Kalibrierprozesse auf dem prüfstand

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1 Engineering Applizieren Kalibrierprozesse auf dem prüfstand Um den steigenden Anforderungen des Entwicklungsprozesses im Konflikt zwischen zunehmender Systemkomplexität und sich verringernder Entwicklungsressourcen zu genügen, etabliert IAV verschiedene Ansätze im Zusammenspiel mit unterschiedlichen Aufgabenstellungen. Die Gesamtfahrzeugsimulation am Motorprüfstand ohne Versuchsfahrzeug unterstützt beispielsweise die effektive Entwicklung von Antriebsstrukturen. Für eine hohe Reproduzierbarkeit kommen spezielle Applikationswerkzeuge im Bereich Automatisierung der Fahrzeugmessungen zum Einsatz. 32

2 autoren Philipp Langfritz ist Teamleiter im Bereich Kalibrierung Ottomotoren bei IAV in Chemnitz. Sven Meyer ist Produktmanager und Technischer Berater für Kalibrierung bei IAV in Gifhorn. Dr. Christian Hintz ist Entwicklungsingenieur im Bereich Applikation Getriebe bei IAV in Berlin. Dynamische Zyklen auf einem Motorprüfstand Zyklusübertragung Auf eine mögliche Anfrage nach umfangreichen Untersuchungen zur Optimierung von Emissionen oder zur Abstimmung von Diagnosefunktionen in einem frühen Stadium der Entwicklung gibt es zwei Lösungsangebote. Der bekannte und etablierte Ansatz ist die Übertragung von Fahrzeugmessungen auf einen Motorprüfstand. Dort verbessert man die Reproduzierbarkeit und steigert die Effektivität vorausgesetzt, dass ein dem Zielfahrzeug entsprechender Versuchsträger zu Verfügung steht, an dem man zudem eine repräsentative Basisvermessung durchführen muss. Am Prüfstand fährt man die aufgezeichneten Last- und Drehzahlkollektive der exemplarischen Messungen nach und erfasst das entsprechende sich einstellende Drehmoment des Motors. Zum Nachfahren eines Fahrzyklus werden im nächsten Schritt die Motordrehzahl und das Motordrehmoment als Sollgrößen vorgegeben. Mit dem Drehmoment als Sollwert kann die Motorsteu erung eingeschränkt auf Beeinflussungen der das Drehmoment bestimmenden Kenngrößen, wie zum Beispiel Zündwinkelausgabe oder Gemischqualität, reagieren. Dieses etablierte Vorgehen ermöglicht eine schnelle Zyklusübertragung und ist mit der Fahrzeugmessung sehr gut vergleichbar, ❶. Allerdings wird nur die eine, exemplarische Messung und die eingeschränkte Reaktion auf Änderungen in der Soft- oder Hardware abgebildet. Der Prozess ist relativ starr. Mai 212 Automotive Engineering Partners Gesamtfahrzeugsimulation auf dem Motorprüfstand Zyklussimulation Ein neuerer Ansatz ist die Gesamtfahrzeugsimulation am Motorprüfstand. Mit dem Simulationsprogramm Velodyn (Vehicle Longitudinal Dynamics Simulation) [1, 2, 3], können die Ingenieure sowohl konzeptionelle Untersuchungen durchführen als auch Parametrieraufgaben bearbeiten. Das von IAV entwickelte Programm ist eine echtzeitfähige Simulationsumgebung auf Basis von Matlab/ Simulink und enthält sowohl ein integriertes Modell- und Datenmanagement als 33

