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Mobilität der Zukunft

Die Balance zwischen komplexen Prüfaufgaben und Entwicklungseffizienz im Prüffeld

11. September 2017 | Software & Testing Solutions

Die Balance zwischen komplexen Prüfaufgaben und Entwicklungseffizienz im Prüffeld

Die Veränderungen im Bereich Mobilität und Transport sind aktuell einem stark beschleunigten Veränderungsprozess unterworfen. Klassische globale Megatrends umfassen stark differenzierte nutzer- und kundenspezifische Anforderungen, unterschiedliche Gesetzgebungen, weiter verschärfte Umweltauflagen, beschränkte Ressourcen sowie die Elektrifizierung von Antriebssystemen. Zudem gewinnen Themen wie autonomes Fahren und individuelle, bedarfsgerechte Mobilitätslösungen zunehmend an Bedeutung. Die Realisierung von Lösungen und Produkten erfordert neben den etablierten, beständig weiterzuentwickelnden Technologien auch völlig neuartige Ansätze. Hierzu zählen beispielsweise Maßnahmen aus Digitalisierung, Informationstechnologie und Vernetzung. 

Die zunehmende Komplexität und Differenzierung stellt weiter steigende Anforderungen, die mit den etablierten Methoden und Prozessen in einem akzeptablen Zeit- und Kostenrahmen nicht mehr zu bearbeiten sind. Neue individuelle und spezifisch zugeschnittene Lösungen und Produkte müssen entwickelt werden, um diesen Herausforderungen gerecht zu werden.

In den vergangenen Jahren haben sich fortschrittliche und leistungsfähige Simulationsverfahren als eine wesentliche Säule im Portfolio der Fahrzeug- und Antriebssystementwicklung etabliert. Zahlreiche klassische Prüf- und Erprobungsmethoden wurden durch die Simulation ganz oder teilweise substituiert. Die zunehmende Systemkomplexität sowie Validierungsanforderungen erfordern jedoch heute und in Zukunft anforderungsspezifisch zugeschnittene Prüf- und Testlösungen zur Absicherung von Funktionssicherheit, Qualität etc..

Die Bereitstellung entsprechend leistungsfähiger Prüf- und Testkapazitäten in einem modernen Entwicklungsumfeld beschränkt sich schon heute nicht mehr auf die rein-logistischen und technologischen Lösungen wie Prüfstände und Messsysteme. Für hocheffiziente Entwicklungsleistungen müssen vielmehr alle Prozessbeteiligten in geeigneter Weise in die Gesamtentwicklungsprozesse eingebunden sein. Hierzu zählen neben Prüffeldstruktur und -Ausrüstung auch wichtige Themen wie z.B. Personalstruktur und -kompetenzen, Methoden, operative Organisation, hocheffiziente Logistik und Informationsvernetzung.

Zukünftige Prüffeldstrategien

Die Konzeption zukünftiger Prüffelder muss sich grundsätzlich an der mittel- und langfristigen strategischen Produktentwicklungsplanung und den sich daraus ableitenden Testanforderungen orientieren. Neben den rein-technischen, operativen und logistischen Anforderungen liegen Schwerpunkte insbesondere auf einem wirtschaftlichen Betrieb, einer ausgewogene Balance zwischen Bereitstellung von Kapazitäten und personellen Ressourcen und deren möglichst hoher Auslastung sowie einer zweckmäßigen Verteilung zwischen Eigenabdeckung und Fremdvergaben.

Prüffeldorganisation, Prüffeldprozesse

Organisation und Prozesse moderner Prüffelder haben sich in den zurückliegenden Jahren grundsätzlich verändert. Früher waren die Mitarbeiter aus den Entwicklungsbereichen vielfach sehr weitgehend in den Prüffeldbetrieb eingebunden und haben diesen teilweise sogar selbst operativ mitgestaltet. Das Prüffeldpersonal stellte im Wesentlichen die Kapazitäten, die Werkstattressourcen sowie das Bedienpersonal. Die Prüfprogrammdefinition und Auswertungen lagen im Verantwortungsbereich des Engineerings.

