1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 13 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Christian Gries makross GmbH & Co. KG, Karlsfeld Zusammenfassung In der heutigen Zeit wird immer mehr simuliert und immer weniger getestet. Teure Prototypen werden eingespart, aber am Ende findet zur finalen Freigabe meist noch ein Versuch statt. Die Aufbauten und Versuche sollen dabei natürlich so ökonomisch wie möglich sein. Dabei kommt der Art der Anregung eine große Bedeutung zu. In der Vergangenheit wurde zu einem großen Teil eindimensional getestet. Bedingt durch Bauart und Regelungsstrategie wurden dabei aufgezeichnete Zeitsignale in Spektren (PSD) umgewandelt, aus welchen wiederum vereinfachte logarithmische Diagramme und Tabellen abgeleitet wurden. Diese dienten als Eingabe für den eindimensionalen Shaker. Einzelereignisse oder andere Begebenheiten des Streckensignals gingen dabei verloren, genauso wie der Phasenzusammenhang der Raumrichtungen. Die 3 Raumrichtungen wurden dann als Translation nacheinander abgefahren (X, Y & Z-Shaker). Bei diesem Verfahren kann es leicht zum Unter.- oder Übertesten und damit zu unrichtigen Aussagen der Versuche kommen. Der bessere und neuere Weg ist das Testen in allen Raumrichtungen simultan in einem Aufbau. Hierbei kann auch ein Einzelereignis oder eine andere Eigenheit der Teststrecke, welche im Fahrzeug zu einer schlechten Bewertung führte, nach gebildet werden. Weiterhin bleiben auch die Phasenzusammenhänge der Raumrichtungen erhalten, was die Realitätsnähe wesentlich erhöht und so der Aussagekraft der Versuche zu Gute kommt. 1. Erzeugen der Ansteuerdaten für Prüfstände Zur Durchführung eines Versuchs auf einem Prüfstand, gleich welcher Art, ist ein Signal zur Steuerung notwendig. Die Herkunft und Art dieses Signals kann dabei sehr unterschiedlich sein. Zum einen kann man Signale als Amplitude über der Zeit, z.B. Kräfte, Wege, Beschleunigungen, Dehnungen, usw. durch Aufzeichnung mit einem AD-Wandler generieren. Dies setzt allerdings einen fahrfähigen Aufbau voraus, welcher in der Lage ist über eine Teststrecke zu fahren. Gibt es diesen nicht und macht auch die Nutzung eines Vorgängermodells keinen Sinn, ist diese Vorgehensweise keine Option. In diesem Fall könnte die Nutzung von digitalisierten Strecken eine Möglichkeit sein. Über eine Simulation mit MKS-Modellen und den Streckendaten können Signale erzeugt werden, welche mit aufgezeichneten Signalen vergleichbar sind. 1.1 Messungen an einem Fahrzeug auf der Teststrecke Bei Messungen an Fahrzeugen auf Teststrecken ist eine zuverlässig funktionierende Messtechnik eine sehr wichtige Grundlage, um entsprechend aussagekräftige und nutzbare Daten in angemessener Zeit und mit vertretbarem Aufwand (besonders im Ausland) zu erzeugen. Dies setzt einen langzeitstabilen Einbau aller Komponenten Abb. 1 DMS - Applikation einer Strebe (z.B. Klebeverbindung, Kabelverlegung [besonders ist hier die Freigängigkeit aller Fahrwerksteile beachten, um Beschädigungen der Kabel zu vermeiden], DMS- Applikation, usw.) und eine intensive Überprüfung des gesamten Aufbaus, von der Stromversorgung bis hin zu jedem einzelnen Messaufnehmer, voraus. Weiterhin ist es genauso wichtig die räumliche Orientierung aller Komponenten zum globalen Koordinatensystem hin zu überprüfen. 14 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Abb. 2 Beschleunigungssensor am Rahmen Eine ausführliche Dokumentation erleichtert, bei vielleicht später auftretenden Fragen der Plausibilität, eine Aussage treffen zu können. Auf Grund von Geheimhaltungs.