparameter zu erfassen. Abb. 2: Konzept des Teststandes welcher in Verbindung zu der in der Prüfnorm ASTM G86 [3] vorgeschriebenen Prüfstand weiterentwickelt wurde. Dieser dient zur Bestimmung der Materialkompatibilität carbonfaserverstärkter Kunststoffproben in flüssig Sauerstoff Der Prüfstand besteht aus dem Grundgerüst, welcher durch PET-G Elementen eingehaust ist. Die Falleinheit besteht aus austauschbaren Gewichtselementen, dem Schlagkopf und dem Beschleunigungssensor. Die Prüf kammer beinhaltet den Schlagbolzen, Probenhalterung, den Amboss und die Grundplatte. Mithilfe der Steuereinheit können die pneumatischen Komponenten sowie die Reloadeinheit, bestehend aus Elektromagnet, Wägezelle und Linearantriebseinheit, gesteuert werden. 2. Stand der Technik Für die Entwicklung des Prüfstandes wurden die Normen als Grundlage für die Auslegung und Auf bau des Teststandes herangezogen. Durch Hinzunahme der bereits bekannten Reaktionsmechanismen und der vorherrschenden Problemstellungen konnte der Prüfstand darauf hin erweitert werden. 2.1 Normen als Grundlage für den Aufbau des Prüfstandes Die ASTM G86 Norm [3] beschreibt das Prüfverfahren zur Bestimmung der Kompatibilität von Materialien unter Kontakt mit flüssigem Sauerstoff. Die darin beschriebene Grundkonfiguration des Fallturms besteht ausfolgenden Bestandteilen: • Elektromagneten • Mechanismus zum Halten und Freigeben des Schlaggewichts • Führungsprofile • Schlaggewicht • Grundplatte aus Beton/ Metall • Ambossplatte • Probenbecherhalter/ Probenbecher • Schlagbolzen Das allgemeine Prüfverfahren besteht darin, ein Fallgewicht aus einer definierten Höhe auf einen Schlagbolzen fallen zu lassen, welcher auf der Materialprobe aufliegt. Der Prüfkörper befindet sich dabei in einem mit flüssig Sauerstoff gefüllten Probenbecher. Eine Inkompatibilität des Materials mit dem flüssigen Sauerstoff wird durch folgende Reaktionen festgestellt [3]: 1. Hörbare Explosion 2. Blitz (elektronisch oder visuell erkannt) 3. Anzeichen einer Verbrennung wie beispielsweise eine offensichtliche Verkohlung 4. Starke Verfärbung aufgrund einer Entzündung 5. Messbare Temperatur- oder Druckanstiege bei den Prüfungen Die Prüfung ist erfolgreich abgeschlossen, wenn keine der genannten Reaktionen in 20 Versuchen oder nicht mehr als eine Reaktion in 60 Versuchen auftreten. Die ASTM-Norm G86 [3] legt fest, dass die Prüfeinrichtung so sauber und rein wie möglich sein muss. Die Norm besagt, dass Änderungen oder Abweichungen in Bezug auf die Vorbereitung oder Sauberkeit zu signifikanten Veränderungen der Aufprallempfindlichkeit oder Reaktionsschwelle führen können. Um eine klare Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, müssen die Einflussparameter, die zu einer Veränderung der Reaktionsschwelle führen, identifiziert und definiert werden. Besonderes Augenmerk sind dabei auf die Vorbereitungsprozesse der Proben und die Reinheit der Prüfkammer zu legen. Neben der bereits genannten Norm können die Materialkompatibilitäten ebenfalls nach der Norm ISO 21010 [4] geprüft werden. Die Norm beschreibt die Ursache der Reaktion darin, dass die hinzugefügte Schlagenergie in Wärme umgewandelt wird, was zu einer Reaktion des Materials in flüssig Sauerstoff führt. Zur Beschreibung des Reaktionsprozessen müssen die folgenden Kriterien betrachtet werden: • Mindestzündtemperatur des Materials • Energiequelle, die ein Temperaturanstieg des Materials bewirkt Um den Reaktionsprozess richtig zu beschreiben, müssen in diesem Kontext die Einflussgrößen berücksichtigt werden. Dazu zählen die Betriebsbedingungen wie Druck, Temperatur, Sauerstoffkonzentration und Oberflächen-beschaffenheit des zu betrachtenden Materials. <?page no="89"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 89 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Im Unterschied zu der ASTM Norm G86 [3], bei der die Aufprallenergie allgemein mit einer Höhe von 97 J definiert ist, wird für die Annahmebedingung in der Norm ISO 21010 eine Aufprallenergie pro Flächeneinheit herangezogen. Die Annahmebedingung eines Materials für die Sauerstoffkompatibilität liegt in diesem Fall bei 79 J/ cm². Dabei darf keine Reaktion des zu prüfenden Materials in 20 Versuchen auftreten. 2.2 Stand der Wissenschaft Aus der Literatur bekannte Arbeiten zu dem Thema der LOX-Kompatibilität beschäftigten sich hauptsächlich mit der Untersuchung des Reaktionsmechanismus sowie der Suche nach geeigneten kompatiblen Materialien. In der Arbeit von Hongyu et. al [5] erklären die Autoren den Reaktionsmechanismus so, dass die carbonfaserverstärkten Kunststoffe mit dem flüssigen Sauerstoff durch die sogenannte Hot Spot Theorie reagieren. Das sind Bereiche, auf die ein hohes Maß an Energie durch Reibung oder Schlagbelastung übertragen wird. Die aufgrund der Zersetzung der Polymerketten freiwerdenden Wasserstoff- und Hydroxidionen, reagieren mit dem flüssigen Sauerstoff und führen zu einer Verbrennung bzw. Explosion. Ebenso wie Hongyu et. al. [5], gehen auch Li et. al. [1] in ihrer Arbeit von der Hot Spot Theorie aus, in der es zu einem lokalen Anstieg der Temperatur kommt, welcher zu einer Reaktion führt. Lokale Hot Spots entstehen laut Li [1] durch Faserstäube, die nach dem Aufprall des Schlaggewichts entstehen, sowie in Bereichen, in denen es aufgrund der kryogenen Bedingungen zu Mikrorissen und Delaminationen gekommen ist. Duo et. al. [6] beschreibt wie die Energieübertragung des Schlagbolzens in die Probe abläuft. Laut den Untersuchungen wird ein Teil der mechanischen Aufprallenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Dabei kann punktuell die Temperatur um mehrere hundert Grad ansteigen. Es hat sich gezeigt, dass die Qualität der Kontaktfläche zwischen Schlagbolzen und Probe sowie deren Position, Einfluss auf die Messergebnisse ausübt. In der Arbeit von Bechel et al. [7] wurden die Testparameter der LOX-Prüfung untersucht, mit dem Ziel den Zündmechanismus zu verstehen. Weiterhin wurden die Auswirkungen des Laminatauf baus auf den Zündmechanismus näher erforscht. Dabei wurden die Einflüsse transversaler Risse im Laminat untersucht. Hier wurde allerdings kein signifikanter Einfluss auf den Reaktionsprozess festgestellt. Weitere Untersuchungen bezogen sich auf die Probengröße im Verhältnis zum Schlagbolzen. Da Schlagbolzen- (12,7 mm) und Probendurchmesser (15,9 mm) ähnliche Maße besitzen, lag die Annahme nahe, dass der Aufschlag des Bolzen dazu führt, dass die Probe am äußeren Rand bricht und diese Bruchstücke einen Einfluss auf die Ergebnisse nimmt. Dies konnte in den durchgeführten Untersuchungen nicht bestätigt werden. Gerzeski [2] beschreibt in seiner Arbeit die Ursache, weshalb nach seiner Ansicht Polymere Werkstoffe die LOX- Prüfung nicht bestehen und bei Aufschlag eines Schlaggewichts unter kryogenen Bedingungen im flüssigen Sauerstoff reagieren. Ursache hierfür ist eine sehr geringe thermische Leitfähigkeit der Polymere, wodurch die eingebrachte Energie in die Probe nicht von der Aufschlagstelle abtransportiert werden kann und als Folge zu einem signifikanten Anstieg der Temperatur führt. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass durch Verwendung einer sehr gut leitfähigen Faser die LOX-Kompatibilität verbessert wurde. Die Ergebnisse aus der Literatur haben gemeinsam, dass sie den Mechanismus beschreiben, wie eine Probe bei externer Energiezufuhr, unter flüssigen Sauerstoff reagiert. Einige Fragen bleiben allerdings ungeklärt. So beispielsweise der Einfluss der äußeren Bedingungen auf die Prüfergebnisse. Nicht näher untersucht wurde die Fragestellung, weshalb manche Prüfungen inkonsistente Ergebnisse geliefert haben, wie sie beispielsweise bei Bechel et al. [7] aufgetreten sind. Hier wurde der Einfluss der Probengröße und der Abkühlrate der Proben untersucht. Es kam innerhalb der Prüfreihe zu inkonsistenten Tendenzen in Bezug auf Blitz und Rußbildung. Dies führte dazu, dass trotz der Veränderung der Probengröße und der Abkühlrate keine Schlussfolgerung über dessen Einfluss bestimmt werden konnte. Ähnliche Beobachtungen konnten bei der Durchführung von Kompatibilitätsuntersuchungen an dem Prüfstand der Universität der Bundeswehr München gemacht werden. Während der Versuche innerhalb einer Prüfreihe kam es zu inkonsistenten Ergebnisse. Es kam vor, dass mehrere Proben desselben Materials innerhalb einer Prüfreihe reagierten, während in anderen Fällen keine Reaktion auftrat. Die Ursachen für diese Unbeständigkeit sind derzeit nicht bekannt. Es bedarf weiterer Untersuchungen, um die Faktoren zu identifizieren, die zu den unterschiedlichen Ergebnissen führen. Möglicherweise sind äußere Einflüsse dafür verantwortlich. Um dies zu klären, müssen erweiterte Prüfbedingungen geschaffen werden. 