HOERBIGER

HOERBIGER Antriebstechnik GmbH ist mit dem Schaltsimulator in der Lage, bereits zu Beginn des Entwicklungszyklus den Einfluss konstruktiver Maßnahmen auf den Schaltkomfort unmittelbar zu erproben - ohne Prototypen.

Ohne Prototypen den Einfluss konstruktiver Maßnahmen auf den Schaltkomfort unmittelbar erproben

Aufgabe

Getriebe, Schaltung, Synchronisierung und Antriebsstrang per Simulation echtzeitfähig nachbilden

Die Geschichte des HOERBIGER Konzerns begann im Jahr 1895 – heute ist er mit über 6.700 Mitarbeitern weltweit führend in den Geschäftsfeldern Kompressortechnik, Automatisierungstechnik und Antriebstechnik. Mit der HOERBIGER Antriebstechnik GmbH entwickelt und liefert der Konzern für seine Kunden unter anderem Synchronisierungen für Schalt- und Doppelkupplungsgetriebe. Hierbei setzt die HOERBIGER Antriebstechnik GmbH seit vielen Jahren ESI ITI-Software zur Offline-Simulation ein.

Bei der Entwicklung, Anpassung und Optimierung von Synchronisiereinrichtungen werden verschiedene Parameter, darunter auch die komplexen, ineinander wirkenden Geometrien von Sperr- sowie Einspurverzahnung, geändert und die Auswirkungen auf das Endprodukt simuliert. Das endgültige, sich daraus ergebende Schaltgefühl war bislang nur über die Anfertigung von Prototypen real zu erfühlen. Die Festlegung der Anforderungen bezüglich der Haptik für Neuentwicklungen erfolgte dabei hauptsächlich durch verbale Beschreibungen. Deren Interpretation ist jedoch sehr subjektiv.

Da Fahrzeuge auch über das Schaltgefühl beurteilt werden, ist es von großem Interesse, die Anforderungen objektiv und reproduzierbar definieren zu können sowie frühzeitig einen realistischen Eindruck vom resultierenden Schaltgefühl zu erhalten. Das Ziel bestand darin, einen HiL-Schaltsimulator zu entwickeln, der an einem realen Schalthebel, das Getriebe, die innere und äußere Schaltung, die Synchronisierung und den Antriebsstrang per Simulation echtzeitfähig nachbildet.

Mithilfe des Simulators soll ein Bediener den gesamten Schaltvorgang durchführen können, ohne dass sich dieser von einem realen unterscheidet. Auf dieser Grundlage galt es, die HOERBIGER Antriebstechnik GmbH in die Lage zu versetzen, bereits zu Beginn des Entwicklungszyklus ohne Prototypen den Einfluss konstruktiver Maßnahmen auf den Schaltkomfort unmittelbar zu erproben. Durch die Verwendung eines Echtzeitsystems sollen die Parameter und Geometrien direkt online änderbar sein.

Lösung

Der HiL-Schaltsimulator

ESI ITI verfügt über das Know-how und mit der SimulationX Plattform über das geeignete Tool, um den komplexen, sich an den Schalthebel anschließenden Aufbau zu modellieren und zu simulieren. Dazu wurde ein vorhandenes physikalisches Modell so reduziert, dass es Echtzeitfähigkeit besitzt und das Verhalten realitätsnah abbildet. Trotz Reduktion werden alle für den Schaltkomfort relevanten Komponenten wie Synchronisierung mit Reibkonen, Sperr- und Einspurverzahnung, Getriebe mit innerer und äußerer Schaltung und Antriebsstrang mit ihren Parametern berücksichtigt. Die Geometrien von Sperr- und Einspurverzahnung können dabei entsprechend der Konstruktion eingegeben werden.

Der Schaltsimulator ist modular aufgebaut und setzt sich aus einem Bedien-PC, einer Echtzeithardware mit Bedienoberfläche und dem Schalthebel-Aktuator zusammen. Neben dem physikalischen Modell wird durch SimulationX die Kommunikation zwischen allen Komponenten hergestellt. Dabei lässt sich das physikalische Modell verändern oder erweitern und anschließend über den C-Code-Export auf die Echtzeithardware migrieren.

Über die Bedienoberfläche kann der Simulator online parametriert sowie Messungen und Kennlinien geladen und gespeichert werden. Somit ist es möglich, den Simulator flexibel und schnell an andere Schaltszenarien anzupassen. Auf der Echtzeithardware wird das gesamte Programm mit dem physikalischen Modell ausgeführt, werden die Aktionen des Bedieners ausgewertet und über das Modell die aktuellen Gegenkräfte berechnet. Der Schalthebel-Aktuator stellt diese anschließend dem Nutzer dar. Der modulare Aufbau des Versuchsstandes und SimulationX als zentrales Werkzeug lässt der HOERBIGER Antriebstechnik GmbH großen Spielraum für zukünftige Anpassungen.

Standardschnittstellen gewährleisten dabei einen einfachen Datenaustausch. Die Toolkette bleibt damit geschlossen, so dass Ergebnisse aus Tests und Offlinesimulationen mit dem Schaltsimulator einfach auszuwerten und weiterzuverarbeiten sind.

Nutzen

Realistischer Schaltablauf

Bei der Zusammenarbeit zwischen Auftraggebern, Auftragnehmern, Entwicklungs- und Testingenieuren führt der Weg über die Verhaltensbeschreibung oft zu unterschiedlichen Vorstellungen bezüglich der Anforderungen an eine Getriebesynchronisation. Weiterhin ist es an realen Schaltgetrieben nicht möglich, einen einmal durchgeführten Schaltvorgang für mehrere Personen exakt zu wiederholen. Änderungen an Geometrien, Parametern oder Umweltfaktoren können nur mit erheblichem zeitlichen Aufwand untersucht werden.

Hier liegt der wesentliche Vorteil des Schaltsimulators: Der Schaltkomfort kann genau definiert und der Einfluss konstruktiver Änderungsmaßnahmen direkt beurteilt werden ‒ ohne dass kosten- und zeitaufwendige Prototypen gebaut werden müssen. Auf Grund des physikalischen Modells führen Fehlauslegungen, wie am realen Objekt, zu schlecht oder gar nicht ausführbaren Schaltabläufen. Der Simulator stellt den Schaltablauf so realistisch dar, dass der Bediener ihn nicht von einem realen System unterscheiden kann. Dies ermöglicht es, Schaltvorgänge zu reproduzieren, Störungen zu provozieren und Umwelteinflüsse schnell zu ändern. Bei Parameterstudien sind die Ergebnisse sofort verfügbar. 

Die HOERBIGER Antriebstechnik GmbH ist somit in der Lage, den Simulator für folgende Aufgaben einzusetzen:

  • objektive Definition des Schaltverhaltens
  • Variantenstudien sowie Untersuchung des Parametereinflusses konstruktiver Größen
  • haptische Reproduktion von Messwerten, ob aus Simulationsergebnissen oder Messungen an realen Getrieben

Mit dem Projekt führt die HOERBIGER Antriebstechnik GmbH ihren verantwortungsvollen Umgang mit den Themen Verifikation und Qualitätssicherung fort ‒ sowohl in der Produktion als auch in der Entwicklung.

Simulation in der Automobilindustrie

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