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30.04.2020

Agiles Testen in der Fahrzeugentwicklung mittels Hardware-in-the-Loop (HiL)

Die Experten des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF haben untersucht, wie der Entwicklungsweg von der Idee zum kundenspezifisch individualisierten Produkt maßgeblich beschleunigt werden kann.

Heutige Fahrzeuge bestehen aus unzähligen Baugruppen und Systemen, die von einer Vielzahl verschiedener Unternehmen entwickelt, getestet und hergestellt werden. Bei der Entwicklung und Validierung von Fahrzeugen gilt es, die zunehmend steigenden Anforderungen im Produktenwicklungsprozess zu berücksichtigen. Dazu gehören immer strengere rechtliche Rahmenbedingungen, anspruchsvollere Kunden, technologische Umbrüche, wie die Elektrifizierung, Digitalisierung, Vernetzung und zunehmende Autonomie.

Deshalb sind Testprozeduren gefragt, die eine möglichst vollständige Untersuchung des Parameter- und Szenarienraums bereits in einer frühen Entwicklungsphase zulassen. Gleichzeitig müssen sich Validierungsmethoden durch eine hohe Testsignifikanz bei gleichzeitig niedrigem Testaufwand auszeichnen. Bei der Entwicklung von Leichtbaustrukturen müssen Wechselwirkungen einzelner Substrukturen und Baugruppen stärker als heute berücksichtigt werden. Darüber hinaus steigt die Anzahl der zu berücksichtigenden Testszenarien aufgrund der zunehmenden technischen Komplexität und der damit verbundenen Vergrößerung des Parameter- und Szenarienraums weiter an.

Neben numerischen Simulationen, die eine frühzeitige Bewertung funktionaler und struktureller Anforderungen bereits in einer frühen Entwicklungsphase unterstützen, nehmen experimentelle Untersuchungen einen wesentlichen Anteil bei der Validierung mechanischer Strukturen, Komponenten und Anbauteilen ein. Dabei unterstützen skalierte Versuchsumgebungen einen inkrementellen Validierungs- und Absicherungsprozess, wie das Beispiel der experimentellen Validierung eines aktiven Motorlagers in Abbildung 1 zeigt.

Inkrementelles Testvorgehen bei der Entwicklung eines aktiven Motorlagers (Quelle: Fraunhofer LBF)

Bei der beispielhaften experimentellen Validierung eines aktiven Motorlagers [1,2], kann ein inkrementelles Testvorgehen in Abhängigkeit des Technologiereifegrades (Technology Readiness Level [3], TRL) erfolgen. In einer frühen Phase der Entwicklung (TRL 3-4) erfolgt die Absicherung der grundlegenden technischen Funktion in einem Komponentenprüfstand. Erreicht die Technologie einen höheren Reifegrad (TRL 5-6) wird die Funktionsweise in einem zweiten Schritt unter zunehmend realistischeren Randbedingungen beispielsweise in einem Vollfahrzeugprüfstand sichergestellt. Der Nachweis der Funktionstüchtigkeit im tatsächlichen Einsatzbereich kann in einem späteren Entwicklungsschritt mit höherem Technologiereifegrad (TRL 6-8) in einem Fahrversuch erfolgen.

Alle Testumgebungen und -mittel müssen bei diesem inkrementellen Vorgehen geschaffen, vorgehalten oder auf einen speziellen Testfall oder eine bestimmte Parameterkonfiguration angepasst werden. Zudem kann die Umsetzung einer Testumgebung ebenfalls die Verfügbarkeit eines Testfahrzeuges in einer frühen Entwicklungsphase bedingen, was im Zuge der Virtualisierung des Entwicklungsprozesses oft nicht vorgesehen ist.

Symbiose virtueller und experimenteller Methoden

Der Entwicklungs- und Validierungsprozess mechanischer Strukturen, Komponenten und Anbauteile wird im Wesentlichen durch zwei unterschiedliche Testmittel unterstützt. Frühe Entwicklungsphasen profitieren von numerischen Simulationen, die das Systemverhalten mit Hilfe angepasster Simulationsmodelle untersuchen. Dabei hängt die Modellierungstiefe – im Bereich der Strukturmechanik – von der zugrundeliegenden Fragestellung ab. Sie reicht von der Abbildung einfacher Beziehungen mit konzentrierten physikalischen Parametern bis hin zur Nachbildung kontinuierlicher Strukturen mit multiphysikalischen Wechselwirkungen.

