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E-Mobilität 30.000 Umdrehungen pro Minute auf dem Prüftisch

| Redakteur: Katharina Juschkat

Ein Prüfstand für E-Motoren muss Antriebe mit bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute aushalten - eine Herausforderungen für die Konstruktion und das Material. Ein Unternehmen hat sich auf Prüfstände für E-Motoren spezialisiert und verrät, was es zu beachten gilt.

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E-Motoren brauchen neue Testeinrichtungen und Prüfstände – auf was zu achten ist.
E-Motoren brauchen neue Testeinrichtungen und Prüfstände – auf was zu achten ist.
(Bild: Durcrete)

Die Automobilbranche setzt in Zukunft auf Elektromobilität. Die Entwicklung neuer Antriebe betrifft dabei nicht nur die Automobilzulieferer, sondern stellt auch die Prüfsysteme vor neue Herausforderungen. Die drehmomentstarken E-Antriebe mit bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute braucht es neue Testeinrichtungen und Prüfstandsysteme. Spezialisiert auf solche Prüfstände hat sich die OPV Engineering aus Karlsruhe, ein ausgegründetes Unternehmen des Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Besondere Anforderungen an die Prüfstände

Die Anforderungen an diese Prüfsysteme sind hoch: Die mechanische Struktur muss so gestaltet werden, dass deren Verhalten bei dem Betrieb mit hohen Drehzahlen und/oder hoher Dynamik die Testergebnisse nicht beeinflusst. Bei modernen Anlagen wirken sich eine ordnungsabhängige radiale Anregung, eine rotatorische Anregung oder ein Ordnungsgemisch (wie es beispielsweise bei einer Verbrennungsmotor-Simulation vorkommt) nicht nur auf die Belastung des Prüflings aus, sondern in großem Maße auch auf die mechanische Struktur des gesamten Prüfaufbaus. Bei der Belastung des Prüflings können die genannten Anregungsarten gezielt eingestellt werden oder ergeben sich aus dem Verhalten des Prüflings.

Unabhängig davon muss der Gesamtaufbau so gestaltet sein, dass es in keinem Betriebsbereich zu negativen Auswirkungen auf die Testergebnisse kommt. So kann das Eigenverhalten des Unterbaus von Prüflings- oder Antriebsmotor, aber auch die Anbindung des Prüflings an den Antrieb, einen Einfluss ausüben.

Auf was bei Prüftischen zu achten ist

Ziel ist es, stets einen unterkritischen Betrieb zu erreichen; denn nur so kann vermieden werden, dass es beim Hochlauf und dem damit verbundenen Resonanzdurchlauf zu unerwünscht großen Auslenkungen der Prüfstandsbaugruppe kommt. Der unterkritische Betrieb erfordert einen sehr steifen Aufbau, was im Gegensatz zu einer weichen Struktur ebenso zu einer besseren Qualität und Reproduzierbarkeit der Ausrichtung der Komponenten führt.

Werden all diese Einflussfaktoren berücksichtigt, wirkt sich dies auf die Qualität der Messergebnisse, aber auch auf die zeitliche Verfügbarkeit des Antriebsmotors aus. Dieser wird mechanisch weniger belastet, was direkt zu einer längeren Lebensdauer und weniger Stillstandszeit führt. Bei der Investition in eine neue Prüfanlage ist der Antriebsmotor in vielen Fällen der kostenintensivste Teil, welcher durch eine Berücksichtigung aller oben genannten Faktoren daher besonders gut geschützt werden kann.

Für einen unterkritischen Betrieb braucht es einen sehr steifen Aufbau.
Für einen unterkritischen Betrieb braucht es einen sehr steifen Aufbau.
(Bild: Durcrete)

Anwendungsbeispiel: Prüftisch aus Nanodur-Beton

Für die Entwicklung eines Prüfstandes hat OPV Engineering folgende Anforderungen zu erfüllen:

  • Prüftisch mit so hoher Steifigkeit, dass die 1. Eigenfrequenz einen Wert größer als 330 Hz aufweist
  • Kompakte Maße
  • Hohe Dämpfung, damit sich Resonanzschwingungen nicht aufschaukeln, sondern die Amplitude schnell abklingt

Diese Anforderungen hat OPV gemeinsam mit der Durcrete GmbH, Spezialisten für zementgebundenen Mineralguss im Maschinenbau, realisiert. Der Prüftisch besteht aus einem massiven Untergestell aus Nanodur-Beton E80. Dieser zementgebundene Mineralguss hat einen E-Modul von über 80.000 N/mm², der monolithische Prüfblock weist deshalb eine besonders hohe Steifigkeit auf, die derjenigen eines massiven Aluminiumblock entspricht. Das Material ist sowohl beständig gegen Frost, als auch gegen Temperaturen bis zu 150°C, so dass die Kühlung und Heizung der Prüfstücke unkompliziert verwirklicht werden kann. Der Anschluss der Antriebe, Aggregate und Bremsen erfolgt über eingelassene Stahlplatten, welche auf einem Präzisionsfertigungszentrum gefräst und gebohrt wurden.

Nanodur-Beton im Detail

Laut dem Hersteller Durcrete ist der außerordentlich hohe E-Modul des Materials einzigartig auf dem Markt der massiven Maschinenbetten und wird durch eine industriell hergestellte Gesteinskörnung erzielt. Der selbstverdichtende Beton wird ohne Rütteln hergestellt, leichte und somit preiswerte Einmalholzformen sind meist ausreichend. Genauigkeiten bis zu 5 Mikrometer werden durch nachgelagerte Präzisionsbearbeitung erzielt. Für den Reinraum- und Vakuumbereich kann die Spritzlackierung bei Bedarf auch lebensmittelecht ausgeführt werden. Dynamische Messungen an Prüfständen für andere Kunden aus dem Automotive-Bereich zeigen, dass der Nanodur-Beton mit einem Materialgesetz nach dem Hookeschen Gesetz gut berechnet werden kann und die Abweichungen zu Messungen an fertigen Prüftischen kleiner als 5% sind. Zwar sind die Formenkosten des Materials hoch, doch für viele Anwender sind die technischen Vorteile überzeugend.

Die fertigen Maße des Tisches:

  • Länge: 1.450 mm
  • Breite: 1.100 mm
  • Höhe: 625 mm
  • Gewicht: ca. 3,5 Tonnen

Von Vorteil war die einfache Konstruktion des Prüftischs: Der rechteckige Klotz lässt sich mit wenig Aufwand ganz individuell konstruieren und zeichnen, danach werden noch die stählernen Anschlussplatten, die Lackierung sowie Genauigkeiten festgelegt. Die Verbindung von Stahl und Beton legt der Hersteller fest, so vereinfacht sich auch hier der Konstruktionsprozess ganz wesentlich. Zudem können Überlegungen zu Mindestdicken, Steifeblechen oder Schweißnahtangaben komplett entfallen.

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