HBK unterstützt Daimler Trucks bei der Sicherstellung der Strukturintegrität

Daimler Trucks North America (DTNA) ist der führende Hersteller von schweren Lkw in Nordamerika. DTNA hat seinen Hauptsitz in Portland, Oregon, und produziert Nutzfahrzeuge unter den Markennamen Freightliner, Western Star und Thomas Built Buses.

Wenn es darum geht, ihre Arbeit zu erledigen und einen reibungslosen Geschäftsbetrieb aufrechtzuerhalten, können sich Kunden auf Daimler-Lkw wie den neuen Western Star 49X voll und ganz verlassen. Sie brauchen zuverlässige Fahrzeuge, denen auch Hunderttausende von Kilometern auf der Straße nichts anhaben können. Um den Anforderungen dieser anspruchsvollen Kunden gerecht zu werden und eine lange Lebensdauer, eine maximale Laufzeit, Fahrerkomfort und Sicherheit zu gewährleisten, testet DTNA seine Lkw im Labor, auf der Teststrecke sowie auf der Straße.

Das Problem

Daimler Trucks North America wollte eine Lösung entwickeln, mit der Felddaten und Labordaten miteinander verbunden werden können, um sicherzustellen, dass die Labortests die realen Bedingungen simulieren und somit die Zuverlässigkeit der DTNA-Produkte gewährleistet wird. Darüber hinaus sollte ein Weg gefunden werden, den Zeitaufwand für den Prüfaufbau drastisch zu reduzieren und gleichzeitig höchst zuverlässige und wiederholbare Prüfergebnisse zu erzielen.

Die Lösung

Versuchsingenieur Joe Griffin entschied sich für Aufnehmer, Hardware und Software von Hottinger Brüel & Kjær (HBK), einschließlich einer Automatisierung für Datenmanagement und Zusammenarbeit, GlyphWorks für die Datenanalyse und das SomatXR-Datenerfassungssystem mit catman-Software.

Die Ergebnisse

Mit der neuen Ausrüstung konnte das Team den Zeitaufwand für den Prüfaufbau um 60 Prozent von 12 Stunden auf 5 Stunden reduzieren. Die Aufnehmer sind an ein SomatXR-Onboard-Datenerfassungssystem angeschlossen, das dann über EtherCAT® mit dem Steuergerät verbunden wird. Dadurch wird nicht nur der Verkabelungsaufwand reduziert, sondern auch die Zeit für die Fehlersuche bei analogen Rauschproblemen sowie das Auffinden und Beseitigen von Erdschleifen in der analogen Verkabelung. 

Die Datenerfassung – eine Herausforderung

Dieser umfassende Prüfansatz stellte Joe Griffin, Versuchsingenieur im Product Validation Engineering (PVE) Shaker Lab in Portland, vor ein besonderes Problem. Als Versuchsingenieur im Labor für Betriebsfestigkeitstests bestand seine Aufgabe darin, eine Lösung zu entwickeln, mit der Felddaten und Labordaten miteinander verbunden werden können. So sollte sichergestellt werden, dass die Labortests die realen Bedingungen simulieren und somit die Zuverlässigkeit der DTNA-Produkte gewährleistet wird. Um dies zu erreichen, entschied sich Griffin für Aufnehmer, Hardware und Software von Hottinger Brüel & Kjær (HBK), einschließlich:

  • Automatisierung für Datenmanagement und Zusammenarbeit,
  • GlyphWorks für die Datenanalyse,
  • SomatXR-Datenerfassungssystem mit catman-Software.

Griffin sollte nicht nur sicherstellen, dass die Labortests die realen Straßenbedingungen exakt simulieren. Er wurde auch damit beauftragt, die Art und Weise, wie bei DTNA Betriebsfestigkeitstests im Labor durchgeführt werden, effizienter zu gestalten. So sollte er einen Weg finden, den Zeitaufwand für den Prüfaufbau drastisch zu reduzieren und gleichzeitig höchst zuverlässige und wiederholbare Prüfergebnisse zu erzielen.

