Prüfung und Validierung in der Automobilentwicklung
Die Automobilentwicklung ist in hohem Maße auf physische Prüfungen angewiesen: Sie validieren Simulationsmodelle, belegen die strukturelle Dauerfestigkeit und verifizieren die Leistung des Antriebsstrangs unter Last, Belastung, Stoß und wechselnden Drehmomenten.
Finite-Elemente-Analyse (FEA) und Mehrkörpersimulation haben die Entwicklungszyklen in der Automobilindustrie zwar verkürzt, doch vor dem Serienanlauf haben physische Prüfstände und instrumentierte Versuchsfahrzeuge weiterhin das letzte Wort. Prüfingenieure stützen sich in jeder Phase der Fahrzeugentwicklung auf Messdaten von Kraftaufnehmern, Reaktions– und rotierenden Drehmomentaufnehmern sowie Mehrachsen-Kraftsensoren – von der Fahrwerksdynamik und der Integrität des Batteriepakets bis hin zur Effizienz des Antriebsstrangs und zur Ergonomie im Innenraum.
Der Weg zu leistungsfähigen Fahrzeugprüfungen
Im Folgenden ein Überblick über die wichtigsten Prüfumgebungen und Anwendungsfälle, in denen Kraft- und Drehmomentmesstechnik von Interface unverzichtbar ist.
Strukturelle Dauerfestigkeit, Fahrwerks- und Chassisprüfung
Chassis und Fahrwerk eines Fahrzeugs sind auf unebenem Untergrund, bei Kurvenfahrt und bei starkem Bremsen fortlaufend dynamischen Lasten aus mehreren Richtungen ausgesetzt. Um die Lebensdauer zu bewerten, spannen Prüflabore Fahrschemel oder komplette Karosserien auf mehrachsige hydraulische Schwingprüfstände – sogenannte Straßensimulationsprüfstände bzw. Four-Poster- und Eight-Poster-Prüfstände.
Flache LowProfile-Kraftaufnehmer und moderne Mehrachsensensoren lassen sich direkt im Kraftfluss der Aktuatoren und in Fahrwerkslenkern wie Querlenkern, Spurstangen und Federbeinlagern montieren. Diese Sensoren trennen Querkräfte, Biegemomente und Axialkräfte voneinander.
Fahrzeugingenieure benötigen eine hohe Eigenfrequenz und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Störlasten, damit Seitenlasten oder nicht axiale Kräfte, die beim Einfedern des Fahrwerks entstehen, die primären vertikalen und lateralen Lastmessungen nicht verfälschen. Kann ein Sensor Momente außerhalb der Messachse nicht von sich aus unterdrücken, riskiert das Labor verzerrte Ermüdungsdaten – mit der Folge, dass Fahrwerkslenker überdimensioniert werden oder sich anbahnendes Risswachstum unentdeckt bleibt.
WEITERLESEN: Fahrwerksprüfung im Rennsport
Prüfung von Antriebsstrang und Triebstrang bei Verbrennern, Hybriden und Elektrofahrzeugen
Die Prüfung von Triebsträngen hat sich rasant weiterentwickelt, seit Fahrzeuge auf hochdrehende Elektromotoren, integrierte Antriebseinheiten (Integrated Drive Units, IDUs) und hybride Architekturen umgestellt werden. Leistungsprüfstände benötigen eine kontinuierliche Drehmomentmessung mit hoher Bandbreite, um Wirkungsgradkennfelder, Verlustleistungen und die Dynamik der Rekuperation beim Bremsen zu erfassen.
In diesen Prüflaboren sitzen rotierende Drehmomentaufnehmer in Reihe zwischen der Antriebsmaschine – meist einer elektrischen Belastungsmaschine – und dem Prüfling, etwa einem Motor, einem Getriebe oder einer Achse. Bei elektrischen Antriebssträngen müssen diese Aufnehmer hohe Drehzahlen beherrschen und dabei auch bei schnellen Drehmomentumkehrungen und Lastsprüngen ein sauberes Signal liefern. Für die statische Montage und zur Erfassung der Reaktionskräfte am Motorgehäuse werden Reaktionsdrehmomentaufnehmer zwischen Prüfstandsrahmen und Motorhalterung verschraubt; sie messen Haltemoment und Torsionsresonanzen.
VIDEO: Webinar „Latest Spin on AxialTQ“ und das Anwendungsvideo zum AxialTQ am Leistungsprüfstand
Präzise Drehmomentdaten ermöglichen es Prüf- und Kalibrieringenieuren, Motorsteuerungsalgorithmen abzustimmen, die Dauer- gegenüber der Spitzenleistung zu verifizieren und mechanische Verluste auf Bruchteile eines Prozents genau zu beziffern.