Ein Vorteil numerischer Simulationen, besteht in der Möglichkeit, einen großen Parameter- und Szenarienraum durch eine schnelle Parametervariation in einer frühen Entwicklungsphase zu untersuchen. Die detailreiche und hochgenaue Modellierung nichtlinearer, zeitvarianter oder emergenter Effekte ist oft noch Gegenstand der Forschung oder aber mit einem hohen Aufwand verbunden. Insbesondere für den vibroakustisch relevanten Frequenzbereich ab ca. 50 Hz fehlen oft noch etablierte und gut abgesicherte Modellierungsansätze [4,5].

Experimentelle Untersuchungen können einen inkrementellen Entwicklungsprozess unterstützen. Sie sind jedoch oftmals mit einem hohen materiellen und personellen Aufwand verbunden, sofern Prüfumgebungen speziell beschafft oder umgerüstet werden müssen.

Eine Zielsetzung bei der Integration neuer Testansätze besteht somit darin, die Vorteile der numerischen und der experimentellen Methoden in einem hybriden Test- und Validierungsansatz zu vereinen [6]. Eine derartige hybride Methode soll auf der einen Seite die Untersuchung eines großen Parameterraums zulassen, auf der anderen Seite sollen bestehende numerische Simulationsmodelle in eine experimentelle Versuchsumgebung integriert werden können.

Dieses Vorgehen ist mit der Hardware-in-the-Loop-Methode bereits im Bereich der Steuergeräte- und Leistungselektronikentwicklung etabliert. Bei einem Hardware-in-the-Loop-Test befindet sich die zu testende Komponente (Hardware) in einer geschlossenen Regel- bzw. Wirkungsschleife mit einem numerischen Restsystem – Zustandsänderungen im realen Prüfling rufen Veränderungen im numerischen Modell hervor, die ihrerseits eine Gegenreaktion in der physikalischen Schnittstelle zum Prüfling einstellen. Wissenschaftlern am Fraunhofer LBF ist es nun gelungen die HIL-Methode auf die Stimulation und Emulation mechanischer Wechselwirkungen eines Prüflings mit seiner Umwelt zu übertragen [7].

Übersicht der entwickelten Testwerkzeuge (Quelle: Fraunhofer LBF)

Abbildung 2 gibt eine Übersicht über die entwickelten Testmittel, wobei das einstellbare Lager die schnelle Variation der mechanischen Steifigkeit im Rahmen einer experimentellen Untersuchung zulässt. Die Verstellung der Steifigkeit kann dabei motorisch oder von Hand erfolgen. Damit entfällt die Zeit für aufwändige Umbauarbeiten und Parameter können in einem agilen Testvorgehen in einem Prüfaufbau variiert werden.

Des Weiteren zeigt Abbildung 2 die exemplarische Realisierung einer mechanischen Hardware-in-the-Loop-Schnittstelle (mHIL-Schnittstelle). Neben dem verstellbaren Steifigkeitselement integriert die mHIL-Schnittstelle eine zusätzliche Aktorik und Sensorik. Mit Hilfe eines digitalen Regelkreises können numerische Simulationsmodelle zur direkt zur Emulation komplexer, mechanischer Eigenschaften in einem realen Prüfaufbau genutzt werden. Ein modellbasierter Entwicklungsprozess kann damit einfach mit einer experimentellen Validierung der mechanischen Eigenschaften in einer Testumgebung verknüpft werden.

Charakterisierung eines hydraulischen Stoßdämpfers

Abbildung 3 zeigt einen Prüfaufbau zur Charakterisierung von hydraulischen Stoßdämpfern. Der Stoßdämpfer wird durch einen hydraulischen Zylinder angeregt. Gegenüber dem Spannfeld ist der Stoßdämpfer über eine mechanische Hardware-in-the-loop Schnittstelle angebunden, welche die dynamischen Eigenschaften des Federbeindomlagers und der Fahrzeugkarosserie nachbildet.

