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antriebstechnik 10/2016

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ELEKTROMOTOREN Für das

ELEKTROMOTOREN Für das optimale Fahrvergnügen Servomotoren und Linearantrieb im Fahrzeugsimulator sorgen für gesteigertes Realitätsempfinden Jörn Jacobs Um die Simulation einer Fahrsituation so realitätsnah wie möglich zu gestalten, wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts ein längsdynamischer Fahrzeugsimulator entwickelt. Dieser verfügt über Servomotoren und einen Linearantrieb, um eine valide Testumgebung zu gewährleisten, in der umweltbedingte Störgrößen weitgehend eliminiert sind. I n der zeitgemäßen Fahrzeugentwicklung spielt nicht nur die Technik eine große Rolle, sondern auch das Design. Das betrifft neben Karosserie und Interieur ebenfalls den Sound (wie klingen Türen/Motorhaube beim Öffnen/Schließen) oder auch die Parameter des Antriebes, also: Wie wird „Beschleunigung“ empfunden? Hintergrund sämtlicher Designaufgaben ist, ein Fahrzeug auf die anvisierte Zielgruppe zuzuschneiden und somit den Verkaufsvorgang zu unterstützen. Als Laie vermag man kaum zu schätzen, wieviel Aufwand an Zeit und Kosten hierfür seitens der Fahrzeughersteller aufgewendet wird. Jörn Jacobs ist Fachjournalist aus Bad Camberg Im Fokus: Antriebsstrang und Beschleunigungsempfinden Fokussieren wir den Blick auf die Designaufgabe „Antriebsstrang und Beschleunigungsempfinden“. Als Autofahrer kennen wir alle typische Situationen wie stark Gas geben, der kurze Moment des Verzögerns und Wiederanziehens beim Gangwechsel oder auch Gas wegnehmen und wieder beschleunigen. Was wir dabei an „Beschleunigung“ wahrnehmen, ist definiert durch die Bauteile des Antriebsstranges wie Motor, Getriebe, Welle, Differential, aber auch durch die (elektronische) Parametrierung dieser Komponenten, eben das zusätzliche „Design“. Denn schließlich „muss“ sich ein sportliches Coupé beim Beschleunigen anders anfühlen als eine Limousine! Oder es geht z. B. um die Steigerung des Komforts unter Beibehaltung der empfundenen Dynamik. Momentan wird diese Auslegung von Experten in realen Fahrsituationen auf Fahrzeugen oder Prototypen getestet und adaptiert. Drei zentrale Probleme treten hierbei auf: Zum Ersten sind reale Testumgebungen unterschiedlichsten Störeinflüssen ausgesetzt, und seien es nur täglich andere Wetterbedingungen. Zum Zweiten nimmt der Experte das Fahrzeugverhalten im Bereich Antriebsstrang viel sensibler wahr als später der „normale“ Fahrzeugkäufer, sodass in der Folge häufig zeitintensiv an Parametern verändert wird, die für den Verkauf wenig relevant sind. Und zum Dritten erfordert das Testen an Fahrzeugen und Prototypen einen hohen Zeit- und Kostenaufwand. 42 antriebstechnik 10/2016

