Massgeschneidertes Benchmarking

FEV minimiert Kosten jetzt auch bei Hybridgetrieben

18. April 2018 | Engineering Service

FEV setzt seine führende Rolle beim Benchmarking von Getrieben fort. Die Aktivitäten dazu begannen bereits 2002 mit der Untersuchung von Verteilergetrieben, 5- und 6-Gang-Automatikgetrieben sowie Doppelkupplungsgetrieben (DKG) der ersten Generation. 2004 wurde das Portfolio mit dem Benchmarking von Hybridgetrieben erweitert. Die Kraftquellen waren nun nicht mehr ausschließlich vor dem Getriebe, sondern zusätzlich im Getriebe integriert. Dieser Umstand bedingte neue Herangehensweisen für die Wirkungsgradbestimmung. Mit den Ergebnissen der wachsenden Anzahl von klassischen und hybridischen Benchmark Projekten, die sich mittlerweile über alle am globalen Markt befindlichen Typen erstreckten, wurden FEV Scatterbands abgeleitet, die den Stand der Technik für wesentliche technische Merkmale zeigen. 2008 wurde ein standardisiertes, in Level gestaffeltes Analyseprogramm aufgesetzt und in den darauf folgenden Jahren ausgeweitet. 2014 wurde mit der „universal transmission control unit“ (UTCU) eine neue Art der Getriebeanalyse eingeführt, die es FEV ermöglicht, Fremdgetriebe am Prüfstand unabhängig von Kommunikations- und Verschlüsselungssystemen zu betreiben.

 

Vor über einem Jahrzehnt hat das Unternehmen begonnen, seine Motoren- und Getriebeprüfstände mit Batterieemulationssystemen auszustatten und seit 2017 werden Gesamt-Hybrid-Powertrainprüfstände betrieben, die mit Batterieemulation und universeller E-Motor-Steuerung ausgestattet sind. 2018 wird eine neue Hybridgetriebe-Benchmark-Serie aufgesetzt, mit der die Kunden unter anderem auf Daten zu Schaltqualität, Strategie und Wirkungsgrad von neu am Markt erschienenen Getrieben zugreifen können.

 

Abhebend von den Zielen eines klassischen Getriebe Benchmarks, welche vor allem Schaltqualität, Effizienz, Fahrbarkeit und Komponentenanalysen betreffen, kommen mit der Elektrifizierung neue Disziplinen hinzu. Abhängig von Anordnung (P0 – P4) und Anzahl der E-Motoren im Triebstrang, müssen unterschiedliche Fähigkeiten, representative Betriebspunkte abzubilden, betrachtet werden. Somit geht die Analyse weg von der Betrachtung von Last, Drehzahl und Gang, hin zur Betrachtung unterschiedlicher Leistungsflussstrategien. Es werden also nicht nur Effizienzen verschiedener Gänge miteinander verglichen, sondern auch die Auswahl unterschiedlicher Verknüpfungen der Leistungsquellen bezogen zur Fahrsituation wird beurteilt unter Berücksichtigung von Leistungsverzweigung, Lastpunktverschiebung, Generatorbetrieb, Verbrennerbetrieb, Nachladestrategien und der Auswahlkriterien ihrer Verwendung. Ebenso werden Einflussnahme und Möglichkeiten des Fahrers, deren Kombination und deren Auswirkung vermessen und beurteilt.

 

Sehr wichtig für den Effizienzgewinn durch die E-Komponenten ist die Energierückgewinnung, welche im FEV Benchmark-Prozess hinsichtlich der Ausschöpfung des kinetischen Energiepotenzials und des Anteils der rückgewonnenen Energie – bezogen auf den Gesamtaufwand – beurteilt wird.

 

Aus Sicht der Fahrbarkeit ist die Betrachtung der Schaltqualitätssteigerung durch Unterstützung einer oder mehrerer E-Maschinen während der Schaltung sowie das Maß der Leistungs- und Qualitätseinbußen über den „stage of charge“ (SOC) der HV-Batterie als Analyseschwerpunkt hinzugekommen. Auf Komponentenebene werden der Umgang mit thermischen Einflüssen, deren Auswirkungen auf Leistung und Fahrbarkeit sowie deren Kommunikation mit dem Fahrer beurteilt. Eine Gesamtbetrachtung des Systems hinsichtlich Effizienz, Kosten, Leistung und Fahrbarkeit bildet den Gesamteindruck eines Fahrzeugs vor dem Kunden ab. Insgesamt verfügt FEV über Getriebedaten aus Untersuchungen an circa 70 verschiedenen konventionellen Getrieben und etwa 40 verschiedenen hybridisierten Getrieben. Diese Daten sind zentral in einer Datenbank abgelegt und werden jeweils anonymisiert in ausgewählter Form zur vergleichenden Darstellung herangezogen.

