VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SIMULATION EINER REALSTRUKTUR

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur experimentellen Simulation statischer oder dynamischer Wirkungen von physikalischen Belastungsgrößen von wenigstens einer Realstruktur auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur. Als Realstruktur sind mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Baueinheiten, in Form von Maschinen oder Maschinenteile oder sonstigen technischen Strukturen zu verstehen. überdies werden eine Vorrichtung sowie ein Verfahren beschrieben, mit der bzw. mit dem die Simulation einer Realstruktur sowie Prüfkörperstruktur zu Zwecken der Untersuchung der Eigenschaften einer Schnittstelle möglich ist, über die die Realstruktur mit der Prüfkörperstruktur verbunden sind. Prüfkörperstrukturen wie auch Realstrukturen können aus einer wie auch mehreren Komponenten bestehen. Physikalische Belastungsgrößen können beispielsweise mechanische Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen wie z.B. Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte, Momente sein.

Stand der Technik

Für die Entwicklung neuartiger Strukturen, die sich aus einer Vielzahl einzelner Komponenten zusammensetzen, spielt die Kenntnis über die Festigkeit und Lebensdauer jeder einzelnen Komponente im konstruktiven Zusammenspiel mit allen übrigen die Gesamtstruktur ergebenden Komponenten eine zentrale Rolle. Um möglichst realitätsnahe Aussagen über das Systemverhalten einzelner, in einer

realen Gesamtstruktur eingebundener Komponenten treffen zu können, dienen bis anhin individuell ausgebildete Prüfeinrichtungen, vermittels welcher der real existierende Strukturen und Systeme hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften unter Belastung geprüft werden können. Gilt es beispielsweise einzelne Fahrwerkskomponenten eines Kraftfahrzeuges bezüglich ihrer mechanischen Eignung und Belastbarkeit zu überprüfen, so werden häufig vollständig montierte Fahrzeugachsen in die Prüfmaschine eingebaut, um die Interaktion zwischen den einzelnen Komponenten und dem Gesamtsystem möglichst realitätsnah nachzubilden. Es liegt auf der Hand, dass insbesondere bei großbauenden und schwergewichtigen, insbesondere mechanischen Systemen der hierfür erforderliche Prüfaufwand immens ist. Trotz aller diesbezüglicher Anstrengungen bestimmte Einzelkomponenten in einen möglichst realitätsnah nachgebildeten mechanischem Strukturumfeld zu überprüfen, ist es mit derartigen Prüfaufbauten dennoch nicht möglich, das Verhalten der realen Gesamtstruktur uneingeschränkt realistisch darzustellen, zumal häufig nur Teilsystemabschnitte als eine die Realstruktur repräsentierende Prüfumgebung zu Prüfzwecken eingesetzt werden können, so dass die ermittelten Prüfergebnisse verfälscht werden.

Heutzutage werden in der Entwicklung und Konstruktion häufig software-gestützte Konstruktionsprogramme eingesetzt, mit denen es möglich ist, in iterativen Entwicklungsstufen Entwicklungsergebnisse in Form numerisch vorliegender Modelle zu generieren. Sollen zu bestimmten Entwicklungsstadien experimentelle Simulationen an den vorliegenden Komponenten oder Baugruppen durchgeführt werden, beispielsweise um die Entwicklung zu parallelisieren oder um möglichst früh Kenntnisse über die Lebensdauer derartiger Komponenten zu erhalten, müssen die numerischen Modelle in Prototypen überführt werden, die wiederum mit den vorstehend genannten Prüftechniken untersucht werden. Es steht außer Frage, dass bereits die Umsetzung numerisch vorliegender Prototypenstrukturen in reale, mit gängigen Prüftechniken zu untersuchende Prototypen sehr kostenintensiv ist.

Im Zusammenhang mit dem vorstehend bereits zitierten konkreten Anwendungsbeispiel hinsichtlich der überprüfung von Fahrwerkskomponenten sind

Prüfaufbauten bekannt, in denen Aktoren zur Einleitung von Kräften und Momenten in eine jeweilige Fahrwerkskomponente vorgesehen sind, um die auf die jeweilige Komponente bei Normalbetrieb einwirkenden realen Belastungen möglichst nachzubilden. So geht aus einem Beitrag von Lünenbürger, A., „Versuchszeitreduzierung bei Betriebslasten-Nachfahrversuchen an Achssystemen, Meß- und Versuchstechnik im Fahrzeug", Tagung Mainz, 29. bis 30. April 1999, VDI- Berichte No. 1470, VDI-Verlag Düsseldorf, ISBN 3-18-091470-X, hervor, dass eine aktorische Einleitung von Schwingungsbelastungen mit Hilfe wenigstens eines geeigneten Aktors in eine zu untersuchende Fahrwerkskomponente zu Zwecken einer Dauerbelastungsprüfung durchgeführt wird und dies aus Gründen einer Versuchszeitverkürzung mit höheren Prüffrequenzen, die an die zu untersuchende Komponente appliziert werden.