Valide Testumgebung dank längsdynamischem Simulator Vor diesem Hintergrund entstand bei Prof. Rinderknecht als Forschungsprojekt des Instituts für Mechatronische Systeme im Maschinenbau IMS der TU Darmstadt die Entwicklung eines längsdynamischen Fahrzeugsimulators. Unter leitender Mitarbeit von Herrn Erler im Rahmen seiner Promotion, unterstützt von Mercedes Benz, ist das Forschungsziel, die Fahrbarkeit und Wahrnehmung des Antriebsstrangs zu untersuchen, wobei die Eliminierung oder zumindest eine erhebliche Verringerung der vorgenannten Probleme im Fokus stehen. So lassen sich auf dem Simulator umweltbedingte Störgrößen weitgehend eliminieren und Situationen so oft wiederholen wie erforderlich, eine valide Testumgebung darf damit als gegeben gelten. Des Weiteren können beliebige Probanden die Tests durchführen, sodass statistisch ein typisiertes Profil eines Käufers entstehen kann – ob z. B. Frau, Mann oder bestimmte Altersgruppen. Außerdem hat der am IMS entwickelte Simulator den Vorteil, geringere Kosten zu verursachen als Real- oder Prototypentests, denn er benötigt keine physischen Antriebsstrang-Komponenten. Die Charakteristika der Bauteile können durch mathematische Modelle nachgebildet, mit realen Fahrzeug-Messdaten validiert und im Simulator verarbeitet werden. Kinematischer Drehpunkt steigert das Realitätsempfinden Doch so „relativ einfach“ wie es in der obigen Darstellung klingt, ist die Realisierung eines solchen Simulators natürlich nicht, vor allem, wenn man keine 200 oder 500 m lange Strecke hat, auf der der Simulator sich bewegen und beschleunigen könnte. Was also tun? In dynamischen Simulatoren wird die nachzubildende Beschleunigung in zwei Anteile zerlegt: einen Anteil an echter Linearbewegung (translatorisch) und einen Anteil an Gravitationseffekten (rotativ). Der rotative Anteil wird durch Neigen der Simulatorplattform dargestellt, doch darf man sich das nicht als einfaches „Kippen“ um eine Achse oder ein Scharnier hinter dem Sitz vorstellen. Das würde ein Proband in den meisten Fällen auch als Kippen wahrnehmen und sich damit nicht im Sinne der Simulation täuschen lassen. Es ist erwiesenermaßen plausibler, den Köper um sein vestibuläres System, also das im Innenohr befindliche Gleichgewichtsorgan, zu rotieren. Ergo ist es notwendig, die Plattform auf einer Kreisbahn zu verfahren. Das haben die Forscher durch den Einsatz eines weiteren Servomotors am hinteren Ende der Plattform realisiert, der synchron mit den beiden vorderen Motoren und deren Spindelabtrieb angesteuert wird. Je nach Struktur und Massivität der Beschleunigung/Verzögerung wird die Simulator-Plattform daher auf ca. 5 m linear verfahren und passend dazu auf der Kreisbahn geneigt, wobei Winkel von ± 25° bei einem Radius von bis zu 1,5 m erreicht werden können. Der Drehpunkt der Kreisbahn konnte über diesen Aufbau der Plattform dann auch auf Brusthöhe des Probanden oder sogar etwas höher gelegt werden, was dem Realitätsempfinden näherkommt. Hexapod-Simulatoren ähnlicher Baugröße sind nach Lage der Dinge nicht imstande, diesen kinematischen Drehpunkt in der benötigten Höhe darzustellen, sodass das Empfinden in der Simulation erheblich weniger realistisch ist. Antriebstechnische Umsetzung im Detail Beide Beschleunigungsparts, translatorisch wie rotativ, werden im Simulator mittels Linearantrieb und Servomotoren der Firma VUES Servo Motoren realisiert, die auf die 300 bis 500 kg schwere Simulator-Plattform wirken. Die Lineareinheit am Boden für den translatorischen Anteil ist ein L35075P-4815 als Primärteil, der mit Luftkühlung eine Dauerkraft von 1 760 N bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 4,9 m/s (17,64 km/h) aufweist und als kurzzeitige Spitzenkraft bis 4 000 N leisten kann. Bei den zwei Servomotoren am vorderen Ende der Plattform handelt es sich um speziell angepasste Hohlwellen-Servomotoren des Typs AF633i-1SSF, die bei Nennspannung ein Nenndrehmoment von 7,8 Nm bei 3 000 Umdrehungen pro Minute aufweisen und 2 450 W je Einheit leisten, maximales Drehmoment erreicht kurzzeitig 40 Nm. Der Verfahrweg über die Spindel beträgt 960 mm. Bleibt noch der hintere Aktor zur Realisierung der Kreisbahn im Zusammenspiel mit den vorderen. Hier ist ein MA506i eingesetzt, der bei ebenfalls 3 000 Umdrehungen eine Dauervorschubkraft von 6 800 N und Nenngeschwindigkeit von 250 mm/s einbringt. Sein Arbeitshub liegt bei 180 mm, die kurzzeitige Spitzenvorschubkraft sogar bei 15 000 N. Wenn es um fundiertes Know-how, höchste flexibilität und eine überdurchschnittliche Lieferfähigkeit geht. Dann sind wir für Sie da! Dank unseres umfangreichen Lagers sind wir in der Lage, unsere Standardbaureihen teils innerhalb weniger Stunden zu liefern. 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