Baumaschinen Produktion wird durch bahnbrechende Idee vereinfacht

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Forscher des Fraunhofer-Instituts haben eine Möglichkeit zur Erleichterung und Vereinfachung der Entwicklung von Nutzfahrzeugen und Baumaschinen gefunden. Dank des, „Hardware-in-the-Loop“ genannten, Rapid Prototyping Verfahrens können Maschinen bereits vor der eigentlichen Produktion getestet und damit kostengünstig und zeitsparend entwickelt werden. Der hohe Aufwand für Produktion und Test eines realen Prototyps wird dadurch drastisch reduziert.

Im Hinblick auf die Sicherheit und Funktionalität müssen Baumaschinen und Nutzfahrzeuge sehr hohen Anforderungen gerecht werden. Wenn tonnenschwere Lasten bewegt oder große Schächte und Tunnel ausgehoben werden müssen, dürfen keine Fehler passieren. Oft müssen millimetergenaue Arbeiten verrichtet werden, bei denen Unregelmäßigkeiten zu hohen Risiken führen würden.

Um diese Präzision überhaupt erst zu ermöglichen, ist ein enormer Entwicklungsaufwand notwendig. Bau- und Testphasen von Prototypen sind mit hohem Kosten- und Zeitaufwand verbunden, erst recht wenn etwas nicht hundertprozentig funktioniert und nachgebessert werden muss. Dank der Unterstützung von Forschern des Fraunhofer Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern, können solche Verfahren nun enorm vereinfacht werden. Das Prinzip lehnt sich an Erfahrungen aus dem Bau normaler Alltagsfahrzeuge an und wurde auf die Entwicklung von Nutzmaschinen und Baufahrzeugen übertragen.

 

Der Entwicklungszyklus von Baumaschinen verkürzt sich dadurch enorm

Der entwickelte Teststand basiert auf einem sogenannten HiL-Simulator. HiL ist die Abkürzung für „Hardware-in-the-Loop“. Unkompliziert ausgedrückt bedeutet das, dass die Maschinen und ihre Steuerung in einer virtuellen Simulation getestet werden können. Das System, welches sich in der Autoindustrie bereits vielfach bewährt hat, ist keine neue Erfindung. Es wurde bisher jedoch in der Herstellung von Nutzfahrzeugen kein Bedarf erkannt und das Verfahren nicht angewendet. Die Wissenschaftler des Instituts schätzen diese Sichtweise seit Jahren anders ein und haben frühzeitig festgestellt, dass ein neuer Teststand aufgrund kürzer werdender Innovationszyklen bei Nutz- und Baufahrzeugen sowie zunehmend modularer Bauweise notwendig wurde.

Projektleiter Christian Salzig erläutert dazu: „Mit unserem HiL-Simulator sind wir in der Lage, Baumaschinen aller Art zu testen, beispielsweise unterschiedliche Kran-Typen oder auch Betonpumpen. So helfen wir bei der Optimierung der Prototypen“. Da dabei auf eine reale Testumgebung verzichtet werden kann, ist für Unternehmen eine enorme Zeit- und Geldersparnis zu erwarten.

 

Der HiL-Simulator Teststand in Aktion

So wird die Technik angewendet: Die Experten nutzen die technischen Daten der neuen Maschinen und simulieren daraus ein digitales Modell. Hierzu werden die unterschiedlichsten Informationen verwendet, wie die geplanten Abmessungen sowie die genauen Leistungsdaten der Maschinen und Motoren, die benötigten Materialstärken bei Stützstrukturen, Gewichtsverteilung und Winkel bei bewegten Teilen und Auslegern, deren Längen und Steuersignale. Dank der speziellen Software, die alle Angaben zur physikalischen Gesetzmäßigkeiten, wie Mechanik, Hydraulik und Elektronik berücksichtigt, kann ganz genau festgestellt und getestet werden, welche Kräfte bei bestimmten Bewegungen auftreten und wie diese auf die Maschine einwirken.

Die digitale Simulation des Geräts ist nun bereit zum Test. Zu diesem Zweck werden die realen Steuereinheiten angeschlossen, die auch später zur Bedienung verwendet werden. Somit kann deren Funktionsweise gleich mit geprüft werden. Durch die animierte Darstellung als 3D-Grafik können alle Bewegungen ganz einfach dargestellt und genau getestet werden.

 

Die Testreihen sind komplex

Der HiL-Simulator ermöglicht die Abfrage der verschiedensten Bereiche. So wird zum Beispiel intensiv geprüft, wie genau die Bedienelemente reagieren und ob sich die Steuereinheit wie erwartet verhält. Sensible Sensoren ermöglichen die permanente Messung und Überwachung wichtiger Werte und Kennziffern, wie Drehmoment und Beschleunigung der Ausleger, das Gewicht und den Druck an Seilzügen oder die Bodenneigung des Untergrunds. Es wird dabei geprüft, ob alles einwandfrei und reibungslos funktioniert und ob die Maschine ordnungsgemäß und unmittelbar auf die Messdaten reagiert. Außerdem werden hierbei auch Defekte und Störungen simuliert, um Erkenntnisse für den Ernstfall zu erlangen und Gefahren von vorneherein auszuschließen.

Projektleiter Salzig sagt dazu: „Die Hersteller wollen wissen, was ihre Maschine in Grenzbereichen leistet und ab wann es kritisch wird“. Daher werden alle sicherheitsrelevanten Szenarien in diesen Testreihen geprüft. Es können die unterschiedlichsten Situationen simuliert werden, beispielsweise wenn die Ladung anfangen würde zu pendeln oder die Auswirkungen umherschwappender Flüssigkeiten in einem Transportbehältnis. Ein besonderer Vorteil dabei ist, dass im Fall der Fälle ein Unfall nur in der Simulation stattfindet. Es kommt daher zu keinerlei realen Schäden an Menschen oder Maschinen. Die enge Zusammenarbeit der Wissenschaftler mit den Herstellern ermöglicht intensive, komplexe Testreihen ohne hohes Risiko.

Um das System noch weiter zu entwickeln ist bereits eine Erweiterung des Teststandes mit 5G-Funktechnik geplant. Die dafür notwendige Schnittstelle befindet sich bereits in der Entwicklungsphase.

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