Darstellung der Erfindung

Zur Prüfung der Eigenschaften unter Belastung einzelner, in einer Realstruktur enthaltenen oder mit dieser verbundenen Komponenten, im Weiteren werden diese Komponenten jeweils als Prüfkörperstruktur beschrieben, gilt es eine Prüfumgebung zu schaffen, in der es für die Einleitung möglichst realitätsnaher Beanspruchungen in eine Prüfkörperstruktur notwendig ist, die realen Ankoppelbedingungen zwischen der Realstruktur und der jeweils zu untersuchenden Prüfkörperstruktur nachzubilden. Wie vorstehend beschrieben wird dies bisher dadurch erreicht, indem die Realstruktur oder wenigstens Teile der Realstruktur in die Prüfumgebung eingebunden wird, was jedoch mit einem erheblichen apparativen und kostenintensiven Aufwand verbunden ist. Des Weiteren muss für jede zu überprüfende Prüfkörperstruktur und eine mit dieser über eine Schnittstelle entsprechend zu verbindende Realstruktur eine eigens individuell ausgebildete Prüfumgebung geschaffen werden, wodurch zu den bereits erwähnten erheblichen Kostenaufwendungen ein Zeitproblem erwächst, durch das einzelne Entwicklungsstadien zeitverzögert durchgeführt werden können. Hierbei ist unter dem Begriff der Realstruktur eine Baueinheit in Form einer mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Struktur oder in Form einer aus den vorstehenden Strukturen kombiniert zusammengesetzten Hybridstruktur zu

verstehen, die selbst über eine Eigendynamik und/oder über ein individuelles Dämpfungsverhalten und insbesondere über eine Eigenelastizität verfügt, die gesamtheitlich auf eine mit der Realstruktur verbundene Prüfkörperstruktur wirken. Ausdrücklich nicht von der Begrifflichkeit Realstruktur umfasst sollen rein passive, über eine im mechanischen Sinne unendliche Masse verfügende Objekte sein, wie bspw. Strassen, Gebäude oder ähnliches.

Die vorstehenden Nachteile gilt es zu vermeiden, vielmehr soll ein Verfahren sowie eine Vorrichtung angegeben werden, mit dem bzw. mit der eine hocheffiziente, in Bezug auf Kosten und Zeitaufwand optimierte Belastungsprüfmöglichkeit für an beliebig ausgebildete Realstrukturen fügbare Prüfkörperstrukturen möglich wird. Die lösungsgemäße Vorrichtung sowie das entsprechend angegebene lösungsgemäße Verfahren soll überdies die Möglichkeit schaffen, auch die mechanische Belastbarkeit der zwischen einer beliebig ausgebildeten Prüfkörperstruktur und einer entsprechend beliebig ausgebildeten Realstruktur vorhandenen Schnitt- bzw. Fügestelle zu untersuchen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1 , 3, 13 und 15 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Idee basiert auf dem teilweisen oder vollständigen Ersatz der Realstruktur durch wenigstens eine Aktoreinheit, mit der die Realstruktur und insbesondere die statischen und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur am Ort der Schnittstelle, an der die Prüfkörperstruktur mit der Realstruktur verbindbar ist, simuliert werden. Durch eine geeignete Ansteuerung der wenigstens einen Aktoreinheit ist für die zu untersuchende Prüfkörperstruktur kein Unterschied beispielsweise im mechanischen Verhalten in Bezug auf die wenigstens eine Schnittstelle erkennbar, über die die Prüfkörperstruktur mit der wenigstens einen, die Realstruktur simulierenden Aktoreinheit verbunden ist.

Hierbei wird unter einer Aktoreinheit ein Energiewandlersystem verstanden, das eine Energieform in eine andere überführt. Typischerweise handelt es sich um mechanische Aktoren wie Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder oder piezokeramische Aktoren.

Für den Fall, dass die thermischen oder allgemein, die energetischen Wirkungen seitens der Realstruktur über die wenigstens eine Schnittstelle auf die Prüfkörperstruktur zu simulieren sind, sind entsprechend konfektionierte Aktoreinheiten in Form von Magnetfeldgeneratoren, Akustikwandler oder Heiz- bzw. Kühlelemente alternativ oder in Kombination zu den vorstehend genannten, mechanischen Aktoreinheiten an der Schnittstelle, stellvertretend für die Realstruktur oder zumindest Teilbereiche der Realstruktur vorzusehen. Die weiteren Ausführungen beziehen sich jedoch vornehmlich, ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens, der die vorstehenden Wirkungsalternativen mit umfasst, auf mechanische Belastungsgrößen, die es zu erfassen und entsprechend zu simulieren gilt.

