Produktentwicklung mit digitalem Zwilling

Dem Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ist es bei der Entwicklung eines mechatronischen Wankstabilisators gelungen, den Prüfstand in den Rechner holen, indem es einen digitalen Zwilling eines servohydraulischen Prüfstandes erstellt hat.

10. Oktober 2018
Aufbau des digitalisierten Prüfstands (Bild: Schaeffler/Fraunhofer LBF)
Bild 1: Produktentwicklung mit digitalem Zwilling (Aufbau des digitalisierten Prüfstands (Bild: Schaeffler/Fraunhofer LBF))

Der digitale Zwilling bildet die physikalischen Grenzen des Prüfsystems mit einer Genauigkeit ab, die es ermöglicht, die Machbarkeit eines Versuchs virtuell zu bewerten. Durch die standardmäßige Einbindung einer virtuellen Prüfung mithilfe des digitalen Zwillings im Vorfeld der experimentellen Prüfung lässt sich die Effizienz steigern.

Die voranschreitende Digitalisierung erfordert nicht nur, digitale Zwillinge von Produkten zu erstellen, sondern auch von Prüfumgebungen, mit denen ihre Funktion und Betriebsfestigkeit abgesichert werden. »Nur so lassen sich das Zusammenspiel von Prüfling und Prüfsystem, die Machbarkeitsgrenzen in der Prüfung und die erzielbaren Genauigkeiten bereits vor dem Versuch virtuell erfassen«, betont Dr. Volker Landersheim, im Fraunhofer LBF verantwortlich für das Projekt.

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

Modellbildung eines servohydraulischen Prüfstands

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 vor Beginn der Prüfungen klären, in wie weit die Anforderungen auf dem Prüfstand umgesetzt werden können und welche Optimierungspotentiale bestehen«, erklärt Dr. Landersheim. Auf diese Weise lassen sich Prüfstandsbelegungszeiten verkürzen und experimentelle Iterationen reduzieren.

Das Prüfstandmodell umfasst die nichtlineare Systemdynamik der Hydraulik, ihrer Regelung sowie der Kinematik, die die LBF-Wissenschaftler anhand eines Prüfprogramms identifizierten und parametrierten. Dabei wählten sie einen durchgängig physikalisch motivierten White-Box-Modellierungsansatz. Das 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, die nicht in die Modellerstellung und -parametrierung eingeflossen sind. Dabei ergaben sich in den Kolbenwegen für alle Validierungssignale Abweichungen von unter drei Prozent sowohl in den RMS-Werten als auch in der Pseudoschädigung. Die Abweichung der Signalminima und -maxima liegt sogar in allen Fällen unter einem Prozent.

Zwei Anwendungsfälle umgesetzt

Diese hohe Qualität ermöglicht 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, in wie weit eine Prüfanforderung auf dem Prüfstand umsetzbar ist und welche Grenzen der Systemdynamik hierbei limitierend wirken.

Digitaler Zwilling steigert Effizienz

Durch die standardmäßige Einbindung einer virtuellen Prüfung mithilfe des digitalen Zwillings im Vorfeld der experimentellen Prüfung lässt sich die Effizienz erhöhen, 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 Werkzeug zur Absicherung darstellt.

Das unterstreicht auch Dustin Knetsch, Leiter Verifikation & Validierung Fahrwerkaktuatoren bei Schaeffler: »Durch eine enge Abstimmung konnte während des Projekts flexibel reagiert werden, sodass am Ende ein für Schaeffler ideales Ergebnis vorliegt.«