3 Engineering Applizieren 3 /min Motordrehzahl Prüfstand Motordrehzahl Fahrzeug Sollgeschwindigkeitsbereich NEFZ Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit Prüfstand Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit Fahrzeug 1 km/h Motordrehzahl Fahrzeuggeschwindigkeit 8 l/h 4 Kraftstoffmassenstrom Prüfstand Kraftstoffmassenstrom Fahrzeug Motordrehmoment Prüfstand Motordrehmoment Fahrzeug - 22 Nm 16 Kraftstoffmassenstrom Motordrehmoment s 3 Zeit ❶ Vergleich von Fahrzeugmessung und übertragener Messung am Motorprüfstand auch Module zum Aufbau eines Fahrzeugantriebsstrangs. Diese modular aufgebaute Simulationsbibliothek lässt sich im gesamten Entwicklungsprozess einsetzen, das heißt, ein Fahrzeugmodell kann durchgängig in der Model-inthe-Loop (MiL)-, Software-in-the-Loop (SiL)- und Hardware-in-the-Loop (HiL)- Simulation verwendet werden. Die Gesamtsystemsimulation ist eine effektive Methodik für die Entwicklung konventioneller und auch hybrider Antriebsstrukturen von Fahrzeugen im Allgemeinen. Eine umfassende und stetig wachsende Modellbibliothek steht zum gezielten Modellieren unterschiedlicher Anwendungen zur Verfügung. Grundlage ist eine bei IAV entwickelte Busstruktur, die alle Ein- und Ausgangssignale der unterschiedlichen Modellblöcke verwaltet, ❷. In Verbindung mit dem Motorprüfstand ermöglicht die Gesamtfahrzeugsimulation den Ingenieuren eine Abstimmung der Motorsteuergeräte auch im dynamischen Betrieb ganz ohne Versuchsfahrzeug, ❸. In dieser Konstellation ersetzt der reale Bus-Dummy Umfeld Zyklus Fahrermodell Nebenaggregate Anlasser Motor Versuchsträger Teile der Simulation, hier im Speziellen die Motorsimulation. Der neue Ansatz spart Kosten und ist extrem flexibel. Die Ingenieure können ECU l/ km Velodyn-Umfänge TCU Getriebe Fahrzeugmodell Berechnung Datenspeicherung ❷ Struktur eines Fahrzeugmodells 34

4 mit der Software auch Komponenten nachbilden, die es noch gar nicht gibt zum Beispiel die Elektronik eines geplanten Hybridfahrzeugs oder neue Fahrzeugbeziehungsweise Getriebevarianten. Die Echtzeitsimulation des Fahrzeuges erfordert keine Fahrzeugmessung zur Nachbildung, sondern jeder beliebige Fahrzyklus lässt sich auf dem Prüfstand abbilden. Für die Nachbildung von Abgastests oder kundenspezifischen Straßenprofilen ist nur noch die Sollfahrzeuggeschwindigkeit als Vorgabe notwendig. Die Sollwerte für Fahrpedalwinkel und Drehzahl berechnet das Fahrzeug modell in Echtzeit und übergibt die Vor gaben an die Prüfstandsteuerung. Das intelligente Fahrermodell regelt die Fahrzeuggeschwindigkeit. So können die Ingenieure, bevor der erste Versuchsträger den Fahrzeugbau verlässt, eine Konzeptkalibrierung erstellen oder beispielsweise Emissionsmessungen durchführen. Die konsequente Umsetzung der Ge - samtfahrzeugsimulation auf dem Mo - torprüfstand bietet ein breites Spektrum von Anwendungen. Es können neben der Emissionierung auch Diagnosefunktionen abgestimmt werden. Mittels einer Simulation verschiedener Fahrertypen von sportlich bis defensiv kann man die Diagnosen auf ihre Robustheit untersuchen. Genauso lassen sich mit der Fahrzeugsimulation Grenzkatalysatoren erstellen oder Untersuchungen mit Highspeed Surface Temperature Visualization (HSTV) durchführen, [4]. Bei der Entwicklung der Methode lag der Schwerpunkt nicht allein auf einfacher und schneller Übertragung, sondern auch auf einer anwenderfreundlichen Software. Der Nutzer muss sich nicht in die Struktur der Modelle einarbeiten, er kann sich auf die Kalibrierung der wichtigsten Kenndaten konzentrieren. Die Qualität der Messungen auf Basis des simulierten Fahrzeugs zeigt ❹. Das im Steuergerät modellierte Drehmoment zeigt die Vergleichbarkeit der Prüfstandsmessung mit einer Fahrzeugmessung. Auch weitere Größen wie Emissionen und Kraftstoffverbrauch liegen im Vergleich zu einer Fahrzeugmessung in einem Streuband von 5 % und sind durchaus vergleichbar zu entsprechenden Rollenmessungen. Für beide Varianten der Übertragung von Fahrzyklen