- und anderer Vorschriften kann das Anfertigen von Dokumentationen, je nach Lokalität, bisweilen schwierig sein. Wenn alle Randbedingungen (z.B. Streckenanmeldung für Fahrzeug und Personal, Transport, Wetter, …) stimmen steht einer erfolgreichen Messung nichts mehr im Wege. Es empfiehlt sich mit dem Auftraggeber eine Abfolge von Validierungsmanövern und den eigentlichen Messungen abzusprechen. Eine Wiederholunganzahl von 2 bis 3 je Messung ist eine gute Grundlage, um sporadische Störungen durch ungewünschte Einzelereignisse (z.B. Steinschläge) ausgleichen zu können. Mögliche Einstellungsvarianten des Fahrwerks oder anderer messungsrelevanter Parameter (z.B. Beladung, Reifendruck, …) erhöhen die Anzahl der Durchläufe entsprechend. Eine Dokumentation aller Vorgänge und Randbedingungen (z.B. Fahrzeuggewicht, Tankinhalt, Reifen, …) auf der Teststrecke ist für die spätere Aufbereitung der Daten wichtig. Besonders vorteilhaft hat sich eine schnelle Vorabauswertung der Messdaten (durch vorbereitete Skripte und Diagramme kann dies in wenigen Minuten erledigt werden) auf der Strecke erwiesen, da hierbei ein Defekt oder eine Störung sofort festgestellt werden kann, ohne wertvolle Zeit mit später nicht verwertbaren Messungen zu verschenken. Für eine Reparatur auf oder nahe der Teststrecke ist allerdings die Kenntnis des Gesamtaufbaus und das Vorhandensein aller notwendigen Mittel vor Ort unbedingte Voraussetzung. Daher ist es zu empfehlen nur Personal mit entsprechenden Kenntnissen zu Messungen zu senden. Eine Besonderheit ist die Messung im öffentlichen Straßenverkehr, da hier zu allem vorher genannten noch weitere Vorschriften und Gesetze hinzukommen, welche unbedingt einzuhalten sind. Abb. 3 Auswertung von Messdaten 1.2 Messungen auf Prüfständen Bei dieser Variante entfallen viele Einschränkungen im Vergleich zur Messung am rollenden Fahrzeug (z.B. Stromversorgung, Kabelverlegung, …). Allerdings setzt sie einen gewissen Projektfortschritt voraus, um für eine verwertbare Messung notwendige Randbedingungen vorzufinden. Je nach Stand im Projekt und Anforderungen, kommt dies nur in wenigen Fällen vor. 1.3 Datenerzeugung durch Simulation Durch die Nutzung von validierten Berechnungsmodellen und digitalisierten Teststrecken können ebenso Daten zur Steuerung von Prüfständen erzeugt werden. Abb. 4. Fahrzeugmodell Diese sind mit den Daten von auf Teststrecken vermessenen Fahrzeugen vergleichbar. Voraussetzung ist hier aber, dass alle notwendigen Informationen zum Abstimmen des Berechnungsmodells (z.B. Konstruktionsstände, Steifigkeiten an Fahrwerksteilen, Motorlagern, Massen, Massenträgheitsmomente, …), sowie die Streckendaten vorhanden und plausibel sind. Dies kann zuweilen eine Herausforderung werden, alle Daten zusammen zu tragen. Die Anzahl der Datenkanäle kann durch die Eigenheit dieser Variante deutlich größer als bei 1.1. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 15 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden 1.4 Kombination von Teststrecke und Simulation Ist eine Teststrecke nicht digitalisiert oder der Zugriff auf diese Daten nicht möglich, stellt eine Kombination der Messung auf der Teststrecke und der Simulation eine weitere Möglichkeit dar, an bestimmte, unter Umständen nicht direkt messbare Daten zu kommen. Hierbei werden auf der Teststrecke die für die Simulation notwendigen Eingangs.- und Validierungsdaten (z.B. durch Messräder) wie in 1.1. aufgezeichnet. Nach erfolgter Berechnung der Teststrecken-Signale, kann mit den Daten der Validierungsmessstellen (z.B. Fahrwerksteile mit kalibrierten DMS) ein Vergleich und eine Bewertung der Berechnung durchgeführt werden. Wie bei 1.3. beschrieben können hierdurch eine große Anzahl von Datenkanälen zusätzlich zur vorangegangenen Messung erzeugt werden. 2. 