Fraunhofer LBF: Entwicklung von Prüfmethoden und -techniken für Räder

Anfang der 1980er Jahre wurden im Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF (Darmstadt) die Technologie für die zweiaxiale Radprüfung (ZWARP) einwickelt und entsprechende Prüfmaschinen weltweit patentiert. Im ZWARP – Zweiaxialer Rad-Naben-Prüfstