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Konzeption, Konstruktion und Optimierung von Prüfständen

Wozu werden Prüfstände eingesetzt?

Im Rahmen der Produktentwicklung werden zu verschiedenen Zeitpunkten Prüfungen und Tests mit Prüfständen durchgeführt. Dabei wird stets das Ziel verfolgt, mit möglichst geringem Kosten- und Zeitaufwand den späteren Einsatz des Produkts vorab zu bewerten. Die Prüfungen sind für Hersteller aus den verschiedensten Gründen wichtig:

Grundlegende experimentelle Evaluierung von Ideen
Gewährleistungspflichten für Produkte
Qualitätsbewertung von Zulieferteilen
…

In der Regel werden folgende Fragestellungen untersucht:

Funktionstest
Schwingungsverhalten / Resonanzeffekte
Betriebsfestigkeit mit / ohne Umweltsimulation (z.B. Temperatur, Feuchte)
Zuverlässigkeit (Auswirkung von Fehlerszenarien)
elektromagnetische Verträglichkeit
…

Die Qualität der Prüfung kann u.a. daran fest gemacht werden, wie gut der Prüfstand die gewünschten Belastungen reproduzieren kann. In der Praxis werden hierzu mehr oder minder komplexe Aufbauten verwendet, die i.d.R. aus Reglern, Aktoren, Sensoren und mechanischen Elementen bestehen. Bei der Auslegung der Prüfstands-Mechanik sind die Aspekte Steifigkeit, Betriebsfestigkeit und Eigenfrequenzen besonders zu berücksichtigen. Die eingesetzte Antriebstechnik basiert typischerweise auf

hydraulischen,
pneumatischen,
elektrischen oder
magnetischen

Aktuatoren. Diese werden anforderungsabhängig in Form von Steuerungen oder Regelungen betrieben.

Achsprüfstand zur Betriebsfestigkeitssystemprüfung mit hydraulischen Aktuatoren und allgem. Resonanzprüfstand mit elektromechanischen Aktuatoren

Die vielfältigen Vorteile der numerischen Simulation werden auch bei der Prüfstandskonzeption und –konstruktion in zunehmendem Maß genutzt. Aufgabe der Berechnung ist es, die geforderten Prüfkonzepte sowohl kosten- als auch zeiteffizient auszulegen und zu optimieren. Hierzu werden im Allgemeinen CAE-Werkzeuge aus den Bereichen

Finite-Elemente-Methode,
Mehrkörpersimulation,
Aktuatorsimulation und
Reglersimulation

eingesetzt. Die Auslegung des Prüfstands mündet schließlich in die Dokumentation von

Mechanik: CAD-Zeichnungen
Aktuatorik: Schaltpläne
Regelung: Algorithmen und Software

Worauf haben wir uns innerhalb der Prüfstandskonzeption fokussiert?

Das Kompetenzcenter CAx-Technologien fokussiert sich auf die numerische Auslegung und Optimierung von Prüfständen. Hierzu bilden wir die komplette Kette Regelung – Aktuatorik – Mechanik – Prüfkörper inklusive ihrer Wechselwirkungen numerisch ab. Aufgrund jahrelanger F&E-Erfahrungen greifen wir auf leistungsfähige Modelle gebräuchlicher Prüfstandskomponenten (Regler, Servohydraulik, Buchsen und Lager) zurück. Mit Hilfe von Baukastensystemen sind wir in der Lage, schnell und effizient kundenspezifische Aufgabenstellungen zu modellieren. Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass auf der Seite der Aktuatorik und Regelungstechnik zumeist standardisierte Komponenten eingesetzt werden. Diese sind Bestandteil unseres Baukastensystems und werden kontinuierlich weiterentwickelt sowie experimentell validiert.

Das eigentliche Optimierungsgebiet stellt typischerweise die Mechanik des Prüfstandes dar. Hierzu setzt das Kompetenzcenter CAx-Technologien numerische Methoden und Werkzeuge ein, welche

Steifigkeits-,
Festigkeits-,
Resonanz- und
Funktionsanalysen

ermöglichen.

Zur Umsetzung dieser Ziele setzen wir die numerischen Werkzeuge

Abaqus,
Simpack,
Matlab und
Solid-Works

ein und liefern unseren Kunden als Ergebnis werkstattgerechte Konstruktionszeichnungen.

Was bieten wir unseren Kunden zur Prüfstandskonzeption?

Mittels der verfügbaren Methoden und Werkzeuge sind wir damit in der Lage, im Kundenauftrag neue Prüfstände zu konzipieren und auszulegen. Außerdem können wir für Prüfstände gewünschte Änderungskonstruktionen hinsichtlich zu definierender Zielgrößen bewerten, wodurch die Grenzen des modifizierten Prüfstandes zu einem frühen Zeitpunkt des Entwicklungsprozesses aufgezeigt werden können.

Für unsere Kunden ergibt sich durch die Optimierung der mechanischen Komponenten eine anforderungsgerechte Prüfstandsgestaltung durch die

Bauteilmassen und -werkstoffe,
Lagerungstypen,
Bauteilanzahl und
nötige Tolerierung.

Die Investition in numerische Analysen wird in der Regel durch signifikante Kosten- und Zeiteinsparungen in kürzester Zeit amortisiert:

Reduzierung der Material-, Fertigungs- und Beschaffungskosten
Minimierung der Energiekosten durch Leichtbau und optimale Aktuatoren
Effizienter Entwicklungsprozess – Verringerung benötigter Prototypen und Entwicklungsschleifen