Ein besonderes Interesse am lösungsgemäßen Verfahren liegt in der Simulation elastischer Eigenschaften der wenigstens einen Realstruktur sowie deren physikalische Rückwirkungen auf eine über eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbundene Prüfkörperstruktur.

Das lösungsgemäße Verfahren zur experimentellen Simulation von statischen oder dynamischen Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen, vorzugsweise von mechanischen Größen wie, Kräfte, Momente, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Wege oder elastische Eigenschaften, wie Dehnungs-, Schwingungs-, Dämpfungsvermögen etc., von wenigstens einer Realstruktur auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbare Prüfkörperstruktur setzt sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte zusammen,

Zunächst ist es erforderlich, die physikalischen Belastungsgrößen an der wenigstens einen Schnittstelle der Realstruktur hinsichtlich ihrer statischen und dynamischen Eigenschaften zu ermitteln, ein Vorgang der entweder auf Basis numerischer Berechnungen erfolgt oder mittels sensorischer Erfassung an einer real ausgebildeten und im Betrieb befindlichen Realstruktur. Die im Wege der vorstehenden Ermittlung erhaltenen Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen werden in Form eines mit Hilfe einer geeigneten Rechner- oder Logikeinheit auswertbaren Datensatzes abgespeichert. Im Weiteren wird wenigstens eine Aktoreinheit anstelle der Realstruktur am Ort der wenigstens einen Schnittstelle vorgesehen, die mit der Prüfkörperstruktur unter Ausbildung einer beispielsweise mechanischen Wirkverbindung verbunden wird.

Soll die gesamte Realstruktur substituiert werden, so gilt es an allen Schnittstellen zwischen der Prüfkörperstruktur und der Realstruktur geeignet ausgebildete Aktoreinheiten vorzusehen. In Fällen, in denen jedoch nur Teilbereiche der Realstruktur simuliert werden sollen, kann die Prüfkörperstruktur an einigen Schnittstellen tatsächlich mit der Realstruktur verbunden bleiben und an ausgewählten weiteren, zu simulierenden Teilbereichen der Realstruktur sind entsprechende Aktoreinheiten vorzusehen.

Wenigstens die eine mit einer Schnittstelle zur Prüfkörperstruktur verbundene Aktoreinheit wird im Weiteren auf der Grundlage des die Wirkung physikalischer Belastungsgrößen der Realstruktur repräsentierenden Datensatzes zur Simulation der auf den Prüfkörper einwirkenden physikalischer Belastungsgrößen der Realstruktur angesteuert.

Um zu gewährleisten, dass die Einleitung der physikalischen Belastungsgrößen in einer kontrolliert und exakt vorgegebenen Weise über die wenigstens eine Aktoreinheit in den Bereich der Schnittstelle erfolgt, ist ein geregelter bzw. gesteuerter Betrieb der wenigstens einen Aktoreinheit vorteilhaft. Hierzu werden die durch die wenigstens eine Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle auf die Prüfkörperstruktur eingeleiteten physikalischen Belastungsgrößen sensoriell erfasst,

wodurch Kenntnis über das aktuelle Systemverhalten an der wenigstens einen Schnittstelle gewonnen wird. Für eine nahezu realistische Nachbildung bzw. Simulation der Realstruktur an der Schnittstelle zur Prüfkörperstruktur erfolgt somit die Ansteuerung der wenigstens einen Aktoreinheit auf der Grundlage eines Abgleichens zwischen der sensoriell erfassten tatsächlichen Wirkung der Aktoreinheit im Bereich der Schnittstelle mit dem die physikalischen Belastungsgrößen der Realstruktur repräsentierenden Datensatz. Je nach Anzahl der zwischen der Prüfkörperstruktur und der zu simulierenden Realstruktur vorzusehenden Schnittstellen sind für eine reale Nachbildung der statischen und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur an jeder einzelnen Schnittstelle entsprechend ausgelegte Aktoreinheiten vorzusehen, die die physikalischen Belastungsgrößen, vornehmlich die mechanischen Größen, wie Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, in allen erforderlichen Freiheitsgraden generieren; zumeist reichen für eine reale Nachbildung der mechanischen Eigenschaften der Realstruktur Aktorwirkungen in sechs unterschiedlichen Freiheitsgraden aus.