Im Jahr 2016 rüstete DTNA das unternehmenseigene Labor durch die Anschaffung von Shaker-Steuergeräten des Typs Labtronic 8800ML der Firma Instron auf. Einer der Gründe, warum sich das Team für das Steuergerät von Instron entschied, war die Möglichkeit, die Datenerfassungshardware über einen Ethernet-basierten Echtzeit-Bus namens EtherCAT™ mit dem Steuergerät zu verbinden.

EtherCAT®

EtherCAT® (Ethernet Control Automation Technology) bietet eine Verbindung mit hoher Bandbreite zwischen Geräten (Clients) und der Master- oder Steuerungsanwendung unter Verwendung der „Distributed Clocks“-Technologie, mit der alle Daten integriert und synchronisiert werden. So erweitert EtherCAT® den IEEE-802.3-Ethernet-Standard und ermöglicht eine Datenübertragung mit vorhersagbarer Zeitsteuerung und präziser Synchronisation. Ethernet-Pakete werden nicht mehr zuerst empfangen, interpretiert, verarbeitet und an jedes Gerät jeder Verbindung weitergegeben. Das EtherCAT®-Protokoll überträgt die Daten weiter direkt in einem Standard-Ethernet-Frame, ohne die Grundstruktur zu verändern.

Die EtherCAT®-Client-Geräte entnehmen die für sie bestimmten Daten, während der Frame das Gerät durchläuft. Ebenso werden Eingangsdaten beim Durchlauf mit einem Versatz von nur wenigen Nanosekunden eingefügt. Da EtherCAT®-Frames Daten von vielen Geräten enthalten, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus arbeiten, steigt die Nutzdatenrate auf über 90 %. Dadurch können die Vollduplex-Eigenschaften von 100BASE-TX voll ausgenutzt und effektive Datenraten von über 100 Mbit/s erreicht werden.

In der Vergangenheit handelte es sich bei allen Eingängen zum Shaker-Steuergerät um rein analoge Spannungsleitungen, die vom DAC-Anschluss der eDAQ-Layer für DMS kamen. Die Aufnehmer, z. B. Dehnungsmessstreifen, die in Brückenkonfigurationen verwendet werden, wurden mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert, wieder auf ±10 V normalisiert und Sensor für Sensor parallel mit dem Steuergerät verdrahtet. Dies kostete viel Zeit und war außerdem fehleranfällig. Außerdem wurde durch die Verwendung analoger Ein- und Ausgänge die Anzahl der Kanäle begrenzt, die für die Korrelation und Kabellänge verwendet werden konnte.

Um die Zeit für den Prüfaufbau – und beim Prüfaufbau eventuell auftretende Fehler – zu reduzieren, benötigte DTNA Datenerfassungsgeräte, die die Integration des EtherCAT®-Masters von Instron über ein einziges Kabel unterstützten.

VergleichAlter analoger SignalwegNeuer digitaler Signalweg
190 Kanäle

190 x Analog-Digital-Wandler

190 x Analog-Digital-Wandler konfigurieren

190 x Analog-Digital-Wandler

190 x Spannungskabel (BNC)

190 x Digital-Analog-Wandler konfigurieren

190 x Analog-Digital-Wandler konfigurieren

190 x Analog-Digital-Wandler

190 Analog-Digital-Wandler (TEDS) konfigurieren

1 x Kabel (Ethernet 4 x 2 Paar)

Automatisches Update des EtherCAT®-Masters

EtherCAT® ist ein eingetragenes Warenzeichen von Beckhoff

Ein Fall für HBK

Nach eingehender Prüfung entschieden sich die Versuchsingenieure für HBK. Einer der Gründe für diese Entscheidung ist, dass HBK über umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet der Strukturintegrität verfügt. Ein zweiter Grund ist, dass im Unternehmen bereits HBK-Produkte verwendet wurden. So setzt DTNA z. B. seit mehr als 15 Jahren Somat eDAQ-Datenerfassungssysteme ein und setzt daher großes Vertrauen in die Messtechnik und ihre Robustheit unter anspruchsvollen Prüfbedingungen.