FEV Benchmark-Programm

Innovativ, flexibel, standardisiert: das FEV Benchmark-Programm

FEV bietet ein in Level gestaffeltes Programm an Benchmark-Aktivitäten an. In Level 0 werden Informationen zum Zielfahrzeug aus Publikationen zusammentragen und auf den Kundenfokus gefiltert. Hierzu gehören ebenso Recherchen zu Lieferanten der Komponenten als auch die systemerklärende Darstellungen des Powertrains und der Konditioniereinrichtungen.
In Level 1, dem Screening, und Level 2, der Systemanalyse, werden in unterschiedlicher Tiefe Leistung, Effizienz und Strategien des Triebstrangs vermessen. Level 1 wurde dabei etabliert, um den Kunden ein Programm zu bieten, welches in sehr kurzer Zeit eine gute und preiswerte Analyse des Fahrzeugs bietet. Eine standardisierte Instrumentierung und Auswertung ermöglicht die Darstellung der Ergebnisse im Vergleich zu anderen Systemen. Level 1 wird in Projekten mit umfangreicher Instrumentierung gern vorgeschaltet, um bereits kurz nach der Beauftragung erste Ergebnisse vorliegen zu haben.

 

Die Systemanalyse in Level 2 beginnt mit einer Instrumentierungsphase, die gemeinsam mit dem Testplan aus den Kundenzielen entwickelt wird. Hier kommt besonders die langjährige Erfahrung zum Tragen, mit der das richtige Testszenario mit der passenden Instrumentierung ausgewählt wird, um die gewünschte Aussage zu treffen. Teil der Planungsphase ist eine Messkettenanalyse, bei der die Gesamtfehler und die zu erwartende Genauigkeit in den einzelnen Testszenarien bestimmt wird. So können teure Instrumentierungen, die am Ende nicht geeignet sind, die gewünschten Daten zu erzeugen, vermieden beziehungsweise durch sinnhafte Verknüpfung von Instrumentierung und Testszenario ersetzt werden. Die erzeugten Aussagen betreffen in den meisten Fällen Systemstrategien, deren Effizienz und Nutzen absolut und in Relation zu ähnlichen Systemen betrachtet werden. Ist ein System erst einmal umfassend instrumentiert und betrachtet worden, so ist der Schritt zu einer Root-Cause-Analysis in Verbindung mit Verbesserungsansätzen und deren Umsetzung nicht weit. Das Leistungsspektrum der Systemanalyse umfasst also nicht nur klassische Benchmark Aktivitäten, sondern ist auf Trouble-Shooting und Task-Force-Aufgaben sowie Zielvorgaben für die Variantenapplikation ausgeweitet worden.

Getriebebenchmark-Histoie von FEV

In Level 3, der Komponentenanalyse, werden einzelne Baugruppen des Antriebs untersucht. Dies kann sowohl das Getriebe oder ein E-Motor auf dem Prüfstand sein, aber auch ein einzelnes Schaltelement oder eine E-Ölpumpe. Außerdem kann in Strip-Friction-Messungen der Reibungsanteil einer Komponente in einem komplexen Gesamtsystem vermessen werden. Die Vermessung der jeweiligen Komponente wird unter möglichst fahrzeugnahen Umgebungsbedingungen (zum Beispiel Druck, Temperatur) und Betriebsstrategien durchgeführt.

 

Seit vielen Jahren untersucht FEV Triebstrangkomponenten auf die Neuerungen, Effizienz, Strategien und Materialien. Die Innovationen des Marktes treiben die Untersuchungsmethoden und Werkzeuge. So ist der Betrieb von Aktuatorik-Prüfständen mit eigener BLDC-Steuerungseinheit zur Selbstverständlichkeit geworden. Ebenfalls können Getriebe mit BLDC-Motoren als Schalt- und/oder Kupplungsaktuatoren betrieben werden.
Mit diesem Programm ist FEV in der Lage, das Benchmarking an die Ziele der Kunden anzupassen und minimale Kosten mit maximaler Effizienz zu verbinden.

Fehlereinfluss unterschiedlicher Drehzahlerfassungssysteme

Innovative Fremdgetriebevermessung spart Zeit

Mit der zunehmenden Vernetzung der Powertrain-Komponenten ist es deutlich schwieriger geworden, ein Fremdgetriebe am Prüfstand mit der eigenen TCU und deren Software fehlerfrei in Betrieb zu nehmen. Wegfahrsperren, komplexe Alivecounter, verschlüsselte und/oder exklusive Teilnehmer-Bussysteme haben die Nutzung des einfachen CAN-Bus erschwert oder verdrängt. Der Workaround, mit Kabelbaumverlängerungen und Restbus-, Sensor- und Aktuator-Simulationen der TCU gewissermaßen vorzutäuschen, sie sei im Fahrzeug, wird unverhältnismäßig aufwändig und teuer und führt nicht grundsätzlich zum Ziel. Um diese Problematik zu vermeiden, hat FEV bereits 2014 einen neuen Gesamtprozess entwickelt, der sicherstellt, dass das Getriebe am Prüfstand exakt dieselben Bedingungen und Ansteuerungen erfährt wie im Fahrzeug. Teil dieses Prozesses ist die UTCU (Universal Transmission Control Unit).