auf den Motorprüfstand ECU IAV Velodyn Fahrzeugmodell Sollwertvorgaben Motor Überwachung & Datenaufzeichnung Bremse ❸ Prinzipieller Aufbau Gesamtfahrzeugsimulation in Verbindung mit Prüfstand gilt, dass die Güte und Vergleichbarkeit zur Fahrzeugmessung auch von der Qualität des Prüfstandsaufbaus abhängig ist. Insbesondere zum Abbilden von Emissionstests ist es unumgänglich, das Aufheizverhalten sorgfältig zu überprüfen und anzupassen. Generell ist die Abbildung des Temperaturverhaltens eine der wichtigen und schwierigen Aufgaben bei der Zyklusübertragung. Indem man Fahrzeugmessungen auf den Prüfstand verlagert, erreicht man eine sehr gute Reproduzierbarkeit und steigert die Effektivität deutlich. Aufgrund der hochautomatisierten Prüfstandstechnik und den definierbaren Randbedingungen lassen sich jetzt auch weitere fortschrittliche Versuchsmethoden, wie (dynamische) Versuchsplanungen (Designs of Experiment, DoE), in den Kalibrierprozess einbinden und für dynamische Aufgaben einsetzen. Automatisierung der fahrzeugmessungen Überwachung & Messung Prüfstandssteuerung Soll die bestehende Fahrzeugkonfiguration bei detaillierten Untersuchungen unangetastet bleiben, gibt es unterschiedliche Wege: Die Einbindung des Applikationswerkzeugs Caliav im Zusammenspiel mit der Applikationssoftware Inca Measurement and Calibration 25 Jahre Transcat Innovation, Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit Besuchen Sie uns in München, Dortmund, Hannover, Stuttgart Infos und Anmeldung unter: ANZEIGE Mai 212 Automotive Engineering Partners 35

5 Engineering Applizieren 35 /min 25 Motordrehzahl Prüfstand Motordrehzahl Fahrzeug Sollgeschwindigkeitsbereich NEFZ Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit Prüfstand Ist-Fahrzeuggeschwindigkeit Fahrzeug 13 km/h 9 Motordrehzahl Fahrzeuggeschwindigkeit - 16 Nm Motordrehmoment Prüfstand Motordrehmoment Fahrzeug Streubereich verschiedene Fahrzeugmessungen Motordrehmoment s 3 Zeit ❹ Vergleich von Fahrzeugmessung und Gesamtfahrzeugsimulation am Motorprüfstand Embedded (Inca-MCE) ergänzt die klassische Methode, Fahrzeugmessungen auf einem entsprechenden Rollenprüfstand durchzuführen. Die Implementierung der automatisierten Steuerung des Fahrerwunsches ermöglicht nicht nur eine extrem hohe Reproduzierbarkeit, sondern auch eine weitgehende Automatisierung der Messaufgaben. ❺ gibt das Prinzip wieder. Die Implementierung der Software in das Caliav-Framework verfolgte im Wesentlichen folgende Ziele: Aufzeichnung von Messdaten nach definierten Triggerbedingungen Gewährleistung der Reproduzierbarkeit durch Caliav-Prozesse Einstellung der Fahrbedingungen durch den Nutzer automatisches Fahrprofil auf Knopfdruck ohne Fahrereingriff hohe Vergleichbarkeit der Messergebnisse. Bisher war die Ankopplung von Caliav mit Inca über die COM-Anwendung/Programm- 36 Schnittstelle insbesondere wegen der mangelnden Echtzeitübertragung über Inca sehr problematisch (schnellste Verstellzeit 15 bis 2 ms, Reproduzierbarkeit dabei nicht gewährleistet). Eine implementierte Schnittstelle von Caliav zum Schnittstellenmodul ES9.3 über die ilinkrt-schnittstelle war die ideale Lösung. So ergeben sich Verstellund Messgeschwindig keiten von bis zu 35 µs, und es ist möglich, existierende Prozesse zu nutzen, Prüfstands- und Fahrzeugkalibrierung hochperformant zu automatisieren und damit auch einen ersten Schritt in der Synchronisation identischer Prozessalgorithmen am Prüfstand und im Fahrzeug zu gehen. Als