antriebstechnik 11/2017

02 Hydraulikzylinder 1)

02 Hydraulikzylinder 1) Drucksensor, 2) Anschluss Temperatursensor, 3) Zulauf mit Absperrhahn, 4) Druckanschluss, 5) Entlüftungsschraube, 6) Überdrucksicherung, 7) Bremssattel, 8) Bremsscheibe Regelventile. Eine geringe Drosselwirkung steigert die Systemdynamik und verbessert das An sprechverhalten der Bremswirkung, wohingegen für eine gute Dosierbarkeit des Bremssatteldruckes eine hohe Drosselwirkung benötigt wird. Um verschiedene Fahrzeug-Bremssysteme mithilfe des Prüfstands-Bremssystems nachzubilden, wird eine möglichst gute Stellgenauigkeit über den gesamten Systemdruckbereich zwischen 0 und 150 bar gefordert. Eine maximale statische Druckabweichung zwischen dem Soll-Druck p Br,soll und dem gemessenen Ist-Druck p Br,ist von unter ± 1 bar ist hierfür anzustreben. Nach [3–5] können im Hauptbremszylinder maximale Bremsdruckgradienten bis zu 1 500 bar/s auftreten. Für eine ABS- Regelung lässt sich der relevante Übertragungspfad mit einem PT1-Glied annähern [16]. Bei komplett geöffneten Ventilen beträgt die minimal mögliche Zeitkonstante zwischen 30 und 40 ms. Die er forderliche Systemdynamik liegt beim Druckaufbau oberhalb von 750 bar/s sowie beim Druckabbau oberhalb von 1 000 bar/s [3]. Diese Anforderungen sind durch den Bremsaktuator zu erfüllen. Weiterhin sind eine Integration geeigneter Messsensoren sowie die Möglichkeit der Systemerweiterung um zusätzliche Sensoren notwendig. Vor allem die Messung von Drücken und Fluidtemperaturen an verschiedenen Stellen der Hydraulikstrecke ist hierbei zu nennen. Konzept und Aufbau des Bremsaktuators 3) Zulauf mit Absperrhahn, 4) Druckanschluss, 5) Entlüftungsschraube, 9) Gleitlagerung, 10) PTFE-Dichtung und -Abstreifer, 11) Strukturdämpfer, 12) Ausgleichskupplung 03 Integration der Fahrzeug-Radbremse in den HIL-Prüfstand 1) Abtriebsmaschine, 2) Antriebswelle mit Radnabe, 3) Fahrzeug-Radbremse und Vierkolben-Festsattel, 4) Stahlflex-Leitungen und Fittings Die Abtriebseinheit des HIL-Prüfstandes – dargestellt in Bild 01 – dient dazu, die am Fahrzeugrad wirkenden Drehmomente nachzubilden. Im Wesentlichen sind hier die Fahrwiderstände bzw. der Reifen-Fahrbahn-Kontakt zu nennen. Neben den Fahrwiderständen hat auch das Bremsmoment einen wesentlichen Einfluss auf das Verhalten des Fahrzeug-Antriebsstrangs. Wie bereits in den Anforderungen erwähnt, sind Bremsmomentenverläufe realer Fahrzeuge, z. B. beeinflusst durch ABS- oder ESP-Algorithmen, am Prüfstand nachzubilden. Um diese Aufgabe zu erfüllen, wird ein hierfür entwickelter Bremsaktuator verwendet, welcher im Wesentlichen aus drei Baugruppen besteht (Bild 01): Einem tubularen Linearmotor inklusive Umrichter (2, 1), einem Hydraulikzylinder (3) sowie einer Fahrzeug-Radbremse (4). Mittels des Hydraulikzylinders wird eine Position des Linearmotorläufers in einen Bremsdruck der Fahrzeug-Radbremse umgesetzt. Die Verwendung einer Fahrzeug-Radbremse im Bremsaktuator ermöglicht eine realitätsnahe Erfassung der Effekte der Hydraulikstrecke sowie der Reibung. Somit können neben der Dynamik des Systems auch Temperatureinflüsse sowie das Reibverhalten zwischen den Bremsbelägen und der Bremsscheibe untersucht werden. Gleichzeitig bietet dieses System die Möglichkeit, unterschiedliche Bremsflüssigkeiten, Bremsleitungen sowie Leitungslängen zu betrachten. Linearmotor Der elektrische, tubulare Linearmotor dient zur Erzeugung des Bremsdruckes entsprechend dem Fahrerwunsch bzw. der Sollvorgabe der ESP-/ABS-Algorithmen. Dieser ist in Synchronbauweise ausgeführt und liefert im Stillstand eine Konstantkraft von F LM,N = 479 N sowie kurzzeitig eine Spitzenkraft von bis zu F LM,max = 2 700 N [13]. Diese ermöglicht in Kombination mit einer maximalen Läufergeschwindigkeit v LM,max = 4,7 m/s die für den Bremsaktuator benötigte Systemdynamik. Die Wiederholgenauigkeit der Position von 20 µm ist im Hinblick auf eine gute Reproduzierbarkeit der Untersuchungen förderlich. 138 antriebstechnik 11/2017