1D-Shaker Da ein eindimensionaler Shaker, wie sein Name schon sagt, nur einen Kanal zur Regelung hat, muss man diesem natürlich eine hohe Bedeutung zukommen lassen. Auf Grund der historischen Entwicklung dieser Prüfmethode, hat dieses Konzept einige, heute eigentlich nicht mehr notwenige, Einschränkungen. So wird im Folgenden auf die Lage von Messstellen und Bauteilgröße, sowie der Notwendigkeit des PSDs eingegangen. 2.1 Die Lage der Messstelle bei der Datenaufzeichnung Da Fahrzeuge, aber auch alle anderen Messobjekte, Eigenfrequenzen in weiten Bereichen haben, welche das Verhalten aller Einzelbauteile lokal und global beeinflussen, muss man sich im Klaren sein, welchen Einfluss die Wahl der Messstelle bei der Datenaufzeichnung für die spätere Regelung haben wird. Abb. 5 Drahtmodell einer Karosserie So wird bei einer tiefliegenden Messstelle (geringes Z) mit großem Y ein deutlich größerer Z-Anteil im Signal zu erwarten sein, als in der Fahrzeugmitte. Je nach Lage der X-Koordinate haben die globale Biegung oder die Torsion ebenfalls auch noch Einfluss auf das Signal. Nach gleichem Prinzip wird sich eine Messstelle an der B-Säule unten, deutlich im Y-Anteil des Signals, von einer Messstelle am Dachrahmen unterscheiden, um dies beispielhaft darzustellen. Die globalen Eigenfrequenzen werden dabei von den lokalen Eigenfrequenzen überlagert. 2.2 Einfluss der Bauteilgröße und der Raumrichtungen Bei kleinen Bauteilen (z.B. Steuergeräte, Schalterkonsolen, …) ist der Einfluss aller Randbedingungen überschaubar, so dass man ohne große Abweichungen befürchten zu müssen, lokal testen kann. Bei großen und sehr großen Komponenten (z.B. Spoiler, Schiebedächer, …) unterscheiden sich die einzelnen Anteile der Signale auf Grund der räumlichen Ausdehnung und des bei 2.1. beschriebenen Einflusses teils erheblich. So kann man sich leicht vorstellen, dass der Z-Anteil eines Signals an der Außenkante einer Karosserie höher ist als in der Fahrzeugmitte. Abb. 6 Drahtmodell einer Karosserie Bei der Regelung eines solchen Bauteils auf dem 1D- Shaker kann es durch einen solchen Einfluss zu einer Überbeanspruchung des mittleren Teils der Komponente kommen. Umgekehrt führt ein Signal aus der Mitte zu einer Unterbeanspruchung der äußeren Teile. In beiden Fällen kann eine valide Aussage zum Testergebnis nur auf Grund besonderer Erfahrung getroffen werden. Bei gänzlich neu konstruierten Komponenten oder aus anderen Gründen („Anfang auf einem weißen Blatt Papier“) stellt dies eine zusätzliche Herausforderung dar, welche sich leichter gestalten lies. Ein weiterer Aspekt ist das Zusammenwirken der 3 Raumrichtungen. Da der eine Kanal des 1D-Shakers immer nur eine Raumrichtung abprüfen kann, ergibt sich die Notwendigkeit diese nach einander zu testen. Dies führt in Kombination mit der Signalaufbereitung als PSD (im nächsten Kapitel) zu weiteren nicht immer leicht einzugrenzenden Einflüssen. Der vorher natürlich im Signal vorhandene Zusammenhang der Raumrichtungen wird hierbei komplett entfernt. 16 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden 2.3 Das PSD (Leistungsdichtespektrum) Die in der Einleitung des Kapitels beschriebene Historie der 1D-Shaker führt dazu, dass zur Regelung üblicher Weise ein einaxialer Beschleunigungssensor genutzt wird. Ein Wegkanal an der Erregerspule des Shakers ist nicht üblich, da die schwingfähige Masse mechanisch in der Mittellage gehalten wird. Weiterhin baut die Regelstrategie darauf auf, dass ein zufällig erzeugtes Rauschsignal einer bestimmten Form bis zu einer bestimmten Amplitude hochgefahren wird. Im weiteren Verlauf einer Prüfung wird dieses bei jedem Durchlauf weiter angepasst. Diese bestimmte Form des Rauschsignals wird durch das PSD, welches aus dem gemessenen oder berechneten Zeitsignal der Beschleunigung abgeleitet wird, festgelegt. Abb. 7 Zeitverlauf & PSD eines Signals Somit ist das PSD die Grundlage dieser Regelstrategie und wird aus Gründen der leichteren Darstellung und Eingabe meist doppeltlogarithmisch abgebildet. Ein begleitender Effekt dieser Umwandlung ist das Verlieren des Phasenzusammenhangs der Raumrichtungen, sowie der Verlust spezifischer Einzelereignisse (z.B. einer Eigenheit der Teststrecke, wie Schlaglöcher oder Waschbretter), diese gehen in den meist wenigen Stützpunkten des PSDs unter. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist die Definition eines Signals über einen weiten Frequenzbereich mit geringem Aufwand. 3. 3D-Shaker (Z, RX & RY) Der 3D-Shaker mit 3 oder 4 Freiheitsgraden ist ein Zwischenschritt zum Hexapoden, welcher mit allen 6 Freiheitsgraden fahren kann. Die wichtigsten Freiheitsgrade, welche am Fahrzeug auftreten, sind das Huben (Z), das Nicken (Rotation um die Y-Achse) und das Wanken (Rotation um die X-Achse). Im Folgenden wird der Aufbau als 3 und 4D-Shaker, sowie die Regelung im 3Z und DOF-Mode erläutert. 3.1 Aufbau als 3 und 4D-Shaker Der 3D-Shaker besteht aus 3 servohydraulischen Prüfzylindern, welche je nach Tischgröße in einem gleichseitigen / -schenkligen Dreieck senkrecht auf einer Aufspannplatte befestigt sind. Als Verbindung zwischen Zylindern und Schwingtisch sind doppelte Kugelgelenke (Vorspannung einstellbar) mit einer Verbindungstange eingebaut. Die nicht geregelten Freiheitsgrade (X &Ytranslatorisch, sowie Rotation um die Z-Achse) werden durch 3 niederfrequent abgestimmte Biegefedern in der Mittellage gehalten, was ein Umfallen oder Eindrehen um Z verhindert. Abb.8 3D-Shaker Die Aufspanntische sind an ihre jeweiligen Aufgaben, seitens Größe und Schwingungsverhalten angepasst. Sie können mit mittlerem Aufwand umgebaut werden. Für die Aufnahme der Prüflinge dienen Prüfrahmen mit abgestimmten Koppelstücken oder einfache Adapter. Eine Erweiterung stellt die 4D Variante dar. Hierbei wird die Biegefeder der X-Achse durch einen weiteren servohydraulischen Prüfzylinder ersetzt, welcher liegend auf einem Turm aufgebaut ist. Die Ankopplung an den Schwingtisch ist identisch mit den Z-Anbindungen. 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 17 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Abb. 9 4D-Shaker 3.2 Regelstrategie 3Z/ DOF Im Grundregelkreis sind alle Zylinder über den internen Wegmesser weggesteuert. Als einfachste Variante in der Iteration wird jedem Prüfzylinder ein Zielkanal (meist Beschleunigung) zugwiesen. Die 3 oder 4 einzelnen Beschleunigungssensoren sind dabei idealer Weise an den gleichen Raumkoordinaten wie bei der Signalaufnahme angebracht. Dies führt in den meisten Fällen schnell zu einem guten Iterationsergebnis. Die obere Grenze des Frequenzbereichs der Iteration kann bei kleinen und steifen Aufbauten auch 200Hz überschreiten. Abb. 10 Soll Ist Vergleich bis 200Hz Bei der Regelstrategie nach Freiheitsgraden (DOF) gibt es mehrere Varianten. Im einfachsten Fall werden den 3 Freiheitsgraden (TZ, RX & RY) an einem Punkt die 3 Raumrichtungen eines 3-axialen Beschleunigungssensors zugewiesen. Dies ist besonders für kleine Prüfobjekte geeignet. Den Möglichkeiten, welcher Freiheitsgrad mit welcher Regelgröße verknüpft wird, sind sehr weite Grenzen gesetzt. So zum Beispiel ist es möglich die Freiheitsgrade TZ und RY mit der Durchbiegung (Wegsignal) eines Dachträgers zu regeln. 4. Hexapod Beim Hexapoden ist die Entwicklung servohydraulischer Prüfstände auf einem sehr hohen Niveau angekommen. Er hat mit 6 geregelten Freiheitsgraden (TX, TY, TZ [translatorisch], RX, RY, RZ[rotatorisch] à 6D) alle Bewegungsrichtungen fest definiert, so dass keine Biegefedern zur Entkopplung notwendig sind. Aufbau, Regelstrategie, sowie die Grenzen der Nachfahrgüte werden im Folgenden erläutert. 