Je nach einem zu erzeugenden Kräfte- bzw. Momentenmuster eignen sich als Aktoreinheiten z.B. hydraulische, pneumatische oder elektromotorische Aktoreinheiten, die in Alleinstellung oder in Kombination eingesetzt werden können. Weiterhin eignen sich insbesondere multifunktionale Wandlerwerkstoffe, wie beispielsweise piezoelektrische Materialien.

Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung bzw. des lösungsgemäßen Verfahrens eröffnet sich überdies die Möglichkeit, durch bloßen Austausch bzw. bloße Variation des die Wirkung der physikalischen Belastungsgrößen seitens eines Realsystem beschreibenden und repräsentierenden Datensatzes vollkommen unterschiedliche Realstrukturen zu simulieren ohne diese real nachbilden zu müssen. Durch Austausch dieser Systembeschreibung kann durch spezielle Ansteuerung der wenigstens einen Aktoreinheit das statische und dynamische Systemverhalten beliebiger Realstrukturen simuliert werden.

Hierdurch kann sowohl der experimentelle aber insbesondere auch der finanzielle Aufwand, der mit der Bereitstellung einer Realstruktur verbunden ist, vollständig vermieden werden. Gilt es beispielsweise Zubehörteile für komplex gestaltete Systeme zu entwickeln, wie beispielsweise Radaufhängungen an KFZ- Antriebsachsen, so können als Prototypen vorliegende Radaufhängungsstrukturen unter realitätsnahen Randbedingungen untersucht werden, um zielorientierte Produktverbesserungen vornehmen zu können. Der hierfür erforderliche Prüfaufbau sowie Prüfaufwand kann gegenüber herkömmlichen Prüfeinrichtungen deutlich vereinfacht werden, zumal keine Originalkomponenten als Realitätsstrukturen erforderlich sind. Auch an der Realstruktur vorzunehmende änderungen können durch einfache numerische Manipulationen am vorliegenden, die Realstruktur repräsentierenden Datensatz vorgenommen werden.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung sowie das damit verbundene Verfahren zur Simulation physikalischer Belastungsgrößen seitens einer Realstruktur auf eine über wenigstens eine Schnittstelle mit der Realstruktur verbindbaren Prüfkörperstruktur dient der Vermeidung des Einsatzes einer real vorliegenden Realstruktur. Hierdurch lässt sich eine mit einer Realstruktur zu verbindende Prüfkörperstruktur in ihren statischen und dynamischen Eigenschaften zum Zwecke einer schnellen und ökonomischen Produktentwicklung untersuchen. Diesen lösungsgemäßen Gedanken in konsequenter Weise weitergebildet führt zu einer Vorrichtung und einem Verfahren bei der bzw. bei dem sowohl die vorstehend beschriebene Realstruktur, als auch der Prüfkörperstruktur mit der gleichen Zielsetzung wie vorstehend beschrieben jeweils durch wenigstens eine Aktoreinheit substituiert werden, d.h. die über wenigstens eine Schnittstelle in Wirkverbindung stehenden Aktoreinheiten vermögen die statischen und dynamischen Eigenschaften sowohl der realen Prüfkörperstruktur als auch der Realstruktur im Bereich der Schnittstelle realitätsnah nachzubilden. In diesem Fall ist es möglich, die Schnittstelle selbst zu untersuchen, ohne dabei den prüftechnischen Aufwand einer realen Ausbildung und Bereitstellung von Prüfkörperstruktur und Realstruktur betreiben zu müssen.

In gleicher weise, in der wie vorstehend beschrieben, die wenigstens eine, die Realstruktur repräsentierende Aktoreinheit im Rahmen eines Regelkreises unter Zugrundelegung einer die stationären und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur repräsentierenden Datensatzes angesteuert wird, gilt es auch, die wenigstens eine, die Prüfkörperstruktur substituierende Aktoreinheit in gleicher Weise anzusteuern. Sowohl für die Ermittlung des die statischen und dynamischen Eigenschaften der Prüfkörperstruktur repräsentierenden Datensatzes als auch für die regeltechnisch und sensoriell überwachte Ansteuerung der wenigstens einen, die Prüfkörperstruktur ersetzende Aktoreinheit gelten die gleichen Maßnahmen und Vorkehrungen, die vorstehend zur Simulation der Realstruktur unter Verwendung wenigstens einer die statisch und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur nachahmenden Aktoreinheit erläutert worden sind.