Crash-, Aufprall- und Insassensicherheit
Die Sicherheitsprüfung umfasst Barrieren-Crashtests mit dem Gesamtfahrzeug, Schlittentests sowie lokale Aufpralltests für Sicherheitsgurte, Pedale und Airbags. Bei einem Offset-Crash gegen eine deformierbare Barriere mit 40 mph (rund 64 km/h) treten die mechanischen Lasten innerhalb von Millisekunden auf und erzeugen hohe Spitzenbeschleunigungen. Prüflabore setzen dabei auf universelle LowProfile-Kraftaufnehmer, Miniatur-Kraftaufnehmer, Mehrachsensensoren und kundenspezifische Messbolzen, die direkt in Gurtverankerungen, Lenksäulenhalterungen und Pedalbaugruppen integriert werden.
Anthropomorphe Testvorrichtungen (ATDs bzw. Crashtest-Dummys) werden mit Miniatur-Kraftaufnehmern oder Mehrachsensensoren ausgestattet, um Quer- und Momentenlasten aus mehreren Richtungen an Hals, Wirbelsäule, Lendenbereich und Extremitäten aufzuzeichnen.
Bei der Fahrzeugsicherheit steht die Sicherheit an erster Stelle – und damit die Qualität der Sensoren. Da diese Versuche zerstörend und teuer sind, ist die Zuverlässigkeit der Sensoren entscheidend. Sie müssen erhebliche Überlasten ohne Nullpunktverschiebung überstehen und einen flachen Frequenzgang aufweisen, damit sich Impulsspitzen im Millisekundenbereich sauber auflösen lassen.
WEITERLESEN: Qualitäts- und Sicherheitsprüfung von Fahrzeugen
EV-Batterien und strukturelle Integrität des Batteriepakets
Bei batterieelektrischen Fahrzeugen ist das Gehäuse des Batteriepakets häufig ein tragendes Strukturbauteil des Chassis. Im Fahrbetrieb erzeugen die thermischen Ausdehnungs- und Schrumpfzyklen von Lithium-Ionen-Pouch- oder prismatischen Zellen mechanische Quellkräfte gegen die inneren Halterahmen.
Prüfingenieure bauen kompakte Knopf-Kraftaufnehmer und Miniatur-Biegebalken in modulare Batterievorrichtungen ein, um das Zellquellen über Tausende von Lade- und Entladezyklen zu überwachen. Gleichzeitig wird das Strukturgehäuse auf Torsionssteifigkeit, Bordsteinanprall und Fallbelastungen der Batterie untersucht. Mehrachsen-Kraftsensoren erfassen die punktuellen Lasten, die bei Fahrbahnstößen in das Batteriegehäuse eingeleitet werden, und belegen, dass strukturelle Verformungen weder den abgedichteten Batterieraum durchbrechen noch wichtige Kühlkanäle zerdrücken.
MEHR ERFAHREN: Anwendungsbericht zur Überwachung von Elektrofahrzeug-Batterien und EV-Batterieprüfung mit Miniatur-Kraftaufnehmern von Interface
Robotermontage, Schraubendrehmoment und Widerstandspunktschweißen
Rohbau (Body-in-White, BIW) und Komponentenverschraubung erfordern eine fortlaufende mechanische Überprüfung, damit Strukturverbindungen strenge Sicherheitsstandards erfüllen, ohne die Taktzeiten zu verlängern. Beim robotergestützten Punktschweißen müssen automatisierte Schweißzangen eine präzise Elektrodenkraft aufbringen, bevor der Strom fließt. Eine zu geringe Zangenkraft führt zu Spritzern und schwachen Schweißlinsen, eine zu hohe Kraft quetscht das Blech und beschleunigt die Pilzbildung an den Elektroden.
Werkzeugprüflabore und automatisierte Montagelinien setzen ConvexBT-Knopf-Kraftaufnehmer direkt zwischen die Elektrodenkappen, um servoelektrische Roboterschweißzangen zu kalibrieren und die Elektrodenkraft unter realen Linienbedingungen zu prüfen. Gleichzeitig nutzen automatisierte Schrauber und Verschraubungsstationen Reaktionsdrehmomentsensoren und rotierende Drehmomentaufnehmer, um Schraubwerkzeuge zu überprüfen. Diese Aufnehmer erfassen den Einschraubverlauf, die Gleichmäßigkeit der Vorspannkraft und das Anzugsmoment an kritischen Verbindungen wie Fahrschemelschrauben, Radmuttern und den umlaufenden Dichtungen des Batteriegehäuses. Indem Qualitätsteams Vorspannkraft- und Drehmomentverläufe in Echtzeit erfassen, verhindern sie ausgerissene Gewinde, vermeiden das Setzen von Verbindungen und sichern über Tausende automatisierter Vorgänge pro Schicht eine reproduzierbare strukturelle Integrität.