HBK konnte ihnen genau das bieten, was sie suchten. Das von DTNA spezifizierte System umfasste die folgenden Geräte der neuen, widerstandsfähigen SomatXR-Serie mit der folgenden Modulkonfiguration:

Mit diesem System können Daten von all den verschiedenen Aufnehmertypen erfasst werden, die bei den entsprechenden Prüfungen verwendet werden. Außerdem hat sich das System als eine ideale Lösung für die Datenerfassung in anspruchsvollen Umgebungen erwiesen, z. B. auf der Teststrecke und im Labor für Betriebsfestigkeitstests.

Im Labor wird das Datenerfassungssystem mit EtherCAT® verbunden, um Daten in Echtzeit mit minimaler Latenzzeit an das Instron-Steuergerät und parallel über Ethernet ohne Bandbreitenbeschränkung an einen PC zu liefern, auf dem die catman-Software läuft. Der einzige Unterschied zwischen dem Datenerfassungssystem auf der Teststrecke und dem Datenerfassungssystem im Labor für Betriebsfestigkeitstests ist ein einzelnes Modul, das das System mit dem Netzwerk verbindet. Hierdurch wird das Verfahren vereinfacht, so dass die Datenintegrität und Vergleichbarkeit zwischen den Konfigurationen im Labor und auf der Teststrecke gewährleistet ist.

Obwohl es anfangs einige Herausforderungen zu meistern gab, wie z. B. die Verwendung der neuen Hardware und Software für Datenerfassung und Shaker-Steuerung, erwies sich HBK als idealer Partner. So ist HBK eines der wenigen Unternehmen, die einen tragbaren Datenrekorder anbieten, der ebenso gut im Labor eingesetzt werden kann.

Mit QuantumX, dem weniger widerstandsfähigen Bruder des SomatXR, wurde 2008 die Echtzeit-EtherCAT®-Integration eingeführt. Genau wie QuantumX bietet auch SomatXR einen doppelten Signalweg. Da die Bandbreite von EtherCAT® begrenzt ist und um zu ermöglichen, dass der Benutzer weiterhin mit der catman-Software zur Datenerfassung und zur Analyse der Strukturintegrität des Prüflings arbeiten kann, erzeugen alle Eingänge zwei digitale Signalwege:

-        1. Signal Echtzeit-Ausgang mit kurzer Latenzzeit, an einer Schleifenzeit von 1 ms orientiert

-        2. Signal PC-basierte Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung und -analyse mit Zeitstempel und bis zu 100 kS/s pro Signal je nach Modultyp

Von der Teststrecke ins Prüflabor

Um auch im Labor realistische Betriebsfestigkeitstests durchführen zu können, stützt sich DTNA auf Daten, die in der realen Welt gesammelt wurden – nämlich auf dem Testgelände High Desert Proving Grounds in Madras, Oregon. Die 2017 fertiggestellten High Desert Proving Grounds erstrecken sich über 87 Hektar und umfassen eine 3,5 Meilen lange Teststrecke mit hochentwickelten Oberflächen. Diese ermöglichen es den DTNA-Ingenieuren, nahezu alle möglichen Bedingungen zu simulieren, denen ihre Fahrzeuge fast überall auf der Welt ausgesetzt sein könnten. Die Strecke ist eine 3D-Topographie der Straßenbedingungen, die aus einer Stichprobe von Daimler-Fahrten über europäische Straßen stammen. So soll ein realistisches Straßenprofil erstellt werden, das auf beiden Testanlagen in Deutschland und Oregon angewendet werden kann.

