Mess- und Prüfstandstechnik

Transkript

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2 Der Fahrzeugantrieb Reihenherausgeber: Helmut List be = konst Michael Paulweber Klaus Lebert Mess- und Prüfstandstechnik Antriebsstrangentwicklung Hybridisierung Elektrifizierung

3 Der Fahrzeugantrieb Herausgegeben von H. List, Graz, Austria

4 Der Fahrzeugantrieb herausgegeben von Helmut List Die von Hans List herausgegebene Reihe Die Verbrennungskraftmaschine diente über Jahrzehnte den Ingenieuren in der Praxis und den Studierenden an Universitäten als unentbehrlicher Ratgeber. Mit Rücksicht auf die Schnelllebigkeit der Technik habe ich mich im Jahr 2002 entschlossen, die Reihe neu zu konzipieren und unter dem Titel Der Fahrzeugantrieb herauszugeben. Dies brachte zum Ausdruck, dass die Verbrennungskraftmaschinen vermehrt als Bestandteile von Antriebssystemen zu sehen sind. Inzwischen wurde das Anliegen der Reihe weiter diskutiert und schließlich in diesem Jahr beschlossen, die Reihe unter dem gleichen Titel Der Fahrzeugantrieb, jedoch mit neuem Layout weiter zu führen und auch einen neuen Wissenschaftlichen Beirat zu etablieren. Wie bisher bleibt es oberstes Ziel der Reihe, die ganzheitlichen Zusammenhänge der einzelnen unterschiedlichen Komponenten eines Fahrzeugantriebes aufzuzeigen. Neu ist der Wunsch, die englischsprachigen Ausgaben neben den deutschsprachigen Ausgaben verstärkt zu forcieren. Ausgehend von den Grundlagen mit Beschreibung der notwendigen Hintergrundinformation ist Zielsetzung der Reihe, auch die neuen Elemente der zukünftigen Antriebssysteme und deren gegenseitige Beeinflussung in einer Systembetrachtung anzusprechen. Neben den technischen Inhalten werden auch Werkzeuge, Methoden und Prozesse für die Entwicklung der Komponenten dargestellt. Die Gegebenheiten der unterschiedlichen Wirtschaftsräume und ihre jeweiligen Anforderungen an Konzepte werden darin dargelegt. Diese Buchserie bietet sich sowohl den Studierenden an Universitäten und Fachhochschulen als auch den Praktikern in der Industrie als Ratgeber an, um sich aus dem aufbereiteten Erfahrungsschatz der Autoren das erforderliche Fachwissen anzueignen. Ich bedanke mich recht herzlich beim Wissenschaftlichen Beirat, der mir sowohl bei der Unterteilung des sehr umfassenden Themengebietes als auch bei der Auswahl der Autoren zur Seite steht. Die Mitglieder des Beirats sind: Rémi Bastien, Vice President, Renault Christian Beidl, Professor, Technische Universität Darmstadt Helmut Eichlseder, Professor, Technische Universität Graz Herbert Kohler, Vice President, Daimler Jun Li, Vice President, FAW Rolf D. Reitz, Professor, University of Wisconsin-Madison Ich danke den Autoren, die sich bereit erklärt haben, ihr Wissen in diese Buchreihe einzubringen, und ihre Arbeitskraft hierfür einsetzen. Ebenso möchte ich dem Springer- Verlag danken. Helmut List

5 Michael Paulweber Klaus Lebert Mess- und Prüfstandstechnik Antriebsstrangentwicklung Hybridisierung Elektrifizierung

6 Dr. Michael Paulweber AVL List GesmbH Graz, Österreich Prof. Dr. Klaus Lebert Institut für Mechatronik FH Kiel Kiel, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

7 Vorwort Um die großen Herausforderungen in der Gesellschaft von heute zu meistern, muss auch die Automobilindustrie ihren Beitrag leisten. Die Anstrengungen in der CO 2 - und Emissions-Reduktion, die Entwicklungen in Richtung einer unfallfreien Mobilität auch für die immer älter werdende Bevölkerung oder die notwendige lokale Anpassung der Fahrzeuge in einer globalen Ökonomie haben komplett neue Anforderungen an den Entwicklungsprozess für Antriebssysteme gebracht. Zum einen dominiert immer mehr die Software, zum anderen ist die Architektur von Antriebssträngen nicht mehr konstant wie es über sehr lange Zeit gewesen war: Verbrennungsmotor Getriebe Wellen Räder. Das bedeutet einen großen Bedarf an Simulation, die damit auch stark in die Prüfstandstechnik Einzug gehalten hat. Die größte Herausforderung in der Mess- und Prüfstandstechnik stellt die Beherrschung der enorm gewachsenen Komplexität dar, ohne die die Entwicklungskosten und damit auch die Prüfstandskosten weiter explodieren werden. Das Buch versucht einen Überblick über die Auswirkungen dieser Entwicklungen auf die Messgeräte und Testsysteme zu geben, die zur Entwicklung moderner Antriebsstränge notwendig sind. Aufgrund des weiten Spektrums von Themen haben viele Experten an der Erstellung des Buches mitgearbeitet. Die Autoren bedanken sich ganz herzlich bei allen Fachleuten für ihre wertvollen Beiträge, die sie für dieses Buch bereitgestellt haben. Ein besonderer Dank gilt Fr. Mag. Hermine Pirker, ohne deren unermüdliche Arbeit und Organisation dieses Buch nie fertig geworden wäre. Die sprachliche Überarbeitung und die Einarbeitung der Graphiken verdanken wir Fr. Sarah Töfferl, BA, herzlichen Dank dafür. Das vorliegende Buch wendet sich an Prüfstandsplaner, -betreiber und Einsteiger für die immer komplexer werdenden Testsysteme für Komponenten und Systeme in der Antriebsstrangentwicklung. Es vermittelt eine Übersicht der verschiedenen Prüfstandstypen für alle Komponenten eines modernen Antriebsstrangs. Im zweiten Teil werden spezifische Themengebiete wie Messtechnik, Regelung, Simulation, Hardware-in-theloop, Automatisierung oder Prüffeldmanagement vertieft.f Graz und Kiel, September 2014 Michael Paulweber Klaus Lebert

8 Weitere Autoren Rodolph Belleux Emission Test Systems, Neuss, Deutschland Alexander Bergmann Christopher Christ AVL Deutschland GesmbH, Mainz, Deutschland Matthieu Clauet Michael Conrad Michael Cottogni Matthias Dank Heimo Draschbacher Tobias Düser AVL Zöllner GesmbH, Bensheim, Deutschland Johann Eitzinger Kurt Engeljehringer Reinhard Glanz Roland Greul Bernhard Gröchenig Thomas Guntschnig Horst Hammerer SET Power Systems GmbH, Wangen, Deutschland Volker Hennige Gerald Hochmann Helmut Kokal Johannes Kregar Christoph Kügele Ferdinand Mosbacher Gerhard Müller Werner Neuwirth Harald Nonn AVL Deutschland GesmbH, Mainz-Kastel, Deutschland Gerhard Papst Egon Petschenig Klaus Pfeiffer Felix Pfister Peter Priller

9 VIII Weitere Autoren Kurt Reininger Katharina Renner Gerald Sammer Richard Schauperl Bernhard Schick Andreas Schochlow Nikolas Schuch Markus Schwarzl Rüdiger Teichmann Joachim Vetter Marie Vogels Christoph Weidinger Michael Wiesinger Josef Zehetner

10 Inhaltsverzeichnis Vorwort... V Weitere Autoren... VII Formelzeichen und Abkürzungen... XV 1 Einleitung Treiber in der Fahrzeugentwicklung Anforderungen an Mess- und Prüftechnik Entwicklungsmethodik in der Antriebsstrangentwicklung Einfluss der Entwicklungsmethodik Vernetzte Entwicklungsumgebungen Aufbau des Buchs Prüfstandstypen Verbrennungsmotorenprüfstände Anwendungsgebiete Aufbau eines Prüfstandes für Verbrennungsmotoren Stationäre Motorenprüfstände Instationäre Motorenprüfstände Forschungsprüfstände Sondermotorenprüfstände Komponentenprüfstände Prüfstände für Verbrennungsmotorzusatzkomponenten Prüfstände für Heißgaskomponenten Prüfstände für Getriebekomponenten Startermotorenprüfstand Elektromotorenprüfstand Inverterprüfstand Batterieprüfstand Brennstoffzellenprüfstand Steuergeräte-Prüfstände (HiL) Einführung Aufbau... 54

11 X Inhaltsverzeichnis Steuergeräte-Komponententest Steuergeräte-Verbundtest Testautomatisierung Modellbasierte Kalibrierung Antriebsstrangprüfstände Antriebsstrangprüfstände mit Verbrennungsmotor Antriebsstrangprüfstände mit Prime Mover als Eintrieb Hybridantriebsstrangprüfstände Fahrzeugprüfstände Rollenprüfstände für Emissionsentwicklung und -zertifizierung Rollenprüfstände für Verbrauchs- und Leistungsmessungen Rollenprüfstände für Dauerlauf und Dauerfestigkeit Rollenprüfstände für NVH-Analysen Rollenprüfstände für EMV-Analyse Rollenprüfstände für erweiterte Applikationen Rennsportprüfstände Motorenprüfstände im Rennsport Komponentenprüfstände im Rennsport Abgasprüfstände Übersicht Abgasprüfstände Abgasprüfung für PKW am Rollenprüfstand Abgasprüfung für Nutzfahrzeuge Abgasprüfung für Non-Road Motoren Hardwaresicht Prüfstandsmechanik Schwingfundament Prüflingsaufspann- und Palettensysteme Wellenverbindungen und Berührungsschutz Wellenauslegung Aktuatoren Mechanische Belastungseinheiten Weitere mechanische Belastungseinheiten Elektrische Belastungseinheiten Klimatische Belastungseinheiten Messtechnik Temperaturmessung Messung elektrischer Größen Dehnungsmessung Kraft- und Druckmessung