 

Ihr Kern ist ein Rapid-Prototyping-Steuergerät, dem ein Elektonikmodul zur Ausgabe von Steuersignalen nachgeschaltet wurde. Die UTCU nimmt gewissermaßen den Platz der originalen TCU ein und bildet deren Steuersignale vollständig nach. CAN-Bus-Kommunikation mit dem Prüfstand ermöglicht einen automatisierten 24/7-Betrieb an unseren Prüfständen, so dass eine Vermessung mit mehreren 1000-Last- und Drehzahl- Punkten in zwei bis drei Tagen abgeschlossen ist. Dieser Zeitvorteil reduziert die Prüfstandskosten deutlich und ermöglicht eine wettbewerbsgerechte Abarbeitung der Wirkungsgrad-Benchmarks. Die UTCU verfügt über eine modulare Software, in der die Ansteuerung fast aller Getriebetypen hinterlegt ist. Die Umrüstzeiten nach einem Test auf ein neues Projekt mit einem anderen Getriebe-Konzept ist somit in wenigen Stunden darstellbar. Die UTCU kann sowohl als alleinige Steuereinheit, als auch als ein untergeordnetes Stellglied in einem Hybridverbund eingesetzt werden.
Der modulare Ansatz erlaubt es nicht nur, klassische Solenoidaktuatorik mit PWM und Trägerfrequenz zu betreiben, sondern auch BLDC-Aktuatorik. Diese wird in modernen Getrieben für nahezu alle Stellglieder verwendet.

Auf Bedarf optimiertes Messsetup

Ein weiteres Standbein der Benchmarking-Kompetenz von FEV ist die hauseigene Sonderinstrumentierung. FEV ist in der Lage, Drehmoment-Applikationen und 3-Phasen-Leistungsmessstellen in nahezu allen relevanten Positionen im Triebstrang einzubringen. Da handelsübliche Endpunktkalibration an thermisch-dynamischen Einsatzorten nicht die benötigte Genauigkeit bietet, verwendet FEV ein Kalibrierverfahren, welches die zu erwartende Last- und thermische Abhängigkeit erfasst und kompensiert. Die Genauigkeit von Messstellen wird anhand der erwarteten Gesamtgenauigkeit der Messkette ausgelegt. Somit werden Genauigkeitsüberlappungen von Messstellen durch parallel- oder in Reihe installierte Messsysteme vermieden. Unplausible Messergebnisse werden dadurch unterbunden.

V-P2: Drehmomentinstrumentierung der Starterwelle

Die Eignung von verketteten Genauigkeiten ist aber nicht allein der absoluten Genauigkeit geschuldet, sondern auch der benötigten Messsituation. Aus diesem Grund ist die Anforderung an die Genauigkeit immer eine Funktion aus Position, der absoluten Genauigkeit und des Messszenarios. Zusätzlich zum Einsatz von geeigneten Messmitteln werden die Messdaten abhängig vom benötigten Messszenario online oder im Post-Processing zu den benötigten Informationen verarbeitet. Die Anwendung dieses Bestimmungsverfahrens garantiert die Verwendung eines Messsetups, das sowohl den Genauigkeitsanforderungen vollständig genügt aber auch unnötig teure Präzisionsmesstechnik vermeidet, wenn diese nicht zwingend zur Erlangung der definierten Genauigkeit benötigt wird.

Mehrwert bei neuer Benchmark-Serie

FEV wird im Jahr 2018 eine standardisierte Getriebe-Benchmark-Serie aufsetzten, in der sowohl klassische automatisierte Getriebe wie auch CVT-, Hybrid- oder DHT-Getriebe untersucht werden. Ziel ist es, Wirkungsgrad und Schleppverluste (jeweils unter thermischen Einfluss), die Strategie, Schaltqualität und gegebenenfalls spezifische Besonderheiten zu erfassen. Es soll bewusst das Leistungsspektrum von Intensivbenchmarks auf eine standardisierte Serie ausgerollt werden. Entsprechend bietet FEV seinen Kunden preiswerte Lösungen mit einem deutlichen Mehrwert gegenüber üblichen kommerziellen Getriebebenchmarks.
Das Programm beinhaltet Fahrzeug- und Prüfstandsmessungen. In den Fahrzeugmessungen wird die Schaltqualität objektiv erfasst und eine toolgestützte Vermessung der Schaltstrategie durchgeführt. Zusätzlich werden die benötigten Informationen zur Bedatung der UTCU automatisiert erfasst und am Prüfstand bezüglich Schleppmoment und Wirkungsgrad – in Abhängigkeit von Temperatur und Betriebsstrategie – vermessen. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt absolut und in Relation zu den bereits vorhandenen Getriebedaten von FEV.

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