Frühe funktionale Absicherung in der Antriebsstrangentwicklung – Ein Ansatz zur Einbindung von skalierten Teilsystemen durch physisch-virtuelle Leistungsskalierung = Early Functional Validation in Drivetrain Development: An Approach to Integrate Scaled Subsystems through Physical-Virtual Performance Scaling

Die Verkürzung der Entwicklungszeit und Reduzierung der Gesamtkosten durch die Vermeidung von späten Designänderungen wird in der Produktentwicklung immer relevanter. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wird ein Ansatz zur Unterstützung des Frontloading aufgezeigt und an einem Beispielsystem aus einem Akkubohrschrauber angewandt. An drei Untersuchungsbeispielen werden die Einsatzmöglichkeiten des Ansatzes zu skalierten Untersuchungen in der Produktentwicklung aufgezeigt und evaluiert.
Durch die Kopplung von unterschiedlichen Teilsystemen und dem zeitgleichen Betrieb in einem Antriebsstrangprüfstand (scaled-Components-in-the-Loop-Prüfstand) wird eine vorgezogene Absicherung unterstützt. ... mehrVorteile bietet eine vorgezogene Absicherung insbesondere für die Vorentwicklungsphasen, in denen noch keine vollständig funktionsfähigen Versuchs- bzw. Technologieträger zur Verfügung stehen, gleichzeitig jedoch eine frühe funktionale Absicherung mit Hardwarekomponenten gewünscht ist.
Das Frontloading in der Produktentwicklung wird damit unterstützt und gefördert. Die skalierten Untersuchungen werden in drei Experimenten am scaled-Componentsin-the-Loop-Prüfstand für einen Akkubohrschrauber durch exemplarische Anwendungen veranschaulicht. Es erfolgt die beispielhafte Umsetzung der Skalierung der Leistungsgrößen in einem XiL-Prüfstand zur Anpassung des Systemverhaltens an veränderte Prototypen.
Anhand von Experimenten an einem Antriebsstrangprüfstand werden Skalierungsfaktoren für die Anpassung der rotatorischen Leistungsgrößen zwischen miteinander verbundenen Systemen abgeleitet und verifiziert. Die Integration der skalierten Komponenten erfolgt auf einem XiL-Prüfstand über Koppelsysteme in das Gesamtsystem. Dadurch wird eine skalierte Komponentenprüfung unter Berücksichtigung des restlichen Systems ermöglicht. Basierend auf den abgeleiteten Skalierungsmodellen wird der Einfluss von Geometrievarianten auf das dynamische Verhalten einer Überlastkupplung eines Akkubohrschraubers untersucht. Durch den Einsatz des scaled-Components-in-the-Loop-Prüfstands und der abgeleiteten Skalierungsfaktoren können Gestaltvariationen bereits durch Einsatz eines Referenzsystems bewertet werden. Durch die Einbindung von physischen Komponenten und Teilsystemen aus Referenzprodukten und die Ableitung von Skalierungsfaktoren können frühe Untersuchungen skalierter Komponenten unter Berücksichtigung des Gesamtsystems durchgeführt werden. Die Forschungsarbeit beschreibt basierend auf den gezeigten Untersuchungen eine Validierungsmethode und stellt Möglichkeiten zur Integration der Methode in den Produktentwicklungsprozess vor.

Shortening development time and reducing overall costs, by avoiding late design changes is becoming more and more relevant. Within the context of this research work, an approach for supporting frontloading is demonstrated and applied to an example system consisting of a cordless screwdriver. The possible applications of the approach for scaled investigations in product development are demonstrated and evaluated on the basis of three test examples. By coupling different subsystems and simultaneous operation in a powertrain test bench (scaled components-in-the-loop test bench), an early validation is supported. ... mehrAdvance validation is particularly advantageous in the pre-development phases, when fully functional test or technology prototypes are not yet available, but early functional validation with hardware components is desired. Frontloading in product development is thus supported and promoted. The scaled investigations are illustrated in three examples on the scaled-componentsin-the-loop test bench for a cordless screwdriver. The exemplary implementation of the scaling of the performance variables in an XiL test bench is carried out to adapt the system behavior to modified prototypes. Experiments on a powertrain test bench are used to derive and verify scaling factors for adapting the rotational power quantities between interconnected systems. The scaled components are integrated into the overall system on an XiL test bench via coupling systems. This enables scaled component testing while taking the rest of the system into account. Based on the derived scaling models, the influence of geometry variants on the dynamic behavior of an overload clutch of a cordless drill is investigated. By using the scaled-components-in-the-loop test rig and the derived scaling factors, design variations can already be evaluated by using a reference system. By incorporating physical components and subsystems from reference products and deriving scaling factors, early investigations of the subsequent design can be carried out taking the overall system into account. Based on the investigations shown, the research work describes a validation method and presents possibilities for integrating the method into the product development process.