PS S PS S PS S PS S Absolut-Position x [mm] Absolut-Druck p [bar] AKTUATORIK 04 Simulationsmodell des Bremsaktuators (a) Absolut-Position des Linearmotorläufers über der Zeit 10 8 Werteingabe-Plots 6 4 Converter PS S Linmot_F Referenz-Ort xSoll_Measure Bremssattel_plst GeberZylinder_plst Regler LinMot_vlst LinMot_xlst Converter xSoll_Measure [LinMot_xlst] Wertausgabe- Plots Converter [LinMot_vlst] Wertausgabe- Plots Converter Drucksensor Geberzylinder Geberzylinder_plst Wertausgabe-Plots Umgebungsdruck Drucksensor Bremssattel Bremssattel_plst Wertausgabe-Plots Converter 2 0 –2 –4 Zeit t [ms] (b) Absolut-Druck im Hydraulikzylinder und im Bremssattel über der Zeit 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Plots Soll-Position Ist-Position 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Soll-Druck Ist-Druck Hydraulikzylinder Ist-Druck Bremssattel 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Zeit t [ms] Referenz-Ort f(x) = 0 Solver LinMot- Läuferreibung Weg- und Geschwindigkeitssensor Bremsleitung 3-Volumen Bremsflüssigkeit- Trägheit 2 Bremsleitung 3 Bremskolben- Dichtungssteifigkeit Bremskolben-Masse Bremskolben- Dichtungsreibung LinMot-Kraft Geberzylinder LinMot- Läufermasse Geber- zylinder- Fitting Bremsleitung 1 Brems- flüssigkeit- Trägheit 1 Bremsleitung 1- Volumen Verteiler- Fitting Brems- sattel- Fitting Bremsleitung 2 Brems- flüssigkeit- Trägheit 3 Bremsleitung 2- Volumen Bremssattel Bremssattel- Elastizität Kraftsensor PS S Bremssattel_Flst Converter Wertausgabe- Plots Bremsflüssigkeit Wegsensor PS S Converter Bremssattel_xlst Wertausgabe- Plots Hydraulikzylinder Zur Umsetzung einer Positionsänderung des Linearmotorläufers in den entsprechenden Bremsdruck wird ein eigenentwickelter Hydraulikzylinder verwendet. Über eine Ausgleichskupplung ist dieser mit dem Läufer des Linearmotors verbunden. Der Hydraulikzylinder ist als Plungerzylinder ausgeführt (Bild 02). Eine geringe Reib widerstandskraft von unter 10 N wird durch die Bauweise und weitere Maßnahmen erreicht. Dieser Wert entspricht einem Druck im Hydraulikzylinder von annähernd 1 bar. Zur Reduzierung des Reibwiderstands werden Dichtung sowie Abstreifer aus PTFE (Polytetrafluorethylen) verwendet. Zur Führung der Kolbenstange wird ein Gleitlager aus Messing eingesetzt, welches mit einem speziellen Schmierdrall versehen ist. Hierdurch verringert sich die Losbrechreibung durch die Gewährleistung eines ständigen Schmier filmes zwischen Kolbenstange und Führung. Die verwendete Dichtung erlaubt Systemdrücke bis zu 200 bar sowie Relativgeschwindigkeiten bis zu 10 m/s. Eine Überdrucksicherung (Berstscheibe) sowie die benötigte Messtechnik sind direkt im Hydraulikzylinder integriert. In der ersten Entwicklungsstufe werden die Fluidtemperatur sowie der Hydraulikdruck gemessen. Im Rahmen erster Untersuchungen kommt eine Bremsflüssigkeit auf Silikonbasis zum Einsatz. In Bezug auf ihre chemischen Eigenschaften ist diese deutlich 05 р Br,soll р BrSa,ist р HZ.ist 06 Steuerungs- und Regelungsstruktur des Bremsaktuators inklusive der Nachbildung des Linearmotors a LM,soll,Flt Regler Steuerungs- und Regelungskonzept des Bremsaktuators F LM,soll v LM,soll,Flt x LM,soll,Flt Echtzeitrechner • Steuerungssoftware ➔ Integration von C/C++-, IEC 61131-Projekten möglich • Taskzeiten 250 µs • Modellbasierte Druckregelung mit Solltrajektoriengenerierung (Linearmotorposition) • Koordinierung aller Aktuatoren des HIL-Prüfstandes (Bremsaktuator, Antriebs- sowie Abtriebsmaschine) Soll-Kraft Soll-Position Soll-Geschwindigkeit Ist-Position Linearmotor Ist-Druck Hydraulikzylinder Ist-Druck Fahrzeug-Radbremse Umrichter für Linearmotor • 8kHz-Pulsfrequenz • Echtzeit-Kommunikation mit Echtzeitrechner via EtherCAT (Taskzeiten 250 µs) • Interner Positions- und Geschwindigkeitsregler • Zusätzliche Kraftvorsteuerung aus der modellbasierten Druckregelung Positionsgeber Linearmotor Ist-Temperatur Linearmotor Tubularer Linearmotor x LM,soll v LM,soll,Flt Inverses Soll-Trajektorien Hydraulikmodell Generierung x LM,soll,Flt Freigabe Freigabe x LM,ist Regler Regler Ausgleichskupplung Ist-Druck Hydraulikzylinder Hydraulikzylinder • Eigenentwicklung Bremsleitung Nachbildung Linearmotor mit Umrichter Prüfstandssicherheit Ist-Druck Fahrzeug-Radbremse Ist-Temperatur Bremsscheibe Fahrzeug-Radbremse • Originalteile aus dem Kfz-Bereich • In HIL-Prüfstand integriert antriebstechnik 11/2017 139