Das vorstehend ausgeführte lösungsgemäße Verfahren sowie die damit verbundene Vorrichtung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf konkrete Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mechanische Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen. Daneben sind weitere Wirkungen physikalischer Belastungsgrößen wie z.B. thermische, magnetische, elektrische, chemische, akustische abbildbar, auf die jedoch nicht weiter eingegangen wird. Es zeigen:

Fig. 1a-d a) schematisierte Prüfszenario zur experimentellen Simulation einer Realstruktur, b) schematisierte Darstellung einer Prüfkörperstruktur mit einer über zwei Schnittstellen verbundenen Realstruktur, c, d) weitere schematisierte Prüfszenarien

Fig. 2a Darstellung eines herkömmlichen Prüfaufbaus zur Untersuchung

einer Anhängevorrichtung an einem Kraftfahrzeug,

Fig. 2b lösungsgemäß ausgebildete Prüfvorrichtung zur Untersuchung einer Anhängevorrichtung,

Fig. 3a, b a) Darstellung eines herkömmlichen Versuchsaufbau zur Untersuchung der Lagerung eines Schiffsmotors, b) Darstellung eines lösungsgemäßen Versuchsaufbaus zur Untersuchung der auf die Schnittstelle einwirkenden Kräfte gemäß des Versuchsaufbaus in Figur 3a.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Figur 1a ist ein allgemein gültiges schematisiertes Ausführungsbeispiel zur Erläuterung einer Prüfkörperstruktur 1 bzw. Spm _f dargestellt, die über eine Vielzahl von Schnittstellen 2 in statischer und/oder dynamischer Wechselwirkung mit unterschiedlichen Realstrukturen Si, S ₂ ...S _n oder unterschiedlichen Bereichen einer Realstruktur 3 steht. Die der lösungsgemäßen Vorrichtung zugrunde liegende Idee besteht in der Substitution der Realstrukturen Si, S ₂ .. -S _n oder Bereiche der Realstruktur 3 durch die statischen und dynamischen Eigenschaften der Realstruktur längs der einzelnen Schnittstellen 2 simulierende Aktoreinheiten. In Figur 1 b ist hierzu stark schematisiert eine Prüfkörperstruktur 1 bzw. S _Prü1 dargestellt, die über zwei Schnittstellen 2 mit jeweils einer multiaxialen Aktoreinheit 4 verbunden ist, von der jede einzelne Aktoreinheit 4 mechanische Belastungen wie Kräfte, Momente, Geschwindigkeiten usw. auf die Prüfkörperstruktur 1 derart überträgt, so dass die Prüfkörperstruktur 1 in gleicher weise mechanischen Belastungen unterworfen ist, als wäre die Prüfkörperstruktur 1 tatsächlich mit einer Realstruktur verbunden.

Um eine möglichst realitätsgetreue Nachbildung der statischen sowie auch dynamischen Belastungen und Randbedingungen auf die Prüfkörperstruktur 1 durch die Aktoreinheiten realisieren zu können, werden die durch die jeweiligen Aktoreinheiten 4 auf die Prüfkörperstruktur 1 einwirkenden Kräfte / Momente Geschwindigkeiten u.a. mit Hilfe geeigneter Sensoren 5 erfasst, deren Sensorsignale

jeweils über eine Regeleinheit R ₁ , R ₂ rückgeführt werden, in denen die Sensorsignale durch Abgleich mit entsprechenden Referenzdaten, die dem realen Belastungsmuster durch die Realstruktur entsprechen, verglichen werden, um entsprechende Regelsignale zur Ansteuerung der jeweiligen Aktoreinheit 4 zu generieren. Dies ermöglicht einen geregelten sowie gesteuerten Betrieb der Aktoreinheiten 4, die über entsprechende Gegenlager 6 abgestützt sind und somit zugleich auch die Last der Prüfkörperstruktur 1 vollständig aufzunehmen vermögen.

Das in Figur 1c dargestellte Prüfszenario soll verdeutlichen, dass nicht notwendiger Weise an alle Schnittstellen 2 zwischen der Prüfkörperstruktur 1 und den Realstrukturen S1 , S2, ..., Sn oder den Bereichen einer Realstruktur 3 anstelle der Realstruktur jeweils eine Aktoreinheit vorzusehen sind, vielmehr sind Prüfungen an Prüfkörperstrukturen denkbar, die während der Belastungsprüfung mit wenigstens einer Realstruktur 3* verbunden bleiben.

