Die Elektromobilität von morgen mitgestalten - Mit elektrischen Dehnungsmesstreifen von HBM den optimalen Digital Twin erstellen

Seit 2009 bauen die Studenten von eMotorsports Cologne der TH Köln elektrisch betriebene Rennwagen. In jeder Saison entwickeln und produzieren hochmotivierte Teammitglieder aus verschiedenen Studiengängen Rennwagen für Formula Student-Wettbewerbe. Angetrieben von zukunftsweisender Innovation und Engagement wird jedes Fahrzeug einzigartig aufgebaut.

Das 20-köpfige Team will Vorreiter sein, Innovationen fördern und die Zukunft der Elektromobilität gestalten. Ein Auto, das modernste Technik und Spitzentechnologie vereint.

Hierfür werden DMS von HBM eingesetzt.

Das aktuelle Fahrzeug besteht aus einem Vollkarbon-Monocoque einer Aluminium-Wabenstruktur Crashbox; das Fahrzeug ist elektrisch betrieben (576 Rundzellen, geschützt in Aramid-Karbon Gehäuse) mit vier Radnabenmotoren ausgestattet.

Weitere Eckdaten des Fahrzeugs sind:

  • 6,47 kWh Akkukapazität
  • 213 kg Gewicht
  • 122 km/h Höchstgeschwindigkeit
  • 1055 Nm Drehmoment
  • 128 kW Leistung

Elektrobetriebene Fahrzeuge ermöglichen durch neue Design- und Optimierungsmöglichkeiten von Fahrzeugen eine komplette Neuauslegung. Energieeffizienz durch Gewichtseinsparung ist hierbei ein wichtiger Baustein. ImmerBei immer mehr Fahrwerkkomponenten werden anstatt mit konventionellen Metallwerkstoffenkonventionelle Metallwerkstoffe durch Faserverbundwerkstoffe ersetzt. Das ermöglicht eine neue Designauslegung durch verbesserte Festigkeits- und Ermüdungseigenschaften der Materialen.

Hierdurch lässt sich ein besonders hohes Festigkeits/Gewichtsverhältnis einstellen.  Zusätzlich sind beliebige Strukturen herstellbar, sodass beispielsweise Fahrwerkkomponenten in Bezug auf die äußeren wirkenden Belastungen optimal gestaltet werden kann. Mit diesen Anpassungen wird allerdings auch die gesamte Fahrzeugdynamik geändert. Das Fahrzeug verhält sich durch die Beeinflussung des Schwerpunkts, durch ein verändertes Masse-Dämpfersystem und durch geänderte Zwangsanregungen durch den Antriebsmotor nun komplett anders.

Im Rahmen der Fahrwerkentwicklung und -optimierung werden elektrische Folien-DMS von HBM eingesetzt. Diese werden zur Abschätzung der Kraftwirkung eingesetzt.

Grundsätzliches Ziel ist es das optimale Design zu finden - das heißt minimales Gewicht bei geringem Gewicht und vollständigervoller Betriebssicherheit.

Hierzu werden die Querlenkerrohre optimiert. Unterschiedliche Durchmesser (17-22 mm) mit unterschiedlichen Rohrstärken (1-2 mm) und Längen werden hierfür untersucht. Je nach Länge der Rohre ergibt sich ein anderer Kraftfluss ins Monocoque.

Heutige Entwicklungsprozesse sind maßgeblich durch Datenaustausch zwischen Simulation und Realtest geprägt. Hierbei ist eine gegenseitige Verbesserung von Modell durch reale Testdaten ein wesentlicher Faktor. Die hierdurch erlangte Modellsicherheit ermöglicht den breiteren und umfassenderen Einsatz der Simulation, was wiederum Zeit und Kosten spart. Damit ist es möglich mit den bekannten realen Kräften die Lastfälle möglichst real in der Simulation abzubilden und so zukünftige Entwicklungen zu verbessern.

Am Beispiel Querlenker soll das Zusammenspiel von Simulation/Realtest (Digital Twin) gezeigt werden.

Die Querlenker sind als reiner Zug-Druckstab im Chassis belastet.

Realer Fahrversuch

Simulation

Simulation der Querlenker

1. Im ersten Schritt wird aus den Reifendaten die Traktion und die maximale Reifenhaftung bei verschiedenen Fahrzuständen ermittelt. Berücksichtigt werden neben den Reifen der Bauraum (Felge, Radträger usw.), unter anderem die Dämpfer und das Chassis.