Prüfaufbau zur Charakterisierung und Untersuchung von hydraulischen Stoßdämpfern unter verschiedenen mechanischen Randbedingungen (Quelle: Fraunhofer LBF)

Hierdurch wird es möglich die Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie des Stoßdämpfers für verschiedene Einbausituationen und Parameterkonfigurationen experimentell zu ermitteln, ohne Veränderungen am Prüfaufbau selbst vornehmen zu müssen. Lediglich der Parameter für die statische Steifigkeit der Lagerung muss in der Steuerung der mHIL-Schnittstelle verändert werden. Abbildung 4 zeigt die Kraft-Geschwindigkeits-Kennlinie für zwei verschiedene Einbausituationen, die mit Hilfe der mHIL-Schnittstelle eingestellt wurden.

Kraft-Geschwindigkeitskennlinien eines hydraulishcen Stoßdämpfers für zwei verschiedene Anbindungssteifigkeiten (Quelle: Fraunhofer LBF)

In einem Fall wurde eine statische Steifigkeit von 400 N/mm nachgebildet. Dies entspricht in etwa der Steifigkeit eines Federbeindomlagers. Zum Vergleich wurde die Messung mit einer nachgebildeten Steifigkeit von 15.000 N/mm durchgeführt. Dies entspricht in etwa der direkten Anbindung des Stoßdämpfers an den Federbeindom, ohne die Verwendung eines Elastomerlagers.

Da es sich bei hydraulischen Stoßdämpfern um hochgradig nichtlineare Systeme handelt, existieren noch offene Forschungsfragen hinsichtlich der Interaktion von Stoßdämpfer, Federbeindomlager und den Karosserieeigenschaften.

Die Möglichkeit, mechanische Randbedingungen in Versuchen schnell und einfach zu variieren, kann experimentelle Untersuchungen vereinfachen und zu neuen Erkenntnissen führen.

Die Autoren nehmen derzeit am Technologietransferprogramm „AHEAD“ der Fraunhofer-Gesellschaft teil und sind branchenübergreifend auf der Suche nach weiteren Pilot-Anwendern für die beschriebenen, agilen Prüf- und Testmittel. Weiterführende Informationen auf http://www.hytestsolutions.com

Literaturhinweis

[1] Kraus, R.; de Rue, G.J.; Millitzer, J.; Herold, S. (2012): Development and in-vehicle test of a novel active engine mount. In: 13th International Conference on New Actuators. 18.-20. Juni 2012.
[2] Millitzer, J.; Mayer, D.; Kraus, R.; Schmidt, M. (2016): Experimental studies on different actuator-sensor configurations of active control systems for the reduction of noise and vibration in vehicles. In: 9th International Styrian Noise, Vibration & Harshness Congress. Austria: Graz.
[3] Europäische Union, Horizon 2020 – Work Programme 2016-2017, General Annexes G, „Technology readiness level (TRL)“, https://ec.europa.eu › h2020-wp1617-annex-g-trl_en, letzter Aufruf 2019/09/13
[4] Kaal, W., Rieß, S.: Hochfrequente Charakterisierung und Modellierung von Elastomerlagern. In: Konstruktion. Düsseldorf: VDI Fachmedien GmbH & Co. KG, Jahrg. 2019, Nr. 5, S. 62–65. (2019)
[5] Rieß, S.; Hansmann, J.; Kaal, W.; Herold, S.: Hochdynamische Charakterisierung von hydraulischen Schwingungsdämpfern. In: ATZ - Automobiltechnische Zeitschrift. Nr. 3., S. 80-85. (2019)
[6] Millitzer, J.; Mayer, D.; Henke, C.; Jersch, T.; Tamm, C.; Michael, J.; Ranisch, C.: Recent Developments in Hardware-in-the-Loop Testing. In: IMAC-XXXVI Conference and Expositionon Structural Dynamics. USA: Orlando, Florida. (2018)
[7] Hansmann, J.; Millitzer, J.; Rieß, S.; Balzer, L. (2019): Hybride Methoden und Entwicklungswerkzeuge für effizienteres Testen und Entwickeln. In: MTZextra Prüfstände und Simulation für Antriebe 2019.

Jan Hansmann, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Gruppe Schwingungstechnische Optimierung
Jonathan Millitzer, Gruppenleiter Regelungstechnik
Christoph Tamm, Fachteamleiter Ganzheitliche Modellbildung und –validierung
[Alle Autoren: Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Abteilung Strukturdynamik und Schwingungstechnik, Bereich Adaptronik]

Jonathan Millitzer
Tel. 06151 705–8218
jonathan.millitzer@lbf.fraunhofer.de
http://www.lbf.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
Bartningstraße 47
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