Beanspruchungsanalyse - Messen für den Fortschritt bei VW

 

Das Auto der Zukunft soll weniger Energie verbrauchen, weniger Schadstoffe ausstoßen und aus Materialien bestehen, die sich sinnvoll in einen ressourcen-schonenden ökologischen Kreislauf einfügen. Ein Schlüsselbegriff für den VW-Konzern ist dabei der Leichtbau mit Hybridstrukturen. Dafür benötigt man valide Daten. Die stammen in Wolfsburg auch von der Unterabteilung Beanspruchungsanalyse der Abteilung EGPF-Betriebsfestigkeit. Für komplexe und anspruchsvolle Applikationen setzen die VW-Meßingenieure den TEAC DAT-Datenrekorder RD-145T ein.
Der VW-Konzern verpflichtete sich 1990 freiwillig, den Kraftstoffverbrauch von Neufahrzeugen in den kommenden 15 Jahren um ein Viertel zu senken.
Schon seit 1995 liegt der Flottenverbrauch bei weniger als sieben Litern. Diesen Weg will man in Wolfsburg weitergehen. "Unser Ziel ist es", so Dr. Friedrich-Julius Quissek, Leiter der VW Konzernforschung, "in jeder Klasse einen Verbrauchsleader zu stellen". Die Nutzung der TDI-Technologie sei dabei ein Konzept, ein anderes die Gewichtreduzierung aller Fahrzeugkomponenten. Damit kommt dem Triebwerk eine Schlüsselstellung zu. Im Marktsegment der Kleinwagen wird oft vom sogenannten "Drei-Liter-Wagen"gesprochen. Wie bei allen anderen großen europäischen Automobilfirmen, läuft auch bei VW die Forschung in diesem Bereich auf Hochtouren. Mit neuartigen Motoren-Konzepten will man die magische Grenze unterbieten. Der harte Konkurrenzkampf veränderte bei VW die grundlegenden Strukturen der Forschung und Entwicklung. Die vernetzte, parallele Produktentwicklung im Rahmen der Plattformstrategie erzeugte deutliche Synergie-Potentiale.
Untersuchungen und Simulationen in der Frühphase der Entwicklung ermöglichen eine simultane Betrachtungsweise der ermittelten Erkenntnisse. Das gewährleisten die "Simultaneous Engineering Teams", die interdisziplinär in Entwicklung , Konstruktion, Versuch und Berechnung zusammenarbeiten. Das Resultat der gemeinsamen Anstrengung sind unter anderem die Fahrzeuge der A0 Klasse wie der VW Lupo und der Seat Arosa.

 

Messung hochdynamischer Kräfte

 

Ein neues Dreizylinder-Dieselaggregat mit Pumpe-Düse-Einspritztechnologie und Ausgleichswelle, 1,4 Litern und 55 kW soll die beiden Fahrzeuge künftig noch ressourcen- und damit letztendlich auch preisgünstiger antreiben. Nun hat ein Dreizylinder konzeptbedingt einen schlechteren Massenausgleich als ein Motor mit mehr Zylindern. Um dem Kunden die Motorvibration nicht zuzumuten, wurde im Triebwerk eine Ausgleichswelle integriert. Im Zusammenspiel mit der "weichen" Verbrennung des Kraftstoffs durch das Pumpe-Düse-Prinzip ist der Kraftzwerg ein überraschend kultivierter Motor. Da konstruktionsbedingt nur sehr wenig Platz vorhanden ist, wird die Ausgleichswelle über eine Antriebskette gesteuert, die gleichzeitig die Ölpumpe antreibt. VW-Ingenieur Holger Bünning stand nun vor der Aufgabe zu prüfen, ob die Kette den Anforderungen im harten Alltagsbetrieb über einen gesamten Lebenszyklus problemlos standhält. Um eine realitätsnahe Überprüfung der Kette durchführen zu können, mußte er eine Möglichkeit finden, am laufenden Motor die hochdynamischen Kräfte zu messen, der die Kette während ihres Umlaufs um insgesamt vier Räder ausgesetzt ist. Letztlich blieb nur die Möglichkeit, mit einer extrem miniaturisierten DMS-Applikation über eine Telemetriestrecke zu messen. "Wir standen vor der Schwierigkeit die Anwendung in einem sehr kleinen Raum durchführen zu müssen, zudem waren die anzunehmenden Meßgrößen mit 0,3 mV/V sehr gering" , erinnert sich Bünning.

 

TEAC RD-145T

 

Dabei bewährte sich die Flexibilität des TEAC RD-145T, primär seine maximalen Summenabtastrate von 192 KHz. Im Doublespeed-Modus kann die maximale Anzahl von 16 Kanälen reduziert werden. Werden z.B. nur vier Kanäle selektiert, steigt die Bandbreite auf respektable 20 KHz. Damit war sichergestellt, daß aussagekräftige Daten aufgezeichnet wurden. Das extrem niedrige Grundrauschen des TEAC Rekorders RD-145 unterstützte dabei die Aufnahme der sensiblen Signale. Bevor jedoch gemessen werden konnte, wurden Dehnungsmeßstreifen (DMS) auf die Kettenglieder appliziert und anschließend auf die Kettenkraft kalibriert. Auch mußte die behandelte Kette wieder in den Motor eingebaut werden, denn die Messung erfolgte über Telemetrie am befeuerten Motor. Was so einfach klingt, ist für die VW-Mitarbeiter diffizile Feinarbeit, bei der sie häufig neue Methoden anwenden mußten. Die Messingenieure wollten vor allem Aufschluß über folgende Kenngrößen gewinnen:

  • Kraftverlauf über den gesamten Kettenweg • Spitzenkräfte • Amplitudenverlauf der Kettenkräfte über der Motordrehzahl Die genaue Kenntnis der belastungsrelevanten Parameter läßt dann eine effiziente Bauteileoptimierung zu, z.B. um die Kette, den Umlenkwinkel, die Ritzelanordnung oder die Kettenspannereinstellung zu ändern.