In den vergangenen Jahren haben sich diverse Aufgabengebiete aus dem Verantwortungsbereich Engineering in die Prüffeldverantwortung verlagert. Heute ist die Prüffeldmannschaft vielfach für die gesamte Prüfergebniserzeugung weitgehend eigenständig verantwortlich. Diesen zusätzlichen Aufgaben muss durch entsprechende Personal- und Engineering-Kapazitäten Rechnung getragen werden. Dazu gehört auch, dass sämtliche Prozesse, aber auch die Konzeption sowie die mittel- und langfristige strukturelle Ausrichtung und Investitionsplanung im Prüffeldverantwortungsbereich liegen.

Prüffeldpersonal: Struktur und Kompetenzen

Die zunehmende Verlagerung zahlreicher Aufgabenstellungen aus dem Engineering in den Verantwortungsbereich Prüffeld bedingt, dass heutige Personalstrukturen und Kompetenzumfänge einen erheblich höheren Engineering-Anteil in der Personalstruktur erfordern. Während früher der weitaus größte Anteil einer Prüffeldmannschaft aus Mechanikern sowie einigen Elektrikern und Meistern und sehr wenigen Ingenieuren gestellt wurde, hat sich der Anteil von Technikern und Ingenieuren sehr stark erhöht. Zusätzlich hinzugekommen sind IT-Spezialisten für die Betreuung von komplexen Prüfstandautomatisierungssystemen, Messsystemen sowie weitere Spezialisten diverser Disziplinen für Implementierung und Anwendung moderner Methoden und Tools.

Prüffeldlogistik, Informations-, Material- und Datenfluss

Die effiziente und wirtschaftliche Organisation eines modernen Prüffeldbetriebs erfordert die Implementierung durchstrukturierter, effizienter und flexibler Prozesse, die auf wechselnde Anforderungen adaptiert werden können. Dazu zählen das Informationsmanagement, d.h. Handling und Kanalisierung aller eingehenden, intern zirkulierenden sowie aller ausgehenden Informationen, das Versuchs- und Messdatenmanagement, Materialflüsse und Logistik, das Qualitätsmanagement und vieles mehr. Alle Haupt- und Unterstützungsprozesse müssen nahtlos ineinander verzahnt sein und bedürfen der kontinuierlichen Prüfung, Anpassung und Optimierung.

Grafik - FEV Testcenter-Effizienz

Prüffeld-Arbeits- und Test-Methoden

In einem modernen Prüffeld werden bereits heute in einem hohen Maße IT-basierte Methoden und Tools zur Prozessorganisation und Arbeitsabwicklung eingesetzt. Dazu zählen beispielsweise die datenbankgestützte Erstellung von projektspezifischen Prüfstandaufbau- und Prüfprogrammplänen, weitgehend standardisierte Prüfstand- und Messsysteme, eine hochautomatisierte Prüfprogrammabwicklung, die Integration von Simulationswerkzeugen, die automatisierte Auswertung von Versuchsläufen sowie die datenbankgestützte Ablage von Prüfergebnissen.

Mit der Informationsmanagementsoftware FEVFLEX bietet FEV eine leistungsfähige Lösung, die Aufgaben und Abläufe, Geräte und Medien, Testobjekte und Prüfstände, Messdaten und Testprojekte verwaltet und somit nachhaltig zur Effizienz eines Prüffeldes beiträgt. Zudem kann FEV MORPHEE die Anzahl notweniger Softwareanwendungen auf Prüfständen signifikant reduzieren. Egal ob ECU (HIL), Bauteil, Motor, Antriebsstrang, Fahrzeug oder andere: MORPHEE passt sich an jede Art von Testumgebung an.