In Figur 1d ist ein Fall dargestellt, bei dem zwei Prüfkörperstrukturen 1 und 1' über wenigstens eine Schnittstelle 2' verbunden sind. Selbstverständlich können noch weitere Prüfkörperstrukturen über entsprechende weitere Schnittstellen miteinander verbunden bzw. gekoppelt sein. Zur Belastungsprüfung der miteinander gekoppelten Prüfkörperstrukturen 1 und 1' werden, wie vorstehend beschrieben, an allen oder nur an ausgewählten Schnittstellen 2 Aktoreinheiten zur Simulation der statischen oder dynamischen Eigenschaften der Realstruktur vorgesehen. Zusätzlich ist es möglich die zwischen beiden Prüfkörperstrukturen 1 und 1' vorhandene Schnittstelle 2' ebenfalls mit wenigstens einer Aktoreinheit zu versehen, mit der die statischen oder dynamischen Eigenschaften einer oder beider Prüfkörperstrukturen simuliert werden können. Werden alle beteiligten Real- (3, 3 ¹ ) und Prüfkörperstrukturen (1. 1 ') jeweils durch eine Aktoreinheit ersetzt, so lassen sich die Schnittstellen selbst in Ihren Belastungseigenschaften untersuchen.

In der Bilddarstellung gemäß Figur 2a ist eine herkömmliche Situation dargestellt, um die Betriebsfestigkeitsprüfung von PKW-Anhängevorrichtungen 7 in einem möglichst realitätsnahen Prüfumfeld durchzuführen. Hierzu wird ein reales Kraftfahrzeug 8 in

einen hierfür angepassten Prüfstand 9 integriert, wobei die zu überprüfende Anhängervorrichtung 7 in bestimmungsgemäßer Weise mit dem Kraftfahrzeug 8 verbunden wird. Auf diese Weise können die Randbedingungen realitätsnah dargestellt werden, so dass auch in der gesamten Anhängevorrichtung jene mechanischen Beanspruchungen erzeugt werden, die sich auch während des realen Betriebes des Kraftfahrzeuges 8 einstellen. Um die Beanspruchungen in der zu untersuchenden Prüfkörperstruktur, d.h. innerhalb der PKW-Anhängevorrichtung 7, zu erfassen, werden zusätzliche Belastungen beispielsweise über einen hydraulischen Prüfzylinder 10 auf die Anhängevorrichtung 7 eingebracht. Dies erfolgt durch entsprechende Einleitung von Kräften Fi, F ₂ , F ₃ sowie Verschiebungen X ₁ , X ₂ und X ₃ jeweils längs der in Figur 2a dargestellten Raumrichtungen. Um die Beanspruchung innerhalb der Prüfkörperstruktur 7 zu erfassen, kann der Spannungszustand innerhalb der Anhängevorrichtung 7 mit Hilfe geeignet angebrachter Dehnmessstreifen 11 erfasst.

Es liegt auf der Hand, dass das in Figur 2a dargestellte Prüfszenario die Notwendigkeit zumindest einer KFZ-Rohkarosserie erfordert, an die die zu prüfende Anhängevorrichtung 7 anzubringen ist. Dies erhöht zum einen den Prüfaufwand, zum anderen sind in frühen Phasen der Gesamtfahrzeugentwicklung häufig keine Karosserieprototypen verfügbar. Im Weiteren stellt sich für den Hersteller universell einsetzbarer Anhängevorrichtungen das Problem, dass für jeden unterschiedlichen Fahrzeugtyp eine Extrakarosserie oder entsprechende Teile der Karosserie zur Verfügung gestellt werden müssen.

In Figur 2b ist eine lösungsgemäße Prüfsituation gezeigt, bei der die Anhängevorrichtung 7 anstelle der KFZ-Karosserie jeweils an ihren bestimmungsgemäßen Schnittstellen 2 mit jeweils einer Aktoreinheit 12, 13 verbunden ist, über die realitätsnah die gleichen Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen auf die Anhängerkupplung 7 eingeleitet werden, gleichsam jenem Fall, in dem die Anhängervorrichtung 7 an der realen Fahrzeugkarosserie montiert wäre. Die Krafteinleitung durch die Aktoreinheiten 12, 13 zur realitätsnahen Simulation der Realstruktur in Form einer KFZ-Karosserie

erfolgt an jeder Schnittstelle 2, vorzugsweise um sechs räumliche Freiheitsgrade, wobei jede einzelne Aktoreinheit 12, 13 aus hybrid zusammengesetzten, einzelnen Aktoren bestehen kann. Beispielsweise zur Einleitung niederfrequenter Schwingungen in den Bereich der Schnittstelle dienen hydraulische oder pneumatische Prüfzylinders, zur Einkopplung hochdynamischer bzw. hochfrequenter Schwingungen sind hingegen elektrodynamischer Shaker oder Aktoren, die auf Basis multifunktionaler Werkstoffe arbeiten, geeignet. Diese Aktorsysteme können in geeigneter Weise kombiniert werden, um das gesamte Schwingungsbelastungsspektrum abdecken zu können.