2. Ebenfalls notwendig ist eine simulative „Crashanalyse“, damit bei der Fahrzeugbewegung (Einfedern, Rollen usw.) die Motoren nicht an den Querlenker stoßen oder die Spurstange beim Lenken nicht die Felge berührt. Weiterhin wird mit dem Übersetzungsverhältnis zwischen Radfederweg und Dämpferweg ein Optimum gesucht. In dieser Simulation werden auch verschiedene Lastfälle (load cases), welche auf das Fahrwerk wirken simuliert. Zum Beispiel:

  • Schlag
  • Kurven Innenseite
  • Kurven Außenseite
  • Bremsen
  • Beschleunigung
  • Bremsen

3. Aus den Lastfällen ergeben sich für jedes Querlenker-Carbonrohr (Querlenker, Lenkstange) spezifische Krafteinwirkungen im Modellversuch:

4. Nach den aus der Simulation berechneten Kräften werden die CFK-Rohre mit einem Sicherheitsfaktor dimensioniert. Dort wird ganz rechts die Rohrlänge, die einwirkende Kraft und evtl. ein Drehmoment eingetragen. Danach können verschiedene CFK-Rohre abhängig von Außen- und Innendurchmesser miteinander verglichen werden und ein Design festgelegt werden, welches dann im Realtest verwendet wird.

Test der Querlenker im realen Fahrversuch

5. Um zu verifizieren, ob diese simulierten Kräfte an den Fahrwerkomponenten tatsächlich an den realen Komponenten auftreten, muss Test anhandmüssen Tests an der Realstruktur zeigendurchgeführt werden. Die Kräfte an den Fahrwerkkomponenten werden hierzu im Fahrversuch ermittelt. Der Einsatz elektrischer Foliendehnungsmessstreifen von HBM zur Kraftüberwachung an relevanten Komponenten ist dabei ein wesentlicher Schritt. Hierzu werden die mit DMS beklebten Komponenten mit einem Referenzkraftaufnehmer vorab justiert, sodass diese als „Kraftaufnehmer“ fungieren.

Ein wesentlicher Vorteil der elektrischen DehnungsmessstreifensDehnungsmessstreifen in dieser Anwendung sindist die 100%ige Integrierbarkeit in vorhandene Designs und sind damit, wodurch sie perfekt fürs mobile Testen geeignet sind.  Damit gibt es keine Störungen durch zusätzliche Sensoren, die weiteren Bauraum beanspruchen und die Realstruktur beeinflussen. Darüber hinaus sind elektrische Folien-DMS sehr linear und erreichen bei genauer Kalibrierung hohe Genauigkeiten.

6. Die DMS werden als Halbrücke verschaltet auf die Querlenker installiert. Hierzu werden vorverkabelte DMS vom Typ K-CXY3 verwendet. Die DMS werden mit dem schnellhärtenden Z70 Klebstoff auf dem Carbon-Querlenker befestigt. Die Verwendung vorverkabelter DMS von HBM auf Kompositmaterialien sindist die optimale Wahl, da hier kein anschließendes Löten auf dem Werkstoff notwendig ist. Typische Löttemperaturen können solche Werkstoffe ansonsten schnell schädigen. Durch das Fluorpolymerkabel am DMS wird ein Anhaften des DMS beim Kleben vermieden.

Die beklebten Querlenker werden im Anschluss an einer Universal-Zug-Druck-Prüfmaschine justiert.

7. Die hier verwendeten Querlenker werden bis 1 kN justiert. Aufgrund der kugelgelagerten Aufnahme der Querlenker ergibt sich eine optimale Einspannposition (keine Verspannung der Komponenten durch Selbstausrichtung). Die Werte der Brückenausgangsspannung (siehe hierzu weitere Hinweise zur Wheatstonschen Brückenschaltung LINK) werden mit den an der Zug-Druck-Prüfmaschine gemessenen Kräfte verglichen.

8. In der Software catman wird jeder Zug-Druckstab als eigener Sensor hinterlegt und parametrisiert. Für die Justage wird die Tabellenform gewählt und 10 Messwerte hinterlegt.

9. Die mit DMS bestückten Querlenker werden anschließend im Fahrzeug verbaut. Die gesamte Messkette besteht aus einem 16 kanaligen QuantumX MX1615B Modul, welches am Fahrzeug befestigt ist, über Kabelzuleitungen werden die DMS in 4-Leitertechnik verbunden. Die Messdaten werden mobil auf einem CX22 Datenrekorder gespeichert. Alle Messdaten werden über PTP2 synchronisiert was eine leichte Auswertung möglich macht. Vor dem Einsatz im Feld sollten die DMS abgedeckt werden. ABM75 ist hierfür hervorragend geeignet.

10. Der mobile Fahrtest ermöglicht schließlich die Aufnahme der realen Lastdaten und ermöglicht  eine Bewertung, ob die Komponenten und das Fahrzeugsystem betriebsfest sind und wie hoch die Bauteilauslastung an allen betrachteten Komponenten ist.

Schließlich werden diese Daten zur Verbesserung der Bauteilsimulation verwendet:

Der Digital Twin am Beispiel des Querlenkers zusammengefasst

Realer Test und Simulation stärken sich gegenseitig um das pefekte Design zu entwickeln.

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