3. Prüfstandsaufbau In seiner Grundform besteht der Prüfstand aus einem Rahmen mit zwei Führungsprofilen, zwischen welches das Schlaggewicht reibungsfrei auf den Schlagbolzen fällt. <?page no="90"?> 90 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Abb. 3: Teststand bestehend aus zwei Führungsprofilen zwischen denen die Falleinheit möglichst reibungsfrei auf die Prüfkammer fällt. Reload Einheit ermöglicht die Positionierung der Falleinheit in die Ausgangslage zu Beginn des Versuchs. Die modular aufgebaute Falleinheit hat in ihrer Grundkonfiguration ein Gewicht von 9,1 kg und fällt auf den in der Prüfkammer positionierten Schlagbolzen, der die Energie auf die Probe überträgt Das Schlaggewicht wird über die Steuerung eines Elektromagneten gelöst. Der Elektromagnet ist mit einer verfahrbaren Traverse (Reload-Einheit) verbunden, durch die das Schlaggewicht nach vollendetem Versuch wieder in die Ausgangsposition, im Weiteren „Home-Position“ genannt, befördert wird. Abb. 4: Expositionszeichnung der Reload-Einheit bestehend aus dem Elektromagneten, der S-Förmigen Wägezelle sowie der Anschlussverbindung an den pneumatisch betriebenen Linearantrieb. Die Funktion der Reload-Einheit besteht darin, die Falleinheit in die Ausgangsposition zu befördern und den Versuch über die Steuerung des Elektromagneten zu beginnen Dieser Vorgang wird als „Reload“ bezeichnet. In der Home-Position ist das Schlaggewicht durch pneumatische Riegel gesichert, um ein gefahrloses Austauschen der Probe in der Prüfkammer zu gewährleisten. Neben dem Elektromagneten ist in der Reload-Einheit eine Wägezelle integriert, die das Gesamtgewicht der Falleinheit ermittelt, um die eingetragene Energie in Verbindung mit der Höhe bestimmen zu können. Ein am Grundgerüst befestigter Distanzsensor gibt die Position des Schlaggewichts an und ermöglicht es die Höhe des Rückstoßes der Falleinheit, im Weiteren Rebound genannt, nach erfolgreichem Auftreffen auf den Schlagbolzen zu messen. Dadurch lässt sich die Rückschlag bzw. Restenergie ermitteln. Ziel ist es eine Aussage über die dissipierte Energie zu treffen und in Kombination mit, den über die Zeitmessung, ermittelten Reibungsverlusten und der beim Aufschlag aufgezeichneten Bremsbeschleunigung eine Reaktion der Probe abzuleiten. Zur Messung der Bremsbeschleunigung beim Aufschlag der Falleinheit auf den Schlagbolzen bzw. während dem Rückschlag dieser, wurde ein Beschleunigungssensor in die Schlagspitze der Falleinheit integriert. Dieser ist in Abbildung 5 zu erkennen. Die Gesamtmasse des Schlaggewichts lässt sich durch austauschbare Gewichtselemente variieren. Dadurch ist eine Vielzahl an Versuchen mit jeweils unterschiedlichen Aufschlagenergien durchführbar. Der gesamte Auf bau der Falleinheit ist in Abbildung 5 dargestellt. Abb. 5: Expositionszeichnung der Falleinheit bestehend aus dem Impactor, den Traversen und dem gehärteten Schlagkopf, der mit einem Beschleunigungssensor zur Messung der Bremsbeschleunigung bei Aufschlag der Falleinheit auf den Schlagbolzen, versehen ist Der Schlagkopf der Falleinheit wurde aus einem ledeburitischen Kaltarbeitsstahl mit hoher Verschleißfestigkeit nach Norm gefertigt und anschließend gehärtet. Der Impactor besteht aus einem Edelstahl, wie auch das Konterstück, welches die obere Traverse fixiert. Die Traversen sind aus einem hochfesten Aluminiumwerkstoff gefertigt. Um ein wiederholtes Auftreffen des Schlaggewichts auf den Schlagbolzen zu verhindern, ist ein Auffangmechanismus konstruiert worden. Pneumatisch ausfahrba- <?page no="91"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 91 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben re Stifte fixieren die Falleinheit nach Aufprall auf den Schlagbolzen in einer Höhe von ca. 20 mm über dem Schlagbolzen. Abb. 6: Auf bau des Prüfstands mit pneumatischer Komponente zur Sicherung der Falleinheit in der Home- Position, als auch nach dem Aufprall auf den Schlagbolzen. Die Homezylinder sichern die Falleinheit vor ungewollten Herabfallen auf die Prüfkammer und sind im passivierten Zustand des Prüfstandes ausgefahren Die Prüfkammer besteht aus der am Betonboden fixierten Grundplatte, dem darüberliegenden Amboss und einer darauf befestigten Probenhalterung [Abbildung 7]. Durch diese Konfiguration kann der Amboss, auf dem der Probenbecher aufliegt, je nach Prüfszenario ausgetauscht werden. Abb. 7: Zusammenstellung der Prüfkammer, bestehend aus der am Boden fixierten Grundplatte, dem modular austauschbaren Amboss, gefertigt aus einem gehärteten Werkzeugstahl, einem Probenbecherhalter sowie dem Probenbecher und dem Probenkörper, der zwischen dem Probenbecher und dem Schlagbolzen liegt. Der Bolzenhalter fixiert den Schlagbolzen auf der Probe und verhindert ein Umkippen Durch diesen Auf bau der Prüfkammer können die Untersuchungen entsprechend der ASTM Norm G86 [3] als auch davon abweichend durchgeführt werden. Eine auf die Prüfkammer gerichtete Kamera zeichnet die Reaktion bei Aufprall des Schlaggewichts auf die Probe auf und ermöglicht eine Aussage darüber, ob eine Reaktion in Form eines aufgetretenen Blitzes bzw. Explosion stattgefunden hat. Die gesamte Steuerung des Prüfstandes wird durch eine SPS-Programmierung realisiert. Dadurch können die pneumatischen Antriebssysteme und Stopperzylinder gesteuert, als auch die Daten der Messtechnik gespeichert und ausgegeben werden. Abb. 8: Steuerungseinheit des Prüfstandes setzt sich zusammen aus dem Schaltkasten mit inkludierter Benutzerschnittstelle und der Druckluftversorgung Für eine einheitliche und reproduzierbare Durchführung der Kompatibilitätsversuche, bezogen auf vorliegende Umwelteinflüsse, wurde ein Reinraumzelt um den Prüfstand realisiert. <?page no="92"?> 92 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Abb. 9: Reinraumzelt mit Lamellenvorhang und einer Reinheitsklasse nach ISO 8, die den Prüfstand und den umliegenden Arbeitsplatz umfasst Durch die Filteranlagen des Reinraumzeltes wird eine konstante Luftqualität mit einem Wert von ISO 8 nach ISO 14644 erreicht. Durch die Schwebstofffilter der Klasse H14 können Partikel > 0,3 μm zu 99,9995% abgefiltert werden. Des Weiteren lassen Sich die Proben vor der Versuchsdurchführung bei gleichbleibenden Bedingungen, in einer Konstantklimakammer, auslagern. Dadurch können die Proben bei gleichbleibenden klimatischen Bedingungen, welche sich aus Temperatur und Luftfeuchtigkeit zusammensetzen, einheitlich dem Prüfverfahren zugeführt werden. Zusammenfassend wurden folgenden Punkte ausgeführt, um den Prüfstand aus der Norm ASTM G86 [3] zu erweitern und darüber hinaus weiterer wissenschaftliche Erkenntnisse zu erhalten: • Modulare Ausführung der Falleinheit mit integrierter Messtechnik sowie einer anpassbaren Prüfkammer • Veränderbares Fallgewicht durch austauschbare Gewichtsplatten • Einbau eines Löse- und Auffangmechanismus zur präziseren Steuerung des Schlaggewichts • Höhenverstellbare Ausgangsposition für den Fallschlitten • Erhöhen der Prüfeffektivität durch verfahrbares Schlaggewicht • Verglaste Einhausung des Prüfstands zum Schutz des Bedieners • Schaffung von Reinraumbedingungen um den Prüfstand • Schaffung von einheitlichen und reproduzierbaren Prüfabläufen, durch neuentwickelte Reinigungs- und Auslagerungsprozesse • Integration eines 50.000-g Schock-Beschleunigungssensors zur Aufzeichnung der Bremsbeschleunigung bei Aufprall auf den Schlagbolzen • Aufzeichnung der Fallgeschwindigkeit zur Überwachung der Reibungsverluste und zur Bestimmung der Fallenergie • Aufzeichnung der Rückschlaghöhe des Fallschlitten nach Aufprall auf den Schlagbolzen • Visuelle Auswertung des Versuchs durch eine in den Prüfstand integrierte Kamera 4. Modularer Ansatz des Prüfstandes zur Untersuchung verschiedener Einflussparameter auf die Reaktivität Der modulare Ansatz des Prüfstandes sieht vor, einzelne Prüfparameter für die durchzuführenden Kompatibilitätsmessungen verändern zu können. Dazu zählen: • Schlagbolzen Konfiguration • Art der Probeneinspannungen in der Prüfkammer • Variation der Art und Höhe der Aufprallenergie • Veränderung des Prüfablaufes • Reinigungs- und Vorbereitungsprozesse •Wie aus der Literatur bekannt, können die Oberflächenbeschaffenheiten des Schlagbolzens, als