Modellbildung und Parametrierung eines servohydraulischen Prüfstands

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Mit dem Einsatz digitaler Methoden in der Prüftechnik begleitet das Fraunhofer LBF ganzheitlich innovative Produktentwicklungen in zuverlässigkeitsorientierten Branchen.

Den Prüfstand in den Rechner holen – das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum digitalisierten Produktentwicklungsprozess. Die Digitalisierung erfordert nicht nur die Erstellung digitaler Zwillinge der Produkte, sondern auch der Prüfumgebungen, mit denen ihre Funktionalität und Betriebsfestigkeit abgesichert werden. Nur so lassen sich das Zusammenspiel von Prüfling und Prüfsystem, die Machbarkeitsgrenzen in der Prüfung und die erzielbaren Genauigkeiten im Vergleich zum realen Einsatz bereits vor dem eigentlichen Versuch virtuell erfassen.

Von besonderer Bedeutung ist der digitale Zwilling des Prüfstands bei aktiven Systemen in Fahrzeugen, wie sie u. a. im Fahrwerksbereich zunehmend zum Einsatz kommen. So ist beispielsweise bei der Entwicklung eines mechatronischen Wankstabilisators iARC (intelligent Active Roll Control) die experimentelle Erprobung ein entscheidendes Element im Produktentwicklungsprozess. Dabei treten deutliche Unterschiede in den Prüfanforderungen für unterschiedliche Einsatzfälle auf. Um Prüfungen zeit- und kosteneffizienter umsetzen zu können, wird im Fraunhofer LBF ein numerisches Simulationsmodell des Prüfstands aufgebaut. Zusammen mit einem virtuellen Prüflingsmodell kann so bereits vor Beginn der eigentlichen Prüfungen geklärt werden, in wie weit die Prüfanforderungen auf dem Prüfstand umgesetzt werden können und welche Optimierungspotentiale bestehen. Dadurch lassen sich Prüfstandbelegungszeiten signifikant verkürzen und experimentelle Iterationen minimieren.

Das Prüfstandmodell umfasst die nichtlineare Systemdynamik der Hydraulik, ihrer Regelung sowie der Kinematik. Sie wird an Hand eines speziell für die jeweilige Anforderung zugeschnittenen Prüfprogramms identifiziert und parametriert. Dabei kann im Hinblick auf die Interpretierbarkeit des Modells ein durchgängig physikalisch motivierter White-Box-Modellierungsansatz gewählt werden. Das erstellte Modell ist in der Lage, auch die entstehenden Regelabweichungen sowie die Leistungsgrenzen des Prüfsystems abzubilden. Die sehr hohe Ergebnisqualität ermöglicht vielfältige Anwendungen des Modells, z. B. die Sensitivitätsanalyse und die Machbarkeitsanalyse.

In der Sensitivitätsanalyse wird der Einfluss verschiedener Modellparameter auf das Simulationsergebnis untersucht. Dies liefert einerseits Informationen hinsichtlich der erforderlichen Modellierungstiefe vergleichbarer Prüfstände und zeigt zum anderen Möglichkeiten zur Verringerung der Regelabweichung auf.

In der Machbarkeitsanalyse wird untersucht, in wie weit eine Prüfanforderung auf dem Prüfstand umsetzbar ist und welche Grenzen der Systemdynamik hierbei limitierend wirken.

Durch die standardmäßige Einbindung einer virtuellen Prüfung mit Hilfe des digitalen Zwillings im Vorfeld der experimentellen Prüfung lassen sich wesentliche Effizienzsteigerungen erzielen, da Hindernisse frühzeitig erkannt und ihre Ursachen identifiziert werden können. Diese Vorgehensweise ist insbesondere für Automobilzulieferer von hoher Relevanz, da eine Erprobung im Fahrzeug in der Regel erst zu einem sehr späten Zeitpunkt in der Entwicklung möglich ist und der Prüfstand damit das wesentliche Werkzeug zur Absicherung darstellt.