Weitere Zeit- und Kostenreduktionen im Entwicklungsprozess lassen sich mit Online- und Offline-DoE-Werkzeugen für die virtuelle Kalibrierung erzielen. FEV xCAL kombiniert Best-in-Class-Modellierungsalgorithmen mit einer intuitiven, workflow-basierten Bedienerführung und ermöglicht so die virtuelle und effiziente Kalibrierung verschiedenster Antriebsstränge und anderer Anwendungen.

Prüffeld: Struktur, Ausrüstung, Ausstattung

Ein modernes Prüffeld stellt heute neben den klassischen Kapazitäten wie Prüfstände für Motoren, Getriebe, Fahrzeuge und Systemkomponenten, Messtechnik usw. auch Umweltsimulationsanlagen bereit. Zukünftig werden sich dazu weitere neue Prüfeinrichtungen zur Darstellung aller erforderlichen Testverfahren im Umfeld des Themas „Autonomes Fahren“ gesellen. In den zurückliegenden Jahren haben leistungsfähige Simulationswerkzeuge diverse klassische Test-Methoden substituiert und neue Methoden und Prüfverfahren sind entstanden. Ein Beispiel hierfür ist die echtzeitbasierte Vernetzung verschiedener Teilsystemprüfstände mit eingebundener Simulation von Systemkomponenten eines Gesamt-Antriebsstrangs, die nicht als Hardware verfügbar sind.

So haben FEV und VKA die „virtuelle Welle“ als wichtiges Werkzeug entwickelt. Die Testumgebung besteht aus räumlich getrennten Prüfständen, die über eine EtherCAT-Verbindung echtzeitgekoppelt sind. Durch die „virtuelle Welle“ werden z.B. die Lastmaschinen von gekoppelten Komponenten-Prüfständen so angesteuert, dass das Systemverhalten einer realen mechanischen Welle entspricht. So lässt sich eine Interaktion – beispielsweise zwischen Motor und Getriebe – erzielen. Dies ist bereits im Prototypenstatus möglich, also bevor beide Komponenten physisch adaptierbar sind. Wertvolle Entwicklungszeit kann so eingespart werden. Weitere Vorteile liegen vor allem in der geschützten Testumgebung und den intensiven Überwachungsmöglichkeiten für das einzelne Testobjekt. So werden Schäden an Prototypen wirkungsvoll vermieden. Weiterhin lassen sich durch die virtuelle Verbindung auch Kombinationen eines Hybridantriebs testen, welche mechanisch noch nicht kompatibel sind und erst umfangreich adaptiert werden müssten.

Grafik - FEV Testcenter-Effizienz

Virtuelle Welle zwischen zwei Prüfeinrichtungen

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FEV AIRRATE

Berührungslose Messung der Ansaugluft auf Motorenprüfständen

28. August 2017 | Software & Testing Solutions

Berührungslose Messung der Ansaugluft auf Motorenprüfständen

Deutlich gestiegene Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrennungsmotoren machen genauere Maßnahmen zur Verbrauchs- und Emissionsminderung erforderlich. Jede Änderung am Motor muss im Prüfstand auf ihre Auswirkungen u.a. auf Emissionen und Kraftstoffverbrauch untersucht werden. Hierbei spielt die genaue Messung der Ansaugluftmenge im Motoransaugtrakt eine wichtige Rolle. Zu diesem Zweck hat FEV das FEV-AirRate entwickelt, das nun in einer optimierten und vollständig überarbeiteten Version erhältlich ist. Das AirRate dient zur berührungslosen Messung von Volumenstrom, Druck, Feuchte und Temperatur der Ansaugluft auf Motorenprüfständen. Aus diesen Parametern wird der Luftmassenstrom in kg/h berechnet und ausgegeben.

Hohe Messgenauigkeit

Das Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren mit 8 Ultraschallsensoren in vier Messpfaden ermöglicht eine sehr hohe Messgenauigkeit über den gesamten Messbereich. Die extrem schnelle Ansprechzeit des Systems sichert auch bei hochdynamischen Vorgängen im Ansaugtrakt eine reproduzierbare Luftmengenmessung. Durch den sehr niedrigen Druckverlust in der Messstrecke des AirRates wird das Motorverhalten nicht beeinflusst. Aufgrund der großen Messbereichsspreizung der Messsysteme AirRate 100 und AirRate 150 kann der komplette Bereich von Einzylindermotoren bis hin zu Nutzfahrzeugmotoren mit nur zwei Gerätegrößen erfasst werden.