auch die der Probe und des Probenbechers Einfluss auf das Prüfergebnis zur Kompatibilitätsbestimmung nehmen. Um einen wirkenden Einfluss bestimmen zu können, ist es möglich, bei sonst gleichbleibenden Bedingungen, die Schlagbolzen zu ersetzen. Abbildung 10 zeigt drei beispielhafte Konfigurationen, mit denen am Prüfstand Versuche durchgeführt werden können. Abb. 10: Drei Schlagbolzen Konfigurationen anhand derer der Einfluss der Oberfläche auf das Testverfahren untersucht werden kann a) Standardausführung nach Norm ASTM G86 [3]. b) Schlagbolzen mit gerändelter Oberfläche. c) Schlagbolzen mit abgerundeter Oberfläche ohne Rand <?page no="93"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 93 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Neben der Auswahl unterschiedlichen Schlagbolzen, kann durch den modular aufgebauten Prüfstand das Testverfahren dadurch erweitert werden, dass direkt mit der Falleinheit die zu untersuchende Probe beschlagen wird. Dadurch ergibt sich eine gänzlich unterschiedliche Aufpralldynamik. Hierfür wird der Schlagkopf, wie er in Abbildung 5 dargestellt ist, durch einen geeigneten Aufsatz ersetzt. Ebenso wird der Probenbecherhalten entfernt und die Probe in einem verformbaren Aluminiumbecher auf den Amboss gelegt. Des Weiteren können aufgrund der modular aufgebauten Prüfkammer [Abbildung 7] weitere Testszenarien geprüft werden. So lassen sich durch Wechsel des Ambosses, neue Prüf bedingungen schaffen. Ein Beispiel für eine Erweiterung des Prüfverfahrens liegt darin, die Einspannung der Probe während dem Versuch zu verändern. Laut Norm ASTM G86 [3] befindet sich die Probe in direktem Kontakt mit dem Probenbecher und dem Schlagbolzen. Um das Verständnis des Prüfablaufes zu erweitern, kann beispielsweise der in Abbildung 11 dargestellte Amboss eingesetzt werden. Abb. 11: Beispielhafte Variante einer Prüfkammer mit welcher der Einfluss der Probeneinspannung auf den Reaktionsprozess untersucht werden soll. Sie eignet sich für eine rechteckige Probe, welche in die Probenfassung des Ambosses eingelegt wird. Eine Aussparung im Amboss ermöglicht es eine einseitig freiliegende Probe zu testen, um eine realitätsnahen Versuch durchzuführen Im Vergleich zu der Probeneinspannung aus Abbildung 7, bei der die Probe in einem Probenbecher auf dem Amboss aufliegt und durch den Schlagbolzen fixiert wird, befindet sich die Probe für die in Abbildung 11 dargestellte Variante in direktem Kontakt mit dem Amboss. Die hierfür in rechteckiger Form zu fertigende Probe, wird in die Probenfassung des Ambosses eingelegt und durch den Probenbecherhalten [Abbildung 7] fixiert. Durch die Aussparung ergibt sich, im Vergleich zu der Grundvariante des Ambosses, die Möglichkeit die Kompatibilitätsuntersuchung bei einseitig freiliegender Probe durchzuführen. In die konische Öffnung des Probenbecherhalters wird der Schlagbolzen auf die Probe gelegt und die Kammer mit flüssig Sauerstoff gefüllt. Demzufolge kann untersucht werden, wie sich der Aufschlag bei einseitig freiliegender Probe auf die Versuchsergebnisse auswirkt. Ziel ist die Durchführung von Kompatibilitätsuntersuchungen, die bezogen auf die Belastungsart der Probe, den realen Impacts eines kryogenen Oberstufentanks realitätsnah wiedergeben. Eine weitere variable Testbedingung ist die Art und Höhe der übertragenen Aufprallenergie auf die Probe. Die Fallhöhe des Schlaggewichts kann stufenlos in einem Bereich zwischen 0,02 m bis 2,7 m über dem Schlagbolzen eingestellt werden. Außerdem kann durch Austausch des Impactors sowie Hinzunahme von Gewichtselementen das Fallgewicht variiert werden. Durch Kombination der beiden genannten Parameter, kann sowohl die Fallenergie respektive die kinetische Energie verändert und deren Einfluss auf den Reaktionsprozess untersucht werden. Wie aus der Literatur bereits bekannt, kann der mehrmalige Aufprall der Falleinheit auf den Schlagbolzen eine zusätzliche Reaktion verursachen. Dadurch verändert sich auch das Schadensbild der Probe, wodurch eine nachträgliche Schadensaufnahme der Probe erschwert wird. In den Prüfstand integrierte Stopperzylinder verhindern ein erneutes Auftreffen des Schlaggewichts auf die Probe und ermöglichen so eine unverfälschte Schadensaufnahme nach dem Versuch. Durch die Integration des Prüfstandes in einen Reinraum, sowie der Verwendung einer Konstantklimakammer zur Auslagerung der Proben vor der jeweiligen Testkampagne, können die wirkenden äußeren Umwelteinflüsse auf den Versuch minimiert werden. Hierzu machen die Normen keine Angaben und man ist in der Probenvorbehandlung nach Norm relativ frei. Die Bedingungen, unter welchen die Proben in der Konstantklimakammer nun ausgelagert werden, lassen sich variieren. Durch Kombination der Reinigungsprozesse und der Lagerungsbedingungen können die wirkenden Einflüsse nun mithilfe des Prüfstandes wissenschaftlich untersucht werden. Dadurch lässt sich eine Aussage generieren, wie sich die Reinigungs- und Auslagerungsprozesse auf die Ergebnisse der Kompatibilitätsmessungen auswirken. 5. Messtechnik zur Aufzeichnung der Reaktion Für die Aufzeichnung sowie Regelung des Versuches wurde eine speicherprogrammierbare Steuerung in den Prüfstand integriert. Diese ist über eine am Prüfstand befestigte Schnittstelle bedienbar [Abbildung 8]. Eine Zweihandschalterkombination löst den Start des Versuchs aus. Die Automatisierung wird durch eine S7-1200 CPU der Marke Siemens AG, München, Deutschland ermöglicht. Diese wird über eine Stromversorgung SITOP power 5 A mit 24 DC, der Marke Siemens AG, München, Deutschland versorgt. Neben der Zentralbaugruppen der Steuerung sind Relaisbausteine in dem Schaltschrank implementiert. Durch die Ausgangssignale der CPU können diese geschalten werden und ermöglichen es so Automatisierungsaufgaben durchzuführen. Der eingebaute Wägetransmitter ermöglicht die Auswertung der Gewichtsmessungen, über die in der Reload-Einheit integrierten S-Wägezelle S20S der Firma Bosche GmbH & Co. KG, Damme, Deutschland. <?page no="94"?> 94 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Über das HMI kann nach erfolgreich durchgeführtem Versuch, die Messwerte abgelesen und die Falleinheit in ihre Homeposition zurückbefördert werden. Die genauen Steuerungsmöglichkeiten über das HMI sind in Abbildung 12 dargestellt. Abb. 12 Interface der Steuerungseinheit, die sich in die Bedienelemente für die Tür- und Programmsteuerung sowie die Darstellung der Messwerte unterteilt Über die Bedienelemente „Start Test“, „Reload“ und „Stop“ des HMI kann der Prüfprozess gesteuert werden. Der aktuelle Programmstatus kann im Hauptmenü des HMI abgelesen werden. Über das HMI lassen sich die Messwerte für das geladene Gewicht, die Fallhöhe respektive die Rückschlaghöhe sowie die Fallzeit ablesen. Mit diesen Informationen können die Reibungsverluste des Fallschlittens bestimmt werden. Eine Abweichung von maximal +-3% der theoretisch berechneten Fallzeit sind laut Norm ASTM G86 [3] zulässig. Ebenfalls in die Steuerung integriert ist die Bestimmung der Fallhöhe. Durch einen Distanzsensor, welcher am Grundgerüst befestigt ist, kann die Position der Falleinheit ermittelt werden. Dadurch lassen sich die Starthöhe sowie die Rückschlaghöhe des Fallschlitten bestimmen. Ein Vergleich der Rückschlaghöhe zwischen den einzelnen Versuchsdurchläufen könnte einen Indikator liefern, welcher eine Aussage darüber zulässt, ob eine Reaktion stattgefunden hat, oder sich die Versuchsparameter geändert haben. Für die Aufzeichnung der Daten des Beschleunigungsvorgangs vom Aufprall der Falleinheit auf den Schlagbolzen sowie den darauffolgenden Rückstoß, wurde ein Beschleunigungssensor gewählt, der für die auftretenden Bremsbeschleunigungen geeignet ist. Dabei gilt es, ein maximal nutzbares Frequenzband zur Durchführung einer Schwingungsmessung zu erhalten. Für die Messung der Bremsbeschleunigung bei Aufschlag ist vor allem der „Bremsweg“ entscheidend, da dieser Maßgeblich für die auftretenden Kräfte ist. Der Bremsweg ist unter anderem von der verwendeten Probe sowie der ablaufenden Reaktion bei Aufprall der Falleinheit abhängig. Für den hier zu erwartenden Anwendungsfall wurde ein Sensor des Typs 8743A50 der Firma Kistler Instrumente AG, Winterthur, Schweiz gewählt. Diese Baureihe eignet sich aufgrund der kleinen Bauform, der hohen Beschleunigungswerte und der Möglichkeit zur Schraubenmontage für den hier gewählten Einsatz. Ziel ist die Bestimmung der Rückstoßenergie mithilfe der aufgezeichneten Daten, um so eine Aussage über den Reaktionsprozess zu erlangen. Für die Messung der sehr schnell ablaufenden Ereignisse, ist ein leistungsfähiges Messdatenerfassungssystem welches transienten Signale verarbeiten kann notwendig. Außerdem muss die Versorgung der IEPE-Sensoren mit dem notwendigen Betriebsstrom gewährleistet sein. Im Rahmen des Prüfstandauf baus wurde ein mobiles Datenmesserfassungssystem des Typs XHS der Firma DEWE- Soft Deutschland GmbH, Unterensingen, Deutschland eingesetzt. Hier können sowohl Abtastrate als auch Auflösung angepasst werden. 