Digitaler Zwilling Wissenschaftler entwickeln Digitalen Zwilling eines Prüfstands

Redakteur: Katharina Juschkat

Mit dem digitalen Abbild von Produkten lassen sich vorab viele wichtige Fragen klären. Jetzt haben Wissenschaftler des Fraunhofer LBF gemeinsam mit Schaeffler auch einen digitalen Zwilling eines Prüfstands erprobt. Damit sollen sich wesentliche Effizienzsteigerungen erzielen lassen.

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Ingenieure von Schaeffler und des Fraunhofer LBF bei der Untersuchung des servohydraulischen Prüfstands.
Ingenieure von Schaeffler und des Fraunhofer LBF bei der Untersuchung des servohydraulischen Prüfstands.
(Bild: Schaeffler Technologies AG & Co. KG)

Digitale Zwillinge von Produkten sind in der Digitalisierung kaum mehr wegzudenken. Der nächste Schritt ist es, digitale Zwillinge von Prüfumgebungen zu erstellen, um deren Funktionalität und Betriebsfestigkeit abzusichern. Das ist jetzt Wissenschaftlern des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF bei der Entwicklung eines mechatronischen Wankstabilisators in Zusammenarbeit mit Schaeffler Technologies gelungen, indem sie einen digitalen Zwilling eines servohydraulischen Prüfstandes erstellt haben.

Besonders wichtig ist der digitale Zwilling des Prüfstands bei aktiven Systemen in Fahrzeugen, wie sie beispielsweise im Fahrwerksbereich zunehmend zum Einsatz kommen. Bei der Entwicklung des mechatronischen Wankstabilisators Iarc (intelligent Active Roll Control) von Schaeffler ist die experimentelle Erprobung ein entscheidendes Element im Produktentwicklungsprozess. Dabei treten deutliche Unterschiede in den Prüfanforderungen für unterschiedliche Einsatzfälle auf.

Schon vorab klären, welche Anforderungen umgesetzt werden können

Um Prüfungen zeit- und kosteneffizienter umsetzen zu können, bauten die Darmstädter Wissenschaftler ein numerisches Simulationsmodell des Prüfstands auf. „Zusammen mit einem virtuellen Modell des Prüflings können wir so bereits vor Beginn der eigentlichen Prüfungen klären, inwieweit die Anforderungen auf dem Prüfstand umgesetzt werden können und welche Optimierungspotentiale bestehen“, erklärt Dr. Landersheim. Auf diese Weise lassen sich Prüfstandsbelegungszeiten signifikant verkürzen und experimentelle Wiederholungen minimieren.

Aufbau des digitalisierten Prüfstands
Aufbau des digitalisierten Prüfstands
(Bild: Schaeffler Technologies AG & Co. KG, bearbeitet durch Fraunhofer LBF)

Das Prüfstandmodell umfasst die nichtlineare Systemdynamik der Hydraulik, ihrer Regelung sowie der Kinematik, welche die LBF-Wissenschaftler an Hand eines speziell für das Projekt zugeschnittenen Prüfprogramms identifizierten und parametrierten. Dabei wählten sie im Hinblick auf die Interpretierbarkeit des Modells einen durchgängig physikalisch motivierten White-Box-Modellierungsansatz. Das erstellte Modell ist in der Lage, auch die entstehenden Regelabweichungen sowie die Leistungsgrenzen des Prüfsystems abzubilden.

Die Validierung führte das Fraunhofer LBF mit betriebslastähnlichen Signalen durch, welche nicht in die Modellerstellung und -parametrierung eingeflossen sind. Dabei ergaben sich in den Kolbenwegen für alle Validierungssignale Abweichungen von unter 3 % Prozent sowohl in den RMS-Werten (Root Mean Square-Error) als auch in der Pseudoschädigung. Die Abweichung der Signalminima und -maxima liegt sogar in allen Fällen unter 1 %.

Digitaler Prüfstand sorgt für Effizienzsteigerung

Diese Ergebnisqualität ermöglicht laut dem Fraunhofer LBF vielfältige Anwendungen des Modells. Im Projekt setzten die Darmstädter Wissenschaftler zwei Anwendungsfälle um. In der Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss verschiedener Modellparameter auf das Simulationsergebnis untersucht und in der Machbarkeitsanalyse, inwieweit eine Prüfanforderung auf dem Prüfstand umsetzbar ist und welche Grenzen der Systemdynamik hierbei limitierend wirken.

Erzielte Genauigkeit der Kolbenwege: Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messungen an betriebslastähnlichen Validierungssignalen.
Erzielte Genauigkeit der Kolbenwege: Vergleich der Simulationsergebnisse mit Messungen an betriebslastähnlichen Validierungssignalen.
(Bild: Fraunhofer LBF)

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 erscheint 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. Das unterstreicht auch Dustin Knetsch, Leiter Verifikation & Validierung Fahrwerkaktuatoren bei Schaeffler: „Für das Projekt wurden zu Beginn Schnittstellen so abgestimmt, dass das Prüfstands- und Entwicklungs-Knowhow des Fraunhofer LBF und das Produkt- und Systemverständnis von Schaeffler bestmöglich genutzt wurden. Durch eine enge Abstimmung konnte auch während des Projekts flexibel auf Erkenntnisse reagiert werden, so dass am Ende ein für Schaeffler ideales Ergebnis vorliegt.“

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