Auf dem Testgelände wird ein Testfahrzeug mit einer Vielzahl von Aufnehmern ausgestattet, wie z. B.:

  • Beschleunigungssensoren (Typ DC MEMS: 50g, 0 bis 2000 Hz)
  • Brücke / Dehnungsmessstreifen (350 Ohm, in ¼-Brückenschaltung, ½- und Vollbrücke, eigene Kraftaufnehmer)
  • Radkraftsensoren (6 x Radkraftsensor von MTS SWIFT Analogspannung oder Kistler RoaDyn auf CAN)
  • Wegaufnehmer (LVDT, Seilzugwegaufnehmer)
  • Spannung (Hall-Effekt-basierte Verschiebung, Eigenkonstruktionen ...)

Obwohl die Kanalzahl je nach Fahrzeugtyp variiert, wird bei DTNA eine Mindestanzahl von sieben Aufnehmern an einem Fahrzeug angebracht. Um einen Shaker zu betreiben, benötigen Sie so viele aufgezeichnete Kanäle wie die Anzahl der Aktoren, die beim Betriebsfestigkeitstest im Labor verwendet werden. Für diese Anwendung gibt es vier Vertikalaktoren, zwei Longitudinalaktoren und einen Vorwärts-/Rückwärtsaktor.

In der Regel werden bei DTNA während des Fahrversuchs Daten von 48 verschiedenen Aufnehmern gesammelt. Je mehr Daten gesammelt werden, desto realistischer wird die Simulation im Shaker-Labor sein. Das SomatXR-Datenerfassungssystem sammelt die Daten dieser Kanäle, während ein Testfahrer das Fahrzeug auf der Teststrecke steuert. Diese Phase nimmt etwa zwei Wochen in Anspruch.

Using GlyphWorks and nCode Automation for Data Analysis, Storage and Report

Once the test data has been collected, Griffin and his team use GlyphWorks to analyze the data. GlyphWorks is a data processing system offered by HBK that contains a comprehensive set of standard and specialized tools performing durability analysis. Designed to handle huge amounts of data, GlyphWorks provides a graphical user interface designed to allow users to visualize, analyze, and manipulate test data, saving users both time and money.

One of the things DTNA does with GlyphWorks is find the most significant parts of the road test data and edit out the data collected when the test vehicle was rolling over smooth road. Analysts also parts of the track data that can’t be simulated on the shaker. By concentrating on only the most applicable data, the lab tests can be run in much shorter time than durability tests on the test track.

Nach der Erfassung der Testdaten verwenden Griffin und sein Team die Software GlyphWorks, um die Daten zu analysieren. GlyphWorks ist ein von HBK angebotenes Datenverarbeitungssystem, das eine umfassende Reihe von Standard- und Spezial-Tools für die Betriebsfestigkeitsanalyse enthält. GlyphWorks wurde für die Verarbeitung großer Datenmengen entwickelt und bietet eine grafische Benutzeroberfläche, über die Benutzer Testdaten visualisieren, analysieren und bearbeiten können – dies spart Zeit und Geld.

Dank GlyphWorks kann DTNA die wichtigsten Testdaten des Fahrversuchs identifizieren und z. B. die Daten ausblenden, die beim Rollen des Testfahrzeugs über eine glatte Fahrbahn gesammelt wurden. Ebenso wird ein Teil der Testdaten von der Teststrecke analysiert, die nicht mit dem Shaker simuliert werden können. Durch die Konzentration auf die wichtigsten Daten können die Labortests in viel kürzerer Zeit durchgeführt werden als die Betriebsfestigkeitstests auf der Teststrecke.

Sobald die Fahrversuchsdaten „getrimmt“ sind, verwenden die Ingenieure GlyphWorks, um die Übertragungsfunktion des Systems zu berechnen und die initiale Fahrdatei zu ermitteln. Die Fahrdatei enthält die Daten, die an das Instron-Steuergerät geliefert werden, das die Shaker im Labor steuert.

Der nächste Schritt besteht darin, die Fahrdatei zu verfeinern. Hierzu wird eine Baugruppe, wie z. B. ein Lkw-Fahrerhaus, mit Aufnehmern an denselben Positionen wie im Testfahrzeug auf der Teststrecke bestückt. Danach wird die Fahrdatei in das Instron-Steuergerät eingelesen, ausgeführt und die Antwortdaten an jeder Aufnehmerposition gemessen.