6. Ausblick Aufgrund des modularen Auf baus und der erweiterten Prüfperipherie, bestehend aus Reinraum und Konstantklimakammer, können bereits einige Prüfparameter variieret und deren Einfluss auf den Reaktionsprozess untersucht werden. Die Anzahl der veränderbaren Parameter gilt es in der Zukunft zu erweitern. So soll unter anderem der Einfluss der Faserstäube auf den Reaktionsmechanismus untersucht werden. Hierzu ist die Integration einer Absaugung in den Prüfstand geplant. Dadurch kann zusätzlich der Bediener vor Faserstäuben und entstehenden Nebenprodukte des Verbrennungsvorganges der Probe geschützt werden. Des Weiteren sollen in Zukunft die Einflüsse des zeitlichen Ablaufes zwischen dem Einlegen der Probe und dem Start des Versuches näher betrachtet werden. In diesem Zuge soll geprüft werden, inwiefern sich das vorgeschaltete Abkühlen der ganzen Prüfkammer auf den Reaktionsprozess auswirkt. Bisher werden lediglich der Schlagbolzen und die Probe vor einer Prüfreihe auf - 183 Grad Celsius heruntergekühlt. Neben der Erweiterung der Prüfparameter soll ein Verfahren entwickelt werden, welches die Erkennung einer Reaktion der Probe im flüssigen Sauerstoff automatisiert ermöglicht. Dazu sollen die Informationen aus dem Beschleunigungssensor, dem Distanzsensor und der Highspeed-Kamera zusammengeführt und für die Reaktionsbestimmung genutzt werden. 7. Resumee Der Einsatz von carbonfaserverstärkten Kunststoffen für zukünftige Tanksysteme, bei denen flüssiger Sauerstoff als Oxidationsmittel gespeichert werden soll, ist für den Einsatz in modernen Trägerraketen unabdingbar. Die korrekte Untersuchung bezüglich der Kompatibilitätseigenschaften des Materials spielt eine entscheidende Rolle bei der Materialauswahl und Qualifizierung. Durch den Auf bau des neuentwickelten modularen Prüfstands für die Kompatibilitätsprüfung von carbonfaserverstärkten Kunststoffen mit flüssigem Sauerstoff wird durch die Universität der Bundeswehr München ein wesentlicher Beitrag zur Aufrechterhaltung des Forschungsstandort Deutschland geleistet. <?page no="95"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 95 Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung des Reaktionsmechanismus von Flüssigsauerstoff mit carbonfaserverstärkten Kunststoffproben Durch Veränderung verschiedenster Parameter des Prüfstandes können die Einflussgrößen auf den Reaktionsprozess untersucht und ausgewertet werden. Ziel ist es ein Verständnis darüber zu erlangen, wie das Prüfverfahren konsistente und reproduzierbare Ergebnisse liefern kann. Durch Integration von Messtechnik lassen sich zudem umfassende Informationen generieren, die eine erweiterte Kenntnis über den Ablauf des Versuches ermöglichen. Wir danken dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Bonn für die Unterstützung bei dem Fördervorhaben MODULOX, Förderkennzeichen FKZ 50RL2299, welches durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz der Bundesrepublik Deutschland (BMWK), Berlin gefördert wurde. Dank der Unterstützung konnte der Prüfstand erfolgreich an der Universität der Bundeswehr München aufgebaut und die bisher durchgeführten Forschungsarbeiten durchgeführt werden. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse wären ohne die finanzielle und institutionelle Unterstützung des DLR und des BMWK nicht möglich gewesen. Literatur [1] Li, S.; Cui, Y; Jinrui, Y.: Liquid oxygen compatibility of epoxy matrix and carbon fiber reinforced epoxy composite. Composites Part A, Elsevier 2022, S. 154 [2] Gerzeski, R.: Improving the D 2512 LOX compatibility of composites by using thermally conductive graphite fibers. Air Force Research Laboratory, 2005 [3] ASTM G86-98: Standard Test Method for Determining Ignition Sensitivity of Materials to Mechanical Impact in Ambient Liquid Oxygen and Pressurized Liquid and Gaseous Oxygen Environments. USA, ASTM International 2017 [4] ISO 21010: Cryogenic vessels — Gas/ material Compatibility. Switzerland: ISO Third edition 2017-12 [5] Hongyu, W.; Cong, P.; Shichao, L.: Improvement of the liquid oxygen compatibility of epoxy via the addition of surface-modified boehmite; Journal of applied polymer science 2018, APP.46918 [6] Duo, C.; Juanzi, L.; Yuhuan, Y.: A review of the polymer for cryogenic application: Methods, Mechanisms and Perspectives. Polymers, 13 2020, Seite 320 [7] Bechel, V.; Kim, R.Y.; Tudela, M.A.: LOX Impact compatibility testing considerations for polymer matrix composites. Schaumburg, IL, 49th AIAA/ ASME/ ASCE/ AHS/ ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2008, <?page no="97"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 97 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Sebastian Preintner M. Sc. Michael Geitner M. Sc. Bernd Morhard M. Sc. Dr.-Ing. Thomas Lohner Dr.-Ing. Thomas Tobie Prof. Dr.-Ing. Karsten Stahl Technische Universität München, School of Engineering and Design, Department of Mechanical Engineering, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG), Boltzmannstraße 15, 85748 Garching bei München, Deutschland Oliver Seuffert Dr.-Ing. Simon Härtl Strama-MPS Maschinenbau GmbH & Co. KG, Straubing, Deutschland Zusammenfassung Getriebe kommen zum Einsatz, um die Drehzahl und das Drehmoment zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebsmaschine zu wandeln. Hierdurch können die jeweiligen Maschinen in einem möglichst optimalen Arbeitspunkt betrieben werden. Infolge der zunehmenden Elektrifizierung von Antriebssystemen sowie dem Bestreben nach höchster Effizienz ist ein Trend hin zu hochdrehenden E-Maschinen zu erkennen. Hieraus ergeben sich neue Herausforderungen an Getriebe in E-Anwendungen, u.-a. hinsichtlich Noise Vibration Harshness (NVH), Wirkungsgrad und Tragfähigkeit. Damit einhergehend steigen auch die Anforderungen an die entsprechende Prüfmethodik und die hierfür genutzten Prüfstände. In einem Kooperationsprojekt zwischen der Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebesysteme (FZG) und Strama-MPS wurde ein neuartiger FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand entwickelt, der Untersuchungen bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 70-m/ s (18.000 min -1 ) ermöglicht. 1. Einführung Hochleistungsschmierstoffe, wie sie in der Antriebstechnik zahlreich zum Einsatz kommen, müssen den stetig steigenden Anforderungen moderner Getriebe gerecht werden. Dem Schmierstoff wird dabei ein maßgeblicher Einfluss auf Wirkungsgrad und Zahnradtragfähigkeit zugeschrieben. Da sich das Reibungsverhalten sowie die Wechselwirkungen zwischen Schmierstoff und Zahnradwerkstoff nicht zuverlässig vorhersagen lassen, werden Schmierstoffe im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die gängigen Zahnradschäden Fressen, Graufleckigkeit, Verschleiß und Grübchen in der Regel experimentell geprüft und charakterisiert. Dazu wurden an der FZG verschiedene, meist genormte Prüfmethoden zur Charakterisierung des Schmierstoff-Leistungsvermögens entwickelt. Derzeitige Entwicklungen, insbesondere in E-Mobility- Anwendungen, zeigen einen eindeutigen Trend hin zu hohen E-Maschinendrehzahlen, um die Effizienz bzw. Reichweite zu erhöhen. Dazu werden neue Schmierstoffformulierungen entwickelt, die u.-a. zu einem gesteigerten Wirkungsgrad führen. Um deren Leistungsfähigkeit unter anwendungsnahen und praxisüblichen Bedingungen zu beurteilen, wurde in Kooperation zwischen FZG und Strama-MPS ein neuartiger FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand entwickelt, der Untersuchungen bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 70-m/ s (18.000-min -1 ) ermöglicht. Dieses Paper gibt zunächst eine kurze Übersicht zu gängigen Flankenschäden und zum Getriebewirkungsgrad sowie zu den entsprechenden Prüfverfahren am FZG- Zahnradverspannungsprüfstand, in Anlehnung an [1]. Im Fokus stehen anschließend vor allem Auf bau und Prüfmöglichkeiten sowie der innovative Charakter des neuartigen Hochdrehzahl-Prüfstands. Dabei wird auch auf die Herausforderungen bei der Konzeption und Entwicklung eingegangen, welche infolge der hohen Drehzahlen entstehen. 