Kompaktes Design in nur einem Gehäuse

Das AirRate hat einen sehr geringen Platzbedarf; aufgrund des kompakten Designs ist die gesamte Messtechnik in nur einem Gehäuse untergebracht. Eine separate Verdrahtung von Messeinheit und Ausgabeeinheit entfällt.
Durch den im Gerät integrierten Strömungsgleichrichter werden Verwirbelungen der Ansaugluft wirksam reduziert und das System kann dadurch ohne Verlängerung der Einlaufstrecke beispielsweise unmittelbar hinter einem Rohrbogen eingebaut werden. Eine Integration in Prüfstände, mit oder ohne Ansaugluftkonditionierung, ist dadurch sehr leicht möglich; ebenso eine kurzfristige Umrüstung für den Betrieb mit oder ohne AirRate.

Übersichtliche Bedienung

Besonderes Augenmerk wurde bei der Neuentwicklung auf eine Erhöhung der Messfrequenz sowie eine einfache und übersichtliche Bedienung gelegt.
Im Vergleich zum Vorgängergerät wurde die Messfrequenz mehr als verdoppelt; zusätzlich zur Druck und Temperaturmessung ist jetzt zur Massenbestimmung eine Feuchtemessung im Gerät integriert. Das Vier-Pfad-Design mit insgesamt acht Titan-Ultraschallsensoren gewährleistet eine sehr hohe Messgenauigkeit auch bei schwierigen Strömungsverhältnissen. Zusätzlich erfolgt ein Plausibilitätscheck zwischen den Pfaden, sodass der Drift eines Pfades detektiert und gemeldet werden kann. Aufgrund der Pfadkompensations-Funktionalität kann der Ausfall eines kompletten Pfades – ohne Einschränkung der Messgenauigkeit – vom Gerät kompensiert werden.
Die Bedienung des AirRates erfolgt über das 7“-Touchdisplay mit gut ablesbaren Grafikelementen, über den Webbrowser oder über das WiFi-Interface. Insbesondre letzteres ermöglicht eine sehr leichte Bedienung und Einstellung selbst bei schwierigen und unzugänglichen Einbauverhältnissen – beispielsweise mithilfe eines Smartphones.
Alle Einstellungen sind passwortgeschützt; ein unberechtigtes oder versehentliches Verstellen der Parameter ist dadurch ausgeschlossen. Die Bedienoberfläche sowie die Webmenüs sind mehrsprachig verfügbar und durch den Betreiber erweiterbar.

Geringer Wartungs- und Kalibrierungsaufwand

Neben dem Stromausgang (4 bis 20 mA) steht jetzt auch ein Spannungsausgang (0 bis 10 V) zur Verfügung. Die serielle Schnittstelle mit AK-Protokoll ist voll kompatibel zur bisherigen Version. Ein einfacher Austausch ist somit möglich, da auch die mechanischen Anschluss-Maße beibehalten wurden. Neben der seriellen Schnittstelle ist das AK-Protokoll ebenso über TCP/IP verfügbar.
Die eingesetzten Druck-, Temperatur- und Feuchtesensoren kommunizieren alle über ein digitales Busprotokoll. Hierdurch können sie im Fehlerfall leicht gegen die werksseitig kalibrierten Ersatzteile ausgetauscht werden, eine Neukalibration des Gerätes ist in diesem Fall nicht notwendig.
Das Kalibrierintervall des AirRates liegt bei zwei Jahren und ist somit signifikant besser als bei vergleichbaren Heißfilmmessgeräten mit nur sechs Monaten Kalibrierintervall. Auf Wunsch ist eine DAkkS-Kalibrierung des AirRates möglich.

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