4.1 Aufbau Der Hexapod besteht aus 6 linearen Prüfzylinder oder auch Aktuatoren, welche servohydraulisch, aber auch in anderer Weise (z.B. elektrisch) angetrieben sein können. Ein servohydraulisch angetriebener Hexapod kann, je nach Größe mit bis zu 200Hz betrieben werden. Elektrische Varianten sind meist niederfrequenter. Eine weitere Unterscheidung im Aufbau besteht im Verbau der Aktuatoren, zum einen können diese fest verbaut sein und haben dann Koppelstangen mit 2 Kugelgelenken als Anbindung zum Schwingtisch Abb. 11 makross Hexapod mit feststehenden Aktuatoren oder die Aktuatoren sind mit 2 Kugelgelenken oben und unten bestückt und sind so selbst direkt die Verbindung zum Schwingtisch. 18 1. Fachtagung TestRig - Juni 2022 Vom 1D-Shaker zum Hexapoden Abb. 12 inova Hexapod mit integrierten Aktuatoren Bei festen Aktuatoren ist die Ölversorgung und Verkabelung deutlich einfacher und die zu bewegenden Massen sind wesentlich geringer, was einer dynamischeren Nutzung zu Gute kommt. Allerdings ist je Aktuator eine Koppelstange mit 2 Kugelgelenken notwendig, was die Anzahl der Teile und somit die Anzahl der Nachgiebigkeiten im Gesamtsystem erhöht. Aus diesem Grund müssen die Gelenke möglichst spielfrei sein, um ein Klappern, welches z.B. die Iteration auf Beschleunigungen oder akustische Bewertungen behindert, zu vermeiden. Sind die Aktuatoren direkt verbaut bleibt die Anforderung an die 12 notwendigen Gelenke gleich, jedoch werden keine Koppelstangen benötigt, was eine noch kompaktere Bauform ermöglicht. Eine weitere Bauform sind Schwingtische mit diskreten Achsen, welche auf Grund langer Koppelstangen und Konsolen für Aktuatoren einen sehr hohen Platzbedarf haben. Auch Kombinationen aus 2 Hexapoden oder ein Hexapod mit zusätzlichen translatorischen Verfahrachsen sind möglich. 4.2 Regelungsstrategie DOF Auch der Hexapod hat in jedem Aktuator einen internen Wegmesser, welcher mit dem Servoventil den Grundregelkreis bildet. Ihn aber über diese Regelkreise zu bewegen, ist nicht möglich, da bei einer Bewegung des Schwingtisches immer alle 6 Aktuatoren beteiligt sind. Das Verfahren einer einzelnen Achse würde somit nur zum internen Verspannen des Gesamtsystems führen. Die Lösung dieses Problems sind, die aus den Einzelwegen der Aktuatoren berechneten 6 Freiheitsgrade (TX, TY, TZ, RX, RY, RZ). Auf deren Grundlage lassen sich für Iterationen Subsysteme (z.B. Beschleunigung) aufbauen, um komplexe Signale nachfahren zu können. Die räumlichen Koordinaten der Regelsensoren am Aufbau sollten möglichst genau den Positionen bei Messung entsprechen. Der wesentliche Vorteil des Hexapoden besteht in der Möglichkeit alle 6 Freiheitsgrade simultan fahren zu können, was dazu führt, dass die Bewegungen des Aufbau sehr realitätsnah sind. Einzelereignisse und Phasenzusammenhänge bleiben erhalten und können entsprechend bewertet werden (eine entsprechend schallarme Umgebung vorausgesetzt). Dies stellt, insgesamt gesehen, hohe Anforderungen an das Bedienpersonal. 4.3 Grenzen der Nachfahrgüte und eine Alternative Bei größeren Strukturen, wie z.B. Fahrzeugen oder Karosserieabschnitten (vgl. 2.1. & 2.2.) haben globale Eigenfrequenzen (besonders Torsion und Biegung) einen deutlichen Einfluss auf die Signale der einzelnen Messstellen. Da Schwingtische aller Bauarten aber möglichst steif ausgelegt und gefertigt werden, entsteht hier ein Widerspruch, welcher dazu führt, dass man in bestimmten Bereichen Abstriche machen muss. Ein perfektes Nachfahren aller Kanäle eines Signals unter diesen Randbedingungen ist physikalisch nicht möglich. Eine Alternative sind hier flexible Prüfstände, welche auf das Zielfahrzeug abgestimmt sind und mit entsprechend gestalteten Schnittstellen auch große Komponenten aufnehmen und testen können. Abbildungen [12] Inova GmbH