Jede einzelne Aktoreinheit 12, 13 wird in einer Weise aktiviert, die den statischen dynamischen Eigenschaften der Realstruktur entsprechen. Hierzu ist es erforderlich, das statische und dynamische Verhalten der Realstruktur in jedem relevanten Betriebszustand, der durch unterschiedliche Frequenzbereiche charakterisierbar ist, zu kennen um die entsprechenden Aktoreinheiten in geeigneter Weise anzusteuern bzw. zu regeln. So gilt es bei der Simulation einer Kraftfahrzeugkarosserie bspw. ihre innewohnende Federsteifigkeit sowie auch ihr Dämpfungsverhalten statisch wie auch dynamisch mit Hilfe der Aktoreinheiten 12, 13 zu simulieren. In Analogie zur Elektrotechnik, bei der das Verhalten elektrischer Schaltungen, die zumeist als Blackbox aufgefasst werden und durch das Verhältnis aus Spannung und Strom beschreibbar sind, wofür der Begriff Impedanz verwendet wird, wird der Begriff der Impedanz auch auf mechanische Systeme angewendet. Im Falle mechanischer Systeme, wie im Falle der KFZ-Karosserie gemäß dem Ausführungsbeispiel in der Figur 2a, wird die Impedanz Z als Verhältnis zwischen Kraft und Geschwindigkeit definiert, mit der die Realstruktur auf die jeweiligen Schnittstellen einwirkt. Für jede Schnittstelle kann somit eine Impedanzformulierung gefunden werden, die das Verhältnis zwischen Kraft und Geschwindigkeit beschreibt. Um das richtige statische und dynamische Verhalten der Realstruktur am Ort einer Schnittstelle zu jedem Zeitpunkt abzubilden, muss die Impedanz Z für jede Schnittstelle bekannt sein. Um die Impedanz Z für jede einzelne Schnittstelle 2 zu erhalten kann auf Messungen zurückgegriffen werden, in denen die Kraft F sowie die Auslenkungsgeschwindigkeiten v an jeder Schnittstelle an einer im Betrieb

befindlichen Realstruktur vermessen werden. Ebenfalls ist es möglich, durch numerische Simulation die von einer Realstruktur über eine Schnittstelle übertragene Kraft sowie die dynamische Auslenkungsgeschwindigkeit, mit der die Schnittstelle durch den Betrieb der Realstruktur in Bewegung versetzt wird, zu erhalten. In der Regel ergibt sich so ein Impedanzverlauf Z der abhängig von der Frequenz ist, so dass sich typischerweise ein komplexer Zusammenhang zwischen dem Bewegungsbzw. Schwingungsmuster der Realstruktur in Abhängigkeit ihres Betriebszustandes sowie den über die jeweilige Schnittstelle übertragenen Kräften und Auslenkgeschwindigkeiten ergibt.

Für die Ansteuerung bzw. Regelung der die Realstruktur substituierenden Aktoreinheiten 12, 13 gilt es, die Aktoreinheiten zu jedem Zeitpunkt und somit auch in allen Frequenzbereichen unter Zugrundelegung der ermittelten frequenzabhängigen Impedanz Z anzusteuern. Um das auf die Anhängevorrichtung 7 übertragene simulierte statische und dynamische Verhalten der Realstruktur so realitätsnah wie nur möglich übertragen zu können, werden im Bereich der Schnittstellen 2 entsprechende Sensoraufnehmer, beispielsweise in Form von Kraft und Geschwindigkeitsaufnehmern vorgesehen, die den aktuellen Belastungszustand der Anhängevorrichtung im Bereich der Schnittstelle erfassen. Die auf diese Weise erhaltenen Sensorsignale werden über Regeleinrichtungen Ri und R ₂ den Aktoreinheiten 12, 13 zugeführt, um im Rahmen eines Regelkreises das statische und dynamische Systemverhalten der simulierten Realstruktur realitätsnah nachzubilden. Die Impedanzbeschreibung stellt nur eine beispielhafte Möglichkeit dar das Verhalten zu beschreiben.

Die auf die Anhängevorrichtung 7 einwirkende Belastung, die zur Untersuchung der Beanspruchbarkeit der Anhängevorrichtung 7 erforderlich ist, wird gleichfalls zwecks einer möglichst realitätsnahen Nachbildung tatsächlich auf die Anhängevorrichtung einleitenden Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen mit Hilfe einer Aktoreinheit, die zumeist als hydraulischer Prüfzylinder 10 ausgebildet ist, bewerkstelligt. Hierzu wirkt der hydraulische Prüfzylinder 10 unmittelbar auf den Anhängekopf der Anhängevorrichtung 7 ein.

Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorrichtung kann auf die Verwendung von Karosserien oder Teilen von Karosserien vollständig verzichtet werden, wodurch der gesamte Versuchsaufbau sehr flexibel und kompakt realisiert werden kann. Insbesondere können unterschiedliche Karosserietypen in ein und dem gleichen Prüfstand untersucht werden, ohne dass konstruktive Umbauten erforderlich sind, zumal die Karosserien lediglich virtuell in entsprechend ermittelten Datensätzen, wie eingangs beschrieben, vorliegen. Zwar bedarf es zur erfolgreichen Durchführung der Prüfstrukturuntersuchung zunächst eines erhöhten Aufwandes hinsichtlich der Ermittlung von Daten, die die statischen und dynamischen Eigenschaften einer Realstruktur beschreiben, doch können nach Vorlage derartiger Informationen umfangreiche Untersuchungen an nahezu beliebig ausgeführten Prüfkörperstrukturen durchgeführt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Beschreibung der lösungsgemäßen Vorgehensweise zur Belastungsprüfung von Prüfkörperstrukturen ist in Figur 3a und b dargestellt. Gemäß Figur 3a ist ein herkömmlicher Versuchsaufbau gezeigt, mit dem die Motorlagerung z.B. von Schiffsaggregaten untersucht werden kann. Derartige Motorlagerungen haben im wesentlichen zwei Aufgaben: Zum einen müssen sie die mechanischen Lasten M(t) der im Betrieb befindlichen Schiffsaggregate 14 ertragen, zum anderen sollen sie die übertragung mechanischer Schwingungen möglichst reduzieren, um Schwingungs- und Lärmquellen zu vermeiden die anderenfalls zu Lärmbelästigung, Komfortreduzierungen oder Schallabstrahlung führen. üblicherweise stehen Schiffsaggregate 14 auf geeignet ausgebildete Lager 15, die ihrerseits auf einem stabilen Untergrund 16 lasten, der bspw. Teil der Schiffsstruktur ist. Um die Lager 15 an die gegebenen Betriebsbedingungen möglichst optimal anzupassen, bedurfte es bisher der Inbetriebnahme geeignet ausgebildeter Schiffsaggregate und der Durchführung entsprechender Untersuchungen gemäß dem Versuchsaufbau in Figur 3a. Mit Hilfe der lösungsgemäßen Vorgehensweise ist es jedoch möglich, die Ankoppelbedingungen des Schiffsaggregates 14 auf einem stabilen Untergrund 16 experimentell zu simulieren. Wie bereits vorstehend dargelegt können die hierfür

erforderlichen Daten und Informationen entweder aus Messungen an realen Strukturen abgeleitet werden oder aus numerischen Modellen stammen. In Figur 3b ist hierzu ein lösungsgemäßer Aufbau für einen experimentellen Versuchsaufbau gezeigt, bei dem einerseits eine Aktoreinheit 17 das statische und dynamische Verhalten hinsichtlich auftretender Kräfte, Momente, Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen des Schiffsaggregates 14 simuliert, andererseits eine weitere Aktoreinheit 18, die die Einleitung von Kräften und Momenten simuliert, die das Lager 15 seitens der stabilen Unterlage 16 erfährt. Auch in diesem Fall erfolgt die Ansteuerung der Aktoreinheiten 17, 18 geregelt, indem das aktuelle Schwingungsverhalten an den Schnittstellen zwischen Aktoreinheiten und Lager 15 sensoriell erfasst wird und die dabei gewonnenen Sensorsignale über Regeleinheiten R1 , R2 zur geregelten Ansteuerung der Aktoreinheiten 17, 18 zurückgeführt werden.

Mit Hilfe einer derartigen Versuchsdurchführung ist es möglich, Lagerungen 15 hinsichtlich ihrer Belastbarkeit bei unterschiedlichen Belastungssituationen zu überprüfen, ohne die Notwendigkeit real existierende Schiffsaggregate für Versuchszwecke bereitstellen zu müssen. Wesentlicher Vorteil dieser Prüfumgebung ist die frühzeitige experimentelle Untersuchung des

Schwingungsübertragungsverhaltens der Motorlager 15 insbesondere in Hinblick auf die damit verbundenen Komfort mindernden Auswirkungen.

Bezugszeichenliste

Prüfkörperstruktur Schnittstelle Realstruktur Aktoreinheit Sensor festes Gegenlager Anhängevorrichtung Kraftfahrzeug Prüfstand hydraulischer Prüfzylinder Sensoreinheit, Dehnungsmessstreifen ,13 Aktoreinheiten Schiffsaggregat Lager Unterlage ,18 Aktoreinheit