Dann wird erneut GlyphWorks verwendet, um die soeben erfassten Daten mit den auf der Teststrecke erfassten Daten zu vergleichen. Wenn ein signifikanter Unterschied zwischen den Daten von der Teststrecke und den Daten aus dem Prüflabor besteht, wird eine neue Fahrdatei berechnet, wobei die Anzahl der Fehler zwischen den beiden Datensätzen zugrunde gelegt wird. Dieser Prozess wird so lange wiederholt, bis die Abweichung zwischen den Daten aus dem Prüflabor und den Daten der Teststrecke in einen angemessenen Wert umgerechnet ist. In der Regel dauert es zwischen acht und zwölf Durchgänge, bis die Ingenieure davon überzeugt sind, dass die Fahrdatei eine strenge Prüfung gewährleistet.

Der angemessene Wert basiert auf der Bewertung der für die Betriebsfestigkeitstests zuständigen Ingenieure von Daimler, die sich mit den Unterschieden zwischen dem vollständigen Fahrzeug und dem Fahrgestell auskennen. Er stützt sich auf die Instron TWR-Software, um RMS-Fehler und Pseudo-Schädigungsberechnungen bezüglich der Aufnehmer mit festgelegtem Schnittpunkt und Steigung zu mischen. Darüber hinaus verwenden Ingenieure auch Vergleiche hinsichtlich der Schwellwertüber-/unterschreitung, um zu beurteilen, ob während der Prüfung die richtige Anzahl von Nulldurchgängen aufgetreten ist und welche Amplitudenpegel erfasst werden. All dies variiert je nach Prüfzweck – so wird eine einfache Motorhaubenprüfung anders gehandhabt als eine Prüfung am Fahrgestellrahmen.

Danach ist es schließlich soweit: Der Betriebsfestigkeitstest kann unter Verwendung der endgültigen Fahrdatei durchgeführt werden. Sobald eine Prüfung durchgeführt wurde, kommt erneut GlyphWorks zum Einsatz, um die Testdaten zu analysieren. Zur Archivierung der Daten wird nCode Automation verwendet, eine webbasierte Umgebung für die automatische Speicherung und Berichterstellung von Konstruktionsdaten. nCode Automation ist ebenfalls Teil der HBK-Produktfamilie: Es erleichtert nicht nur die Datensicherung und den Abruf von Testdaten, sondern auch den Austausch von Testdaten mit Konstrukteuren.

"I Love This Job"

Some engineers are just naturally “truck guys.” Joe Griffin is one of those guys. His father was an engineer for Daimler Trucks, and his mother worked there, too, in several different positions. So, as a kid, he heard stories about the company and the work there.

After high school, Joe attended the University of Portland to pursue a degree in Mechanical Engineering. In 2014, he was an intern in the shaker lab, and in 2015, he earned his bachelor’s degree and joined Daimler full-time. One of his first assignments was to drive trucks around the country, gathering data that would help Daimler build a better test track.

When the durability test lab was upgraded in 2016, he was in the right place at the right time. As a recent graduate, he embraced the new technology, and his bosses relied on him to help bring the new systems online.

When you talk to Joe, you get the feeling that he’s the right guy for the job. He has a passion for trucks and for making them the best they can be. “I love this job!” he exclaims.