12 Inhaltsverzeichnis XI Beschleunigungsmessung Drehmomentenmessung Drehzahlmessung Kraftstoffmessung Luftmengenmessung Ölverbrauchsmessung Zündwinkelmessung Lambdasonden Abgasmessung Partikelmessung und Abgastrübung Drall und Tumble Indiziermesstechnik Brennstoffzellenmesstechnik Messfehler und Genauigkeit Messkette Einfluss des Sensoreinbauortes Messunsicherheiten Interpolationsfehler Kalibrierung und Justierung Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Bussysteme Übersicht CAN Profibus Industrial Ethernet Weitere Fahrzeugbusse PC-Schnittstellen RS RS422 und RS Ethernet, TCP/IP und UDP USB IEEE VXI, VISA, PXI Softwaresicht Prüfstand Softwarestruktur und Schnittstellenstandards Softwarestruktur Schnittstellenstandards Messdatenerfassung Arten der Datenerfassung Erfassungszeitpunkt

13 XII Inhaltsverzeichnis Synchronisierung Modale Kriterien Datenvorverarbeitung Signalverarbeitung Signalgeneratoren Berechnung Filterung Grenzwertüberwachung Allgemeine Regler Bewertung und Plausibilität Datenaufzeichnung Stationärmessung Kontinuierliche Aufzeichnung Post-Mortem-Aufzeichnung Prüfstandsregelung und Simulation Regelung am Verbrennungsmotorprüfstand Regler für Antriebsstrangprüfstände Regelung am Rollenprüfstand Einfache Fahrzeugersatzmodelle Virtueller Fahrversuch Virtuelle Fahrzeugintegration Restbussimulation Testautomatisierung Prüfablauf Prüfstandszustandssteuerung Automatische Bedatung von Steuergeräten Messdatenauswertung Messdatenauswahl Messdatendarstellung Datensynchronisierung Formeln und Berechnungen Klassierungen Effizienzsteigerung bei der Datenauswertung Sicherheit Gefährdungsanalyse und Risikobeurteilung Gefährdungsanalyse an Prüfständen Sicherheitsrelevante Systeme Sicherheitsfunktionen Sicherheitshardware Aufbau der Sicherheitsfunktionen

14 Inhaltsverzeichnis XIII 5 Softwaresicht Prüffeld Einleitung Prüffeld Einordnung Herausforderungen Prüffeldprozesse Workflow Management Aufgabenplanung im Prüffeld Auslastungsoptimierung Prüffeldzustandsüberwachung Ressourcenmanagement Anforderungen an die Prüfmittelverwaltung Beispielanwendung Prüfmitteldaten Wartung von Prüfmitteln Sensorkalibrierdaten Daten- und Informationsmanagement Ergebnisdatenverwaltung Applikationsdatenmanagement Modellmanagement Namensverwaltung im Prüffeld Datenhaus Datenmanagement in verteilten Prüffeldern Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

15 Formelzeichen und Abkürzungen a a A A eff A V c c( ) c m c p d dq dt d v D Dp h l F F k F x F xr e H u i i Diff I I 0 j Beschleunigung Durchflusskapazität Fläche Strömungsquerschnitt Bezugsquerschnitt Flächenverhältnis Steifigkeit, Verdrehsteifigkeit Kolbengeschwindigkeit mittlere Kolbengeschwindigkeit spezifische Wärmekapazität Dämpfung Ladungsmenge infinitesimal kleine Zeitspanne innerer Ventilsitzdurchmesser Zylinderbohrungsdurchmesser Druckgefälle spezifische Enthalpiedifferenz Längenänderung Dehnung Kraft Bohrungsquerschnitt Rollwiderstand auf der Straße Rollwiderstand auf der Rolle Frequenzverhältnis von Erregerfrequenz zur Eigenfrequenz effektiver Wirkungsgrad Heizwert Übersetzungsverhältnis Fahrzeugetriebe Übersetzungsverhältnis Differentialgetriebe Strom einfallender Lichtstrom dominante Harmonische des Verbrennungsmotors