ÜBERBLICK: Anwendungsberichte von Interface für Automobil und Fahrzeugtechnik
Bedienelemente, Ergonomie und Betätigung von Komponenten
Die Berührungspunkte im Fahrzeuginnenraum prägen maßgeblich, wie Kunden die Qualität wahrnehmen und wie ergonomisch das Fahrzeug ist. Die Prüfung konzentriert sich hier auf die Betätigung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI): Lenkkraft, Pedalgefühl, Einrasten des Türschlosses, Einklemmschutz-Schwellen der Fensterheber und das Auslösen von Schaltern.
Spezielle Lenkrad-Drehmomentsensoren werden direkt an der Lenksäule oder am Serienlenkrad befestigt, um das Lenkmoment des Fahrers bei Kreisbahnfahrten und bei der Übergabe der Lenkung zwischen automatisiertem System und Fahrer zu messen.
Pedal-Kraftaufnehmer werden auf Brems-, Kupplungs- und Gaspedal geklemmt, um die aufgebrachte Fußkraft mit dem Hydraulikdruck in der Bremsleitung und der Fahrzeugverzögerung in Beziehung zu setzen. In Montage- und Komponentenlaboren prüfen Miniatur-Druckkraftaufnehmer die genauen Schaltkräfte von Tasten, taktilen Schaltern und haptischem Touchscreen-Feedback.
LESETIPP: Kraftprüfung an Fahrzeug-Bedienelementen
Warum die Qualität der Messtechnik für Prüflabore in der Automobilindustrie zählt
Prüfprogramme in der Automobilindustrie unterliegen engen Entwicklungszeitplänen und hohen Investitionskosten pro Prüftag. Läuft eine Prüfzelle oder ein Gesamtfahrzeug-Dauerlaufprüfstand, können Sensorausfälle oder inkonsistente Messwerte Stillstände verursachen, die sich auf ganze Fahrzeugprogramme auswirken.
Prüfingenieure benötigen Sensorhardware, die Folgendes bietet:
- Hohe Unterdrückung von Störlasten, sodass Axialkräfte auch bei gleichzeitig wirkenden Biegemomenten und Seitenkräften genau gemessen werden.
- Temperaturkompensation, damit Nullpunkt und Messspanne in Klimakammern stabil bleiben – vom Kaltstart unter null Grad bis zum Dauerlauf bei hohen Temperaturen.
- Garantierte Lebensdauer durch Aufnehmer, die für Millionen voll wechselnder Lastzyklen ohne Materialermüdung oder Kalibrierdrift ausgelegt sind.
- Saubere Signalwandlung durch DMS-Konstruktionen mit hohem Ausgangssignal, die sich leicht mit rauscharmer Messdatenerfassung kombinieren lassen und so auch kleine Signale in elektrisch gestörten Umgebungen wie Hochvolt-Wechselrichterprüfständen erhalten.
Die physische Kraft- und Drehmomentmessung bleibt zentral für die Fahrzeugentwicklung. Indem sie die Mechanik direkt am Lastangriffspunkt präzise erfassen, validieren Prüfteams Simulationen, stellen die Einhaltung von Vorschriften sicher und bringen sichere, langlebige Fahrzeuge auf die Straße.
Sprechen Sie mit den Anwendungsingenieuren von Interface, um die passenden Produkte für Ihre Prüfaufgaben in der Automobil- und Fahrzeugtechnik zu finden. Interface stellt außerdem jedes Jahr auf der Automotive Testing Expo aus und zeigt dort neue Produkte sowie Lösungen für Kraft-, Drehmoment- und Mehrachsenmessung und Messdatenerfassung, die speziell für die verschiedenen Arten der Fahrzeugprüfung entwickelt wurden. Hier ein kurzweiliger Einblick in einige der diesjährigen Vorführungen, die Sie an unserem Stand erleben können.
WEITERE INFORMATIONEN
Kraftmessung bei Crashtests verbessert Konstruktionen und rettet Leben
Moderne Fahrzeugprüfung mit Drehmomentaufnehmern beschleunigen
Prüf- und Messtechnik im Zeitalter des autonomen Fahrens
Die Zukunft der Fahrzeugleistung erfordert präzise Drehmomentmessung
Spitzenleistung im Motorsport erfordert Präzisionsmesstechnik
Prüf- und Messtechnik für Fernverkehrs- und Schwerlastfahrzeuge
Qualitäts- und Sicherheitsprüfung von Fahrzeugen
Kraftprüfung an Fahrzeug-Bedienelementen
Belastungsprüfung von Elektrofahrzeug-Batterien: Funktion und Anwendung