Synchronisierung und Kostenersparnis dank EtherCAT®

Die Integration von SomatXR und EtherCAT® bot DTNA folgende Vorteile:

  • Kostenersparnis durch Verwendung einer einzigen Lösung für Feld, Labor und Prüfstand,
  • Bereitstellung hochwertiger analoger Daten und einer zuverlässigen, frei skalierbaren Lösung
  • Kosten- und Platzersparnis durch vollständige Digitalisierung und Verwendung von weniger Material und Teilen (Einfachheit)
  • Zeit- und Kostenersparnis durch drastische Verringerung der Komplexität und des Zeitaufwands für den Prüfaufbau um mindestens 60 % mit einer automatischen Plug-and-Play-Integration in INSTRON-Geräte ohne Generierung und Auslesen von Zwischendateien (ESI)

Erfahren Sie mehr über EtherCAT®

Fazit

Die Aufrüstung des Testlabors hat sich für Daimler wirklich gelohnt. Griffin führt einen Großteil des Erfolgs darauf zurück, dass sich das Unternehmen für die Digitalisierung entschieden hat. Dies bezieht sich auf die Entscheidung für EtherCAT® – die Abkürzung für „Ethernet for Control Automation Technology“ – sowie dafür, die Datenerfassungssysteme mit den Prüfständen im Labor und der vorhandenen IT-Infrastruktur zu verbinden. EtherCAT® ist eine Technologie, die den Anwendern kurze Zykluszeiten und eine Synchronisation mit Zeitstempel zwischen den Knoten in einem EtherCAT®-Netzwerk ermöglicht.

Trotz einiger anfänglicher Schwierigkeiten hat sich die Umstellung auf die Digitalisierung als richtig erwiesen. Das SomatXR-Datenerfassungssystem funktioniert sehr gut in Verbindung mit den Prüfständen der Firma Instron. „Es ist im Grunde ein Plug-and-Play-System“, so Griffin.

Mit der neuen Ausrüstung konnte das Team um Griffin die Zeit für den Prüfaufbau um 60 Prozent reduzieren – von 12 Stunden auf 5 Stunden. Statt lange, analoge Sensorkabel vom Prüfobjekt zum Steuergerät verlegen zu müssen, sind die Aufnehmer an ein SomatXR-Onboard-Datenerfassungssystem angeschlossen, das dann über EtherCAT® mit dem Steuergerät verbunden wird. Dadurch wird nicht nur der Verkabelungsaufwand reduziert, sondern auch die Zeit für die Fehlersuche bei analogen Rauschproblemen sowie das Auffinden und Beseitigen von Erdschleifen in der analogen Verkabelung. Hierbei ist besonders zu erwähnen, dass das digitale Signal rauschfrei ist, da es einen eingebauten Analogfilter durchläuft, der die Daten dann sofort im Verstärker digitalisiert.

Ebenso weiß Griffin die catman-Software von SomatXR wegen der Zeitersparnis beim Prüfaufbau sowie der Verbesserung der Datenqualität sehr zu schätzen.

„Die catman-Software führt uns auf benutzerfreundliche Art und Weise durch die Einrichtung des Prüfaufbaus. Wir finden es äußerst hilfreich, dass die Software die Kanäle auf Sensor- oder Kabelfehler überprüft. Dank der Rohdatenerfassung sowie der Datenanalyse und -aufbereitung gelangen wir schneller von der Idee zum Ergebnis“, so Griffin.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Messdaten eine weitaus höhere Qualität aufweisen als die, die das Team zuvor erhalten konnten.

 „Verbesserte Daten geben unserem internen Kunden – dem Bereich ‚Mechanical Engineering‘ – bessere Einblicke, wie Konstruktionen verbessert und optimiert werden können“, erläutert Griffin.

Das Endergebnis: zuverlässigere Lkw mit geringeren Testkosten und einer kürzeren Markteinführungszeit.

Über DTNA

Daimler Trucks North America (DTNA) ist der führende Nutzfahrzeughersteller in Nordamerika. DTNA hat seinen Hauptsitz in Portland, Oregon, und produziert Nutzfahrzeuge unter den Markennamen Freightliner, Western Star und Thomas Built Buses. Mit seinen unverwechselbaren Marken bedient das DTNA-Portfolio eine Vielzahl von Branchen und Nutzfahrzeuganwendungen. Darüber hinaus ist das Unternehmen auch ein führender Anbieter von schweren und mittelschweren Dieselmotoren und Komponenten.

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