ein Beispiel für die Umsetzung solcher Kalibrationsaufgaben kann man hochdynamische Pedalrampen über eine direkte Manipulation der Fahrpedalcharakteristik in der Motorsteuerung darstellen, ❻. Mit dieser Methodik realisiert man Fahrprofile mit hochdynamischen Pedalrampen und kann sie identisch reproduzieren. Der neue Ansatz erlaubt es auch, ganz verschiedene dynamische Profile zu modellieren, um das Fahrverhalten zu kalibrieren. So entsteht durch das Zusammenspiel von Applikationswerkzeug und Schnittstellenmodul ein iterativer Prozess, der die Abstimmung des Fahrverhaltens objektiviert. Bisher war es nicht möglich, derartige Rampen mit ausreichender Geschwindigkeit zu generieren, mit dem Automatisierungsverfahren lassen sich nun die Parameter toolgestützt optimieren und die Steuerung höchst präzise und effektiv abstimmen. Da diese Kombination der klassischen Methode mit einer teilweisen Automatisierung außerdem das Fahrzeug in der unveränderten Zielkonfiguration verwendet, gibt es auch nur minimale Quereinflüsse durch den Prüfstandaufbau. Fahrzeugmessung auf dem antriebsstrangprüfstand Nach Adaption des kompletten Versuchsträgers auf den Antriebsstrangprüfstand sind Fahrzeugmessungen mit geringem

6 Veränderungsaufwand möglich. Hier kann das Fahrzeug mit der Performance eines Motorprüfstandes betrieben werden. Das umfasst alle Möglichkeiten der Automatisierung, Konditionierung und Messtechnik. Auch einer eventuellen Anwendung von umfangreichen, auch dynamischen, DoE-Programmen steht nichts im Wege. In diesem Aufbau lässt sich der im Fahrzeug verbaute Motor nahezu komplett wie auf einem Motorprüfstand vermessen. Kennt man die Verlustleistungen im restlichen Antriebsstrang, die sich leicht bestimmen lassen, so kann man die Motorkenndaten genau erfassen. Ebenso sind mit diesem Versuchsaufbau Untersuchungen mit konstanten und definierbaren Umgebungsbedingungen im Gesamtfahrzeugverbund möglich. So werden die Messaufgaben sehr effizient und wiederholbar, der Entwickler hat hier eine zusätzliche Möglichkeit, effektiv zu vermessen und zu optimieren. Zusammenfassung Online- Visualisierung Offline- Datenanalyse Messung und Datenaufzeichnung Inca ES9.3 Messung und Bedatung ECU ❺ Prinzipieller Aufbau einer Caliav-Inca-MCE-Konfiguration In diesem Beitrag wurden mehrere Möglichkeiten zur effektiven Bearbeitung von Kalibrationsaufgabenstellungen von Steuergeräten sowie von Konzeptuntersuchungen dargelegt. Die gute Übereinstimmung von Fahrzeugmessung und -simulation in Kombination mit der Verwendung eines Motorprüfstandes verbessert beispielsweise die Reproduzierbarkeit deutlich und steigert damit auch die Effektivität. Die Fahrzeugsimulation ermöglicht Untersuchungen und Abstimmungsarbeiten ohne eine existierende Hardware. Damit sind schon in frühen Entwicklungsphasen Aussagen zu neuen Konfigurationen möglich. So ist in Zeiten knapper Versuchsträger und enger werdender Terminpläne ein effektives Instrument zur Unterstützung der Entwickler entstanden. Schnelle Messung und Bedatung ETK (oder CAN) Caliav Literaturhinweise [1] Lindemann23 [2] de/velodyn.pdf [3] Matthies, F.; Lindemann, M.: Untersuchung der Modelltiefe für Fahrbarkeitsaussagen, 3. Tagung Simulation und Test, Berlin, 28 von Rüden, Klaus; VeLoDyn, [4] de/hstv.pdf 6 3 Pedalwert Drehzahl % /min 4 2 Pedalwert 3 15 Drehzahl s 21 Zeit ❻ Beispiel einer Pedalwertrampe für die Reproduzierbarkeit von dynamischen Fahrzyklen Mai 212 Automotive Engineering Partners 37