2. FZG-Zahnradverspannungsprüfstand (Standard) Der standardisierte FZG-Zahnradverspannungsprüfstand mit einem Achsabstand von a = 91,5 mm [2] basiert auf dem Prinzip des Leistungskreises (engl.: back-to-back) und dient der Untersuchung von Stirnrädern im Zusammenspiel mit dem verwendeten Schmierstoff. Der Prüfstand ist schematisch in Abb. 1 dargestellt. <?page no="98"?> 98 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 1: Standardisierter FZG-Zahnradverspannungsprüfstand (schematisch), in Anlehnung an [2] Der Prüfstand wird von einem dreiphasigen Asynchronmotor angetrieben. Die maximale Drehzahl des Motors beträgt 3000 min -1 . Prüfritzel und Prüfrad sind auf zwei parallelen Wellen montiert, die mit einem Übertragungsgetriebe mit gleicher Übersetzung verbunden sind. Die Welle des Prüfritzels besteht aus zwei getrennten Teilen, die durch eine Lastkupplung gekoppelt sind. Durch Verdrehen der Lastkupplung (z.-B. mit definierten Gewichten am Lasthebel oder einer Verspanneinrichtung) wird ein definiertes statisches Drehmoment aufgebracht. Das Drehmoment kann indirekt an der Torsionsmesskupplung als Verdrehung der Torsionswelle gemessen werden. Der Motor muss für den stationären Betrieb nach dem Hochlauf nur die Verlustleistung der beiden Getriebe in den geschlossenen Leistungskreislauf einspeisen. Typischerweise (u.-a. für Fress- und Graufleckentests) ist das Rad auf der Torsionswelle montiert und hat die gleiche Drehzahl wie der Motor. Die Verspannung wird so vorgenommen, dass das Ritzel das Rad antreibt. Hinsichtlich Schmierungsart des Prüfstands kann zwischen Tauch- und Einspritzschmierung gewählt werden. Eine Schmierung mit Öl und Fett ist möglich. Die Temperatur des Schmierstoffs lässt sich über ein Heiz- und Kühlsystem regeln. Bei Tauchschmierung werden Heizstäbe und Kühlrohre im Getriebegehäuse zur Temperaturregelung verwendet. Bei der Einspritzschmierung regelt ein Ölaggregat die Einspritzmenge von i.-d.-R. 2 l/ min und die Einspritztemperatur. [1,2] 3. Etablierte Testmethoden 3.1 Fressen Fressen bezeichnet einen Spontanschaden an der Zahnflanke, welcher in der Regel einen Komplettausfall des Getriebes zur Folge hat. Hierbei kommt es infolge der hohen Pressungen und Temperaturen im Zahnkontakt zu einem Schmierfilmabbruch und somit zum Festkörperkontakt zwischen den abwälzenden Zahnflanken. Hieraus resultieren lokale Verschweißungen der korrespondierenden Zahnflanken, welche durch das weitere Abwälzen der Zahnräder instantan aufgebrochen werden. Dementsprechend kommt es zu einem Materialübertrag zwischen den beiden Wälzpartnern. [3, 4] Das charakteristische Schadensbild ist in Abb. 2 dargestellt. Abb. 2: Fressspuren auf einer Zahnflanke einer FZG Typ-A Prüfverzahnung Die Fresstragfähigkeit kann anhand des in DIN ISO 14635-1 [2] beschriebenen Testverfahrens ermittelt werden. Der Test wird an einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung dient eine Verzahnung vom Typ FZG-A. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 16 Zähnen am Ritzel und z 2 = 24 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n = 4,5 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und ohne Flankenkorrekturen ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-=-91,5-mm und die tragende Zahnbreite b = 20 mm. Die Prüfverzahnung wird aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 gefertigt, auf eine Oberflächenhärte von 60 - 62 HRC einsatzgehärtet und auf eine Flankenrauheit von Ra 1/ 2 = 0,35/ 0,3 ± 0,1 μm geschliffen. Der Fresstest umfasst entsprechend DIN ISO 14635-1-[2] 12 Kraftstufen mit jeweils 15 Minuten Laufzeit. Das Drehmoment nimmt mit steigender Kraftstufe zu. Das Drehmoment in Kraftstufe 1 beträgt T 1,KS1 = 3,3 Nm am Ritzel und kann ein Drehmoment von T 1,KS12 -=-534,5-Nm in Kraftstufe 12 erreichen. Die hieraus resultierende Hertz’sche Pressung im Wälzpunkt wird von p C,KS1 = 146,0-N/ mm 2 auf maximal p C,KS12 -=-1841-N/ mm 2 erhöht. Die Prüfraddrehzahl beträgt n 2 = 1450 min -1 , was einer Umfangsgeschwindigkeit von v t = 8,3 m/ s entspricht. Die Verzahnung wird über eine Tauchschmierung mit Schmierstoff versorgt. Das entsprechende Ölvolumen beträgt 1,25 l. Mit Beginn der Kraftstufe 5 wird der Ölsumpf aktiv auf eine Starttemperatur von ϑ Öl = 90 °C vorgeheizt. Während des Prüflaufes darf die Schmierstofftemperatur ungeregelt ansteigen. Mit Beginn der Kraftstufe 4 erfolgt nach jedem Prüflauf eine visuelle Kontrolle der Zahnflanken. Sobald die Summe aller Fresser und Riefen am Ritzel eine Breite von 20 mm erreicht, wird der Fresstest beendet und die entsprechende Kraftstufe als Schadenskraftstufe festgelegt. Die Schadenskraftstufe erlaubt somit eine Bewertung der <?page no="99"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 99 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Fresstragfähigkeit eines Schmierstoffs. Wird das Fresskriterium nicht erfüllt, endet der Test nach Kraftstufe 12. Der Ablauf des Fresstests nach DIN ISO 14635-1 [2] ist in Abb. 3 dargestellt. Abb. 3: Ablauf des Fresstests nach DIN ISO 14635-1 [1] Der Fresstest nach DIN ISO 14635-1 [2] wird mit A/ 8,3/ 90 gekennzeichnet und wird für Industrieöle verwendet. Hierbei kennzeichnet „A“ die Prüfverzahnung als Typ FZG-A, „8,3“ die Umfangsgeschwindigkeit von v t = 8,3 m/ s und „90“ die Öltemperatur von ϑ Öl = 90 °C. Basierend auf der Testprozedur A/ 8,3/ 90 wurden weitere Testmethoden entwickelt, um die Untersuchung hochtragfähiger Öle zu ermöglichen. Hierbei werden die Öltemperatur, Umfangsgeschwindigkeit, Zahnbreite sowie Drehrichtung angepasst. In Abb. 4 sind weitere Testmethoden aufgeführt, welche auf dem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt werden. Abb. 4: Weitere Testmethoden zur Bestimmung der Fresstragfähigkeit am FZG-Zahnradverspannungsprüfstand [1] 3.2 Graufleckigkeit Graufleckigkeit bezeichnet einen Ermüdungsschaden an der Zahnflanke, welcher die Lebensdauer eines Getriebes reduzieren kann. Hierbei handelt es sich um eine Vielzahl feinster Risse und Ausbrüche, welche sich auf der Flanke durch ein matt graues Erscheinungsbild äußern (vgl. Abb. 5). Graufleckigkeit entsteht bevorzugt in Flankenbereichen, welche durch negatives spezifisches Gleiten belastet werden, beschränkt sich jedoch nicht auf diese. Als besonders gefährdet gelten oberflächengehärtete Zahnflanken, die bei einer Umfangsgeschwindigkeit <-10 m/ s betrieben werden [5, 6]. Weitere Einflussgrößen stellen die Zahnflankenrauheit, Betriebstemperatur, Schmierstoffadditivierung und -viskosität sowie der Werkstoff dar [5]. Abb. 5: Graufleckigkeit auf einer Zahnflanke einer FZG Typ-C-GF Prüfverzahnung Die Graufleckentragfähigkeit kann anhand des in DIN-3990-16 [7] beschriebenen Graufleckentests ermittelt werden. Der Test wird an einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung dient eine Verzahnung vom Typ FZG-C-GF. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 16 Zähnen am Ritzel und z 2 -=-24 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n -=-4,5 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und ohne Flankenkorrekturen ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-=-91,5-mm und die tragende Zahnbreite b = 14 mm. Die Prüfverzahnung wird aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 gefertigt, auf eine Oberflächenhärte von 750-HV einsatzgehärtet und auf eine Oberflächenrauheit von Ra 1/ 2 = 0,5 ± 0,1 μm geschliffen. Der Graufleckentest setzt sich aus einem Stufentest mit 6 Kraftstufen sowie einem anschließendem Dauertest mit 6 Prüfintervallen zusammen. Die Laufzeit je Kraftstufe entspricht 16 h, die Laufzeit je Prüfintervall 80 h. Vor dem Beginn des Graufleckentests wird ein Einlauf bei Kraftstufe 3 mit einem Drehmoment am Ritzel von T 1,KS3 = 29 Nm durchgeführt, um eine Glättung der Flankenoberfläche zu erreichen. Der Prüflauf beginnt bei Kraftstufe 5 mit einem Drehmoment von T 1,KS5 = 70 Nm am Ritzel und erreicht in Kraftstufe 10 ein Drehmoment von T 1,KS10 - =- 265 Nm. Die hieraus resultierende Hertz’sche Pressung im Wälzpunkt wird von p C,KS5 -=-510 N/ mm 2 auf p C,KS10 = 1547 N/ mm 2 erhöht. Die Ritzeldrehzahl beträgt n 1 = 2250 min -1 , was einer Umfangsgeschwindigkeit von v t = 8,3 m/ s entspricht. Die Prüfverzahnung wird über eine Einspritzschmierung mit Schmierstoff versorgt. Die entsprechende Einspritzmenge beträgt 2,0-l/ min bei einer Einspritztemperatur von ϑ Öl = 90 °C. In bestimmten Fällen kann die Einspritztemperatur dem jeweiligen Anwendungszweck angepasst werden. Die Prüfprozedur ist in Abb. 6 dargestellt. <?page no="100"?> 100 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 6: Ablauf des Graufleckentests nach DIN-3990-16 [7] 3.3 Verschleiß Verschleiß bezeichnet einen Flankenschaden, welcher durch einen kontinuierlichen Materialabtrag an der Zahnflankenoberfläche charakterisiert ist. Diese Schadensart kann bei Betriebsbedingungen beobachtet werden, deren Schmierungszustand dem des Grenz- und Mischschmierungsregimes entspricht. Verschleiß bedingt eine Profilformabweichung, woraus weitere Folgeschäden, wie beispielsweise Zahnfußbruch, resultieren können. Das Schadensbild ist in Abb. 7 dargestellt. Abb. 7: Verschleiß auf einer Zahnflanke einer FZG Typ-PT Prüfverzahnung Die Verschleißtragfähigkeit kann entsprechend der in DGMK 377 [8] beschriebenen Prüfprozedur ermittelt werden. Der Test wird an einem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung dient eine Verzahnung vom Typ FZG-C-PT. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 16 Zähnen am Ritzel und z 2 -=-24 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n = 4,5 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und ohne Flankenkorrekturen ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-=-91,5-mm und die tragende Zahnbreite b = 14 mm. Die Prüfverzahnung wird aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 gefertigt, auf eine Oberflächenhärte von 750-HV einsatzgehärtet und auf eine Oberflächenrauheit von Ra 1/ 2 = 0,3 ± 0,1 μm geschliffen. Der Verschleißtest setzt sich aus drei Prüfabschnitten zusammen. Die Prüfverzahnung wird hierbei mittels Tauchschmierung mit Schmierstoff versorgt. Der erste Abschnitt umfasst 2x 12.500 Lastwechsel bei einer Drehzahl von 13 min -1 (v t -=-0,05-m/ s), einer Hertz’schen Pressung von p C -=-1853 N/ mm 2 im Wälzpunkt und einer Öltemperatur von ϑ Öl = 90 °C. Im zweiten Abschnitt wird die Öltemperatur auf ϑ Öl -=-120-°C erhöht. Im dritten Abschnitt wird die Öltemperatur wieder auf ϑ Öl = 90 °C reduziert und die Ritzeldrehzahl erhöht, sodass sich eine Umfangsgeschwindigkeit von v t -=-0,57-m/ s ergibt. Alternativ können auch hiervon abweichende Temperaturen und Drehzahlen gewählt werden. Die Auswertung des Verschleißtests sieht eine Dokumentation des Masseverlusts sowie eine anschließende Einordung in die entsprechende Verschleißkategorie vor. Mithilfe der Verschleißkoeffizienten kann der zu erwartende Verschleiß im entsprechenden Anwendungsfall bestimmt werden [9]. Abb. 8: Auswertung mehrerer Verschleißtests 3.4 Grübchen (Pitting) Grübchen (engl. Pitting) ist ein Ermüdungsschaden, welcher durch muschelförmige Materialausbrüche auf der Zahnflanke charakterisiert ist (vgl. Abb. 9). Hierbei kommt es im Zusammenspiel aus Hertz’scher Pressung, Temperatur, Gleitverhältnissen, Vorschädigungen sowie Werkstoff- und Schmierstoffeigenschaften zu oberflächennahen Anrissen. Infolge des Risswachstums kommt es zu Materialausbrüchen, welche zu einer verstärkten Geräusch- und Vibrationsentwicklung sowie im Falle einer progressiven Grübchenbildung zum Zahnfußbruch führen können. [6] <?page no="101"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 101 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 9: Grübchen auf einer Zahnflanke einer FZG Typ- C-PT Prüfverzahnung Die Grübchentragfähigkeit kann anhand des in FVA 2/ IV [10] beschriebenen Pittingtests als Kurzprüfverfahren für die Prüfung von Schmierölen oder auf Basis von umfassenderen Wöhlerversuchen entsprechend den Empfehlungen der FVA-Richtlinie FVA 563/ I [11] ermittelt werden. Beide Testprozeduren werden an einem FZG-Verspannungsprüfstand durchgeführt. Als Prüfverzahnung für den Pittingtest nach FVA 2/ IV wird eine Verzahnung vom Typ FZG-C-PT verwendet (vgl. Abschnitt 3.4). Für Wöhlerversuche zur Grübchentragfähigkeit nach FVA 563/ I kommt häufig eine Verzahnung vom Typ 17/ 18 als Prüfverzahnung zum Einsatz. Diese ist als Geradverzahnung mit z 1 = 17 Zähnen am Ritzel und z 2 = 18 Zähnen am Rad, einem Normalmodul m n = 5,0 mm, einem Normaleingriffswinkel α n = 20° und üblicherweise mit Kopfkorrektur ausgelegt. Der Achsabstand beträgt a-= 91,5 mm und die tragende Zahnbreite b = 10 oder 14-mm. 3.5 Wirkungsgrad Zur Quantifizierung der Effizienz eines Getriebes bei Leistungsübertragung eignet sich die Kenngröße Wirkungsgrad, die bei bekannter Antriebsleistung P An und Verlustleistung P V bestimmt werden kann. Die Verlustleistung P V eines Getriebes setzt sich aus lastunabhängiger (0) und lastabhängiger (P) Verzahnungsverlustleistung (Z) und Lagerverlustleistung (L) sowie aus Dichtungsverlustleistung (D) und sonstiger Verlustleistung (X) zusammen: (1) Bei einem hohen zu erwartenden Wirkungsgrad bietet die direkte Verlustleistungsmessung hinsichtlich Messgenauigkeit und Aufwand des Messauf baus Vorteile. Entsprechend kann zur Bestimmung der Getriebeverlustleistung mit Fokus auf der Verzahnungsverlustleistung P VZ der FZG-Wirkungsgradprüfstand eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um einen modifizierten und mit Messtechnik erweiterten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand (s.- Kapitel 2). Neben dem Verspannmoment wird auch das vom Motor eingespeiste Verlustmoment an der motorseitigen Antriebswelle gemessen. Zur Glättung des Messsignals des Verlustmoments ist zwischen Verspannkreis und Antriebseinheit eine Schwungmasse montiert. Im Prüf- und Übertragungsgetriebe sind gleiche Prüfverzahnungen verbaut. Aufgrund der vorliegenden Verlustsymmetrie kann die Verlustleistung des Leistungskreises auf das Prüf- und Übertragungsgetriebe aufgeteilt werden. Die entscheidende Messgröße ist das vom Motor aufgebrachte Verlustmoment, welches mit einer Drehmomentmesswelle erfasst wird. Das Signal des Verspannmoments wird mittels DMS auf der Torsionswelle gemessen und mittels Telemetrie ausgespeist. Im Prüf- und Übertragungsgetriebe wird die Ölsumpftemperatur mithilfe von Pt100-Widerstandsthermometern erfasst. Zudem können die Zahnmassentemperaturen mittels Pt100-Widerstandsthermometern und Telemetrie gemessen werden. Als Prüfverzahnung können gängige FZG-Prüfverzahnungen oder verlustleistungsähnliche Praxisverzahnungen mit einem Achsabstand von 91,5- mm verwendet werden. Der Prüfstand kann mit Tauch- oder Einspritzschmierung betrieben werden. Der FZG-Wirkungsgradtest E-C/ 0.5: 20/ 5: 9/ 40: 120 nach der Methode FVA 345 [13] beschreibt die Bestimmung der Getriebeverlustleistung und der Verzahnungsreibung von Getriebeschmierstoffen für eine große Spreizung an Betriebsbedingungen mit Öltemperaturen ϑ Öl von 40 bis 120-°C, Umfangsgeschwindigkeiten v t,C von 0,5 bis 20 m/ s und Zahnflankenpressungen p C von 0 bis 1723-N/ mm², entsprechend den Kraftstufen (KS) 0 bis 9. Abwandlungen der Testmethode erlauben auch die Bewertung des Einflusses von Verzahnungsgeometrie, Oberflächenrauheit und -struktur, Materialien und Beschichtungen [14]. Bei der Methode FVA-345 [13] kommen Prüfverzahnungen vom Typ C-PT bei Tauchschmierung zum Einsatz. Der Ablauf ist in Abb. 10 gezeigt. Abb. 10: Ablauf des FZG-Wirkungsgradtests E-C/ 0.5: 20/ 5: 9/ 40: 120 nach der Methode FVA 345 [13] <?page no="102"?> 102 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Die am Prüfstand gemessene Gesamtverlustleistung setzt sich aus der lastabhängigen 𝑃 𝑉𝑃 und lastunabhängigen Verlustleistung 𝑃 𝑉 0 zusammen. Die lastunabhängige Verlustleistung 𝑃 𝑉 0 wird abhängig von Drehzahl und Öltemperatur mit vernachlässigbar kleiner Verspannung (KS0) als Schleppverlustleistung von Verzahnungen, Lagern und Dichtungen gemessen. Die lastabhängige Verlustleistung 𝑃 𝑉𝑃 wird abhängig von Drehzahl und Öltemperatur bei KS5, KS7 und KS9 gemessen. Um die lastabhängige Verzahnungsverlustleistung 𝑃 𝑉𝑍𝑃 zu bestimmen, muss die lastabhängige Lagerverlustleistung 𝑃 𝑉𝐿𝑃 bekannt sein. Diese kann über vereinfachte Katalogverfahren bspw. nach SKF [15] berechnet oder am Wälzlagerverlustleistungsprüfstand bestimmt werden. Die mittlere Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z kann dann mittels der Antriebsleistung 𝑃 𝐴𝑛 und dem geometrischen Zahnverlustfaktor 𝐻 𝑉 berechnet werden: (2) Auf Basis des in Abb. 10 dargestellten Vorgehens werden die Verlustleistungsfaktoren X L0 , X LL und X LG , die Regressionskoeffizienten zur tribosystem-spezifischen Vorausberechnung der mittleren Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z sowie die Beharrungsübertemperatur bestimmt. Abb. 11 zeigt exemplarische Ergebnisse der mittleren Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z für verschiedene Schmierstoffe und Kraftstufen (KS). Es zeigt sich der deutliche Einfluss des Grundöls auf die mittlere Verzahnungsreibungszahl 𝜇 𝑚z . Abb. 11: Exemplarische Ergebnisse der mittleren Verzahnungsreibungszahl für MIN32, PAO10 und PE10 in Abhängigkeit der Kraftstufen (KS) und der Umfangsgeschwindigkeit (Werte aus [14]) 3.6 Fazit Es bestehen seit langer Zeit etablierte Testverfahren zur Prüfung der Leistungsfähigkeit von Getriebeölen hinsichtlich verschiedener Tragfähigkeitseigenschaften und des Wirkungsgrads von Verzahnungen. Diese Prüfverfahren erlauben eine Differenzierung der Schmierstoffe. Die Testergebnisse können darüber hinaus aber auch als Art „Festigkeitskennwert“ des Schmierstoffs in die bestehenden Berechnungsverfahren zum Tragfähigkeitsnachweis von Verzahnungen eingebracht werden. Die Prüfverfahren sind weitestgehend standardisiert bzw. genormt und haben eine breite Akzeptanz und Anwendung, nicht nur im nationalen, sondern auch internationalem Umfeld erreicht. Basis dieser Prüfverfahren ist der genormte FZG-Zahnradverspannungsprüfstand mit a = 91.5 mm. Entsprechend den bisherigen üblichen industriellen Anwendungen erfolgen die Tests überwiegend im Bereich niedriger bis mittlerer Umfangsgeschwindigkeiten und haben in der Vergangenheit bewiesen, dass für diese Betriebsbedingungen eine zuverlässige Beurteilung der Schmierstoffeigenschaften möglich ist. Aufgrund der aktuellen Entwicklungen, insbesondere im Bereich der E-Mobility, mit dem starken Trend hin zu hohen Drehzahlen, stellt sich jedoch die Frage, inwieweit die Ergebnisse aus den etablierten Prüfverfahren bei geringen bis mittleren Umfangsgeschwindigkeiten auf Anwendungsbereiche mit deutlich höheren Drehzahlen übertragbar sind. Da der genormte Standard-FZG-Verspannungsprüfstand hinsichtlich höherer Drehzahlbereiche nicht beliebig erweiterbar ist, ergibt sich die Notwendigkeit eines entsprechenden FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands. Dieser soll zum einen die Prüfung moderner Hochleistungsschmierstoffe unter möglichst anwendungsnahen Betriebsbedingungen, insbesondere auch bei erhöhten Drehzahlen, erlauben, zum anderen aber auch eine möglichst gute Anbindung an die bisher bestehenden Prüfverfahren ermöglichen. Mit Hilfe eines geeigneten FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand können die entsprechenden Ölprüfverfahren weiterentwickelt werden, so dass auch in Zukunft moderne Hochleistungsschmierstoffe für Anwendungen im E-Mobility-Bereich zuverlässig hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit beurteilt werden können. Darüber hinaus erlaubt ein solcher Prüfstand aber auch weitergehende Forschungsarbeiten zum Einfluss hoher Umfangsgeschwindigkeiten auf die Tragfähigkeitseigenschaften und den Wirkungsgrad von Verzahnungen. 4. Neuartiger FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand 4.1 Aufbau und Prüfmöglichkeiten Der FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand orientiert sich bei seinem Auf bau am standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand. Abb. 12: FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand <?page no="103"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 103 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Am ersichtlichsten zeigt sich die gemeinsame Basis zwischen dem FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstandes und dem standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand beim Leistungskreislauf. Das Übertragergetriebe und das Prüfgetriebe sind auch hier durch einen Verspannstrang und eine Torsionswelle miteinander verbunden, vgl. Abb. 12. Am Verspannstrang befindet sich eine Verspannkupplung, welche die Einleitung einer Last bzw. eines statischen Drehmomentes ermöglicht. Der Antrieb des Prüfstandes erfolgt über einen drehzahlgeregelten Asynchronmotor. Die jeweiligen Ölkreisläufe zur Einspritzschmierung verfügen über getrennte Kühl- und Heizsysteme, welche das Prüf- und Übertragergetriebeöl auf der jeweils gewünschten Temperatur halten. Der Achsabstand von a = 91,5 mm und das Übersetzungsverhältnis von 1,5 wurden beibehalten, wodurch die aus dem FZG-Zahnradverspannungsprüfstand bekannten Prüfräder (vgl. Kap. 3) auch weiterhin verwendet werden können. Bei der Entwicklung zukünftiger Prüfverfahren bei erhöhten Drehzahlen kann somit auf standardisierte und etablierte Prüfmittel zurückgegriffen werden. Ebenso können weiterhin etablierte Testmethoden (vgl. Kapitel-3) auf dem neuen Prüfstand durchgeführt werden. Hierdurch besteht frühzeitig die Möglichkeit den neuartigen Prüfstand durch Abgleichversuche zu validieren. Die zukünftigen Prüfverfahren werden bei der FZG entwickelt. 4.2 Innovativer Charakter des FZG-Highspeed- Zahnradverspannungsprüfstand Derzeit rückt der Bereich standardisierter Prüfungen bei erhöhten Drehzahlen weiter in den Fokus der Automobilbranche. Aus diesem Grund sind hier weitere Entwicklungen nötig. Einen wichtigen ersten Schritt haben hierzu die Strama-MPS und die FZG mit der Entwicklung des neuen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand getan. Die größten Unterschiede zum standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand stellen dabei die erhöhten Drehzahlen mit einem zukünftigen Zielwert von 22.500-min -1 , eine maximal übertragbare Leistung von 942-kW und einem maximalen Verspannmoment von 600-Nm dar. Die erhöhten Drehzahlen und die damit verbundenen erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten machen es notwendig, alle Lager und Abdichtungen in den Getriebekästen mit Öl zu kühlen und zu schmieren. Die Ölkreisläufe für Übertrager- und Prüfgetriebe arbeiten auch hier unabhängig voneinander. Sowohl die Einspritztemperatur als auch die Durchflussmenge können jeweils über eine Regelung separat eingestellt werden. Der Antriebsmotor ist wassergekühlt. Die Steuerung des Prüfstandes erfolgt standardmäßig über eine Siemenssteuerung, in welcher bereits eine Schnittstelle zur Messdatenweitergabe integriert ist. Im Gegensatz zum standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand ist der neue Prüfstand standardmäßig mit einer Drehmomentmesseinrichtung auf der Torsionswelle ausgestattet. Des Weiteren sind alle Lagerstellen temperaturüberwacht. Die Einspritzmengen können durch einen aufsteckbaren Durchflussmesser, ohne weiteren mechanischen Eingriff, bestimmt und mittels Drosseln eingestellt werden. Um die Maschinensicherheit zu gewährleisten sind Schwingungssensoren auf den Getriebekästen angebracht, welche den Antrieb bei zu hohen Vibrationen herunterfahren. Weitere Details zum FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand sind auf der Homepage von Strama-MPS zu finden. Abb. 13: QR-Code zu https: / / www.strama-mps.de/ loesungen/ pruefstaende/ fzg-highspeed-zahnradverspannungspruefstand 4.3 Herausforderungen bei Konzeption und Entwicklung Ein Großteil der Herausforderungen hinsichtlich der Konzeptionierung des neuen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand ergibt sich aufgrund der erhöhten Drehzahlen. Neben dem bereits genannten Punkt der Schmierung, können beispielsweise die Auswahl der Wälzlager und die Drehmomentapplikation als weitere Herausforderungen genannt werden. Weiterhin müssen Unwuchten bei allen rotierenden Teilen auf ein Minimum reduziert werden. Hierdurch musste auf sonst erprobte Passfederverbindungen weitgehend verzichtet werden. Auch auf Eigenfrequenzen von Bauteilen musste durch angepasstes Design reagiert werden. Hierbei ist der Lagerbock an der Torsionswelle zu nennen. Während der Inbetriebnahme eines Prototyps zeigte sich zudem, dass trotz durchgeführter Simulationsrechnungen und bereits unternommener Maßnahmen, zusätzliche Anpassungen nötig waren, um aussagekräftige Ergebnisse sicherstellen zu können. Ein erster FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand wurde an der FZG als Prototyp erfolgreich in Betrieb genommen (vgl. Abb. 14). Hierbei wurden umfassende Abgleichversuche durchgeführt, welche eine hohe Wiederholbarkeit zeigen. Zudem konnte eine gute Vergleichbarkeit zu Ergebnissen am standardisierten FZG-Zahnradverspannungsprüfstand nachgewiesen werden. Basierend auf den Voruntersuchungen werden kontinuierlich Verbesserungen am Prüfstand durchgeführt. Im Rahmen eines durch DGMK und FVA gemeinsam aus Industriemitteln geförderten Forschungsprojekts [16] wird der FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand bereits zu Untersuchungen hinsichtlich der Fresstragfähigkeit bei erhöhten Umfangsgeschwindigkeiten eingesetzt. Hierbei konnten erste Versuchsergebnisse gewonnen werden. Zukünftig wird an der FZG die Entwicklung weiterer Testverfahren vorangetrieben, während bei Strama-MPS der Prüfstand weiterentwickelt wird. <?page no="104"?> 104 2. Fachtagung TestRig - September 2024 Entwicklung eines neuartigen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstands zur Prüfung und Charakterisierung von Hochleistungsschmierstoffen Abb. 14: FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand 5. Ausblick Neben der anstehenden Normung relevanter Testverfahren, arbeiten die FZG und Strama-MPS im Projekt Opt4E zusammen, in dessen Verlauf eine Wirkungsgradvariante für erhöhte Drehzahlen entwickelt wird, die auf dem neuen FZG-Highspeed-Zahnradverspannungsprüfstand basiert. Derzeit wird bei Strama-MPS an einer optimierten Variante des Verspannkreises gearbeitet. Damit wird die Grundlage für eine einheitliche, zuverlässige und anwendungsnahe Charakterisierung von Getriebeölen für moderne Getriebeanwendungen geschaffen. 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[16] Forschungsvereinigung für Antriebstechnik: Prüfmethodik zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Schmierstoffen für Verzahnungen in E-Mobility - Zuverlässige Beurteilung der (Fress-)Tragfähigkeit von E-Mobility-Schmierstoffen (2024) <?page no="105"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 105 Innovation durch Leidenschaft: Luis Marx’ Doppelleben als Produktionsingenieur und YouTuber Luis Marx B. Eng Ingenieur bei Quantum Systems, München, Deutschland Zusammenfassung Luis Marx verbindet seine Arbeit als Produktionsingenieur mit seiner Leidenschaft als YouTuber. Er hat eine Vier-Tage- Woche bei seinem regulären Job und nutzt den fünften Tag für seine YouTube-Projekte. Durch seine oft albern wirkenden Projekte schafft er echte Innovationen, wie beispielsweise den 3D-gedruckten Druckbehälter. 1. Einführung Luis Marx, geboren im Allgäu, ist ein kreativer Kopf, der es schafft, seine beruflichen und persönlichen Interessen zu vereinen. Als Produktionsingenieur in München arbeitet er vier Tage die Woche in einem anspruchsvollen technischen Umfeld. Den restlichen Wochentag widmet er seinem YouTube-Kanal „luisengineering“, der inzwischen über 39.000 Abonnenten zählt. Durch seine Videos begeistert Marx junge Menschen für Technik und den Ingenieurberuf. 2. Hauptkapitel 2.1 YouTube als Innovationsplattform Marx nutzt seinen YouTube-Kanal nicht nur zur Unterhaltung, sondern auch zur Demonstration technischer Innovationen. Seine Projekte, die manchmal komödiantisch wirken, bieten oft echte Lösungen für technische Herausforderungen. Ein Beispiel ist sein 3D-gedruckter Druckbehälter, der mit dem flüssigen Dichtungsmittel “Dichtol” versiegelt wurde und einem Druck von 8 Barstandhält. 2.2 Die mechanische Präzision im Alltag Ein weiteres Projekt von Luis ist ein rein mechanischer Aperol-Spritz-Mixer, der ohne Elektronik auskommt und komplett 3D gedruckt werden kann. Die Dateien sind für jeden frei zugänglich auf der Plattform Printables unter dem Namen “Aperolino” zu finden und wurden dort schon mehrere tausend Mal heruntergeladen. Solche Projekte zeigen, wie man mit kreativem Denken und technischem Know-how praktische Lösungen entwickeln kann [Abb. 1]. 2.3 Begeisterung junger Menschen für den Ingenieurberuf Marx hat ein besonderes Talent, junge Menschen für Technik zu begeistern. Durch seine lehrreichen und unterhaltsamen Videos vermittelt er komplizierte technische Konzepte auf verständliche Weise. Eines seiner beliebtesten Projekte ist ein motorisiertes Modellboot, das ihn auf einem Stand-Up-Paddle über den Bodensee zieht. Dieses Video hat über 600.000 Aufrufe und inspiriert viele junge Menschen, selbst technische Projekte anzugehen. 2.4 Erschaffen von neuen Dingen Für Marx ist der Ingenieurberuf faszinierend, weil er die Möglichkeit bietet, neue Dinge zu erschaffen. Wenn etwas nicht existiert, das er gerne hätte, baut er es einfach selbst. Ein Beispiel dafür ist sein selbstgebauter Schlitten, mit dem man den Berg wieder hochfahren kann. Solche Projekte zeigen, dass mit Ingenieurskunst und Kreativität fast alles möglich ist. Marx’ Projekte beweisen, dass technischer Fortschritt nicht immer ernst und nüchtern sein muss. Seine Herangehensweise inspiriert andere, Technik auf kreative Weise zu nutzen. Durch die Verbindung von Humor und technischem Wissen erreicht er ein breites Publikum und schafft eine neue Perspektive auf technische Innovationen. Abb. 1: Der “Aperolino” (komplett 3D-gedruckte Aperol Mischmaschine) <?page no="107"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 107 Weitere Informationen und Anmeldung unter www.tae.de/ go/ tribologie Besuchen Sie unsere Seminare, Lehrgänge und Fachtagungen. Reibung, Verschleiß und Schmierung Schmierstoffe und Betriebsflüssigkeit Schmierungstechnik Geschmierte Maschinenelemente Ein Großteil unserer Seminare wird unterstützt durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds. Profitieren Sie von der ESF-Fachkursförderung und sichern Sie sich bis zu 70 % Zuschuss auf Ihre Teilnahmegebühr. Alle Infos zur Förderfähigkeit unter www.tae.de/ foerdermoeglichkeiten Tribologie, Reibung, Verschleiss und Schmierung Bis zu 70 % Zuschuss möglich <?page no="109"?> Anhang <?page no="111"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 111 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 Robert Bosch GmbH, Schwieberdingen Carlos Fonseca Inova GmbH, Bad Schwalbach Prof. i. R. Dr.-Ing. Peter Hübner Technische Hochschule Mittweida Prof. Dr.-Ing. Jörg Hübler Technische Hochschule Mittweida Bernd Locher Form+Test Seidner & Co. GmbH, Riedlingen Dipl.-Ing. (FH) Wilhelm Meir MTU Aero Engines AG, Augsburg Dr. rer. nat. Harald Müller DHM Prüfsysteme,Clausthal-Zellerfeld Dipl.-Ing. Thomas Ribbe BMW Group, München Dipl.-Ing (FH) Armin Rohnen LbA Hochschule München <?page no="113"?> 2. Fachtagung TestRig - September 2024 113 Autorenverzeichnis AAit El Mallali, Hichame 83 Arun, Ashrith 83 BBallmann, Markus 45 Bankwitz, Hagen 45 CCeruso, Jesse 73 DDegen, René 17 Dickhut, Tobias 87 EEiden, Simon 83 Esderts, Alfons 73 FFelix S. M. 81 de Fries, Martin 17 Fritschle, Tim 69 GGeitner, Michael 97 HHärtl, Simon 97 Hartwig, Udo 53 Hobt, Alexander 69 Hübler, Jörg 45 IIrmer, Marcus 17 KKanoun, Olfa 39 Katzer, Norman 45 Kemmerich, Thomas 31 Klenk, Georg 69 LLohner, Thomas 97 Luke, Michael 11 MMarin, Philipp 87 Marx, Luis 105 Mischko, Jens 73 Morhard, Bernd 97 NNusche, Olaf 53 PPatel, Vishalkumar 83 Preintner, Sebastian 97 RRudolph, Mathias 39 SSagmeister, Bernhard 57 Seuffert, Oliver 97 Stahl, Karsten 97 TThomas, Karin 17 Tobie, Thomas 97 Toebe, Bernhard 63 WWerz, Martin 69 Wolf, Maik 39 ZZak, M. 81 <?page no="114"?> 114 <?page no="115"?> Die Fachtagung TestRig beschäftigt sich mit dem Bau und Betrieb von Prüfständen. Das Themenspektrum umfasst die mechanischen, hydraulischen und elektronischen Systeme sowie den Signalfluss von Mess-, Überwachungs- und Regelsignalen. Durch den interdisziplinären Ansatz zeigen wir die gesamte Bandbreite der Prüfstandstechnik von der Schwingungsisolierung über den Maschinenbau und die Aktuatorik bis hin zur Messtechnik und Signalverarbeitung/ Signalanalyse. Die Veranstaltung schlägt eine Brücke zwischen Herstellern und Anwendern von Komponenten und Systemen für Prüfstände und bietet Ihnen eine Plattform, um aktuelle Erkenntnisse aus Wissenschaft, Industrie und Praxis auszutauschen. Der Inhalt Ideen und Beispiele zur Nachhaltigkeit im Prüfstandsbetrieb Funktionsprüfstände Multivalent nutzbare Prüfstandslösungen Modernisierung von Prüfständen Qualitätsmanagement bei Prüfungen und Prüfmethoden Kann KI bei der Prüfstandsmodernisierung und Datenanalyse helfen? Die Zielgruppe Fachkräfte mit Aufgabenbereich in Entwicklung, Technik und Vertrieb, die Prüfsysteme konzipieren und konstruieren, deren Komponenten liefern und Prüfstände aufbauen, in Betrieb nehmen und Versuche betreiben Anwender von Prüfständen in der Industrie, bei Dienstleistern und in der Forschung Führungskräfte, die sich einen Eindruck von der Produkterprobung im Entwicklungsprozess verschaffen möchten www.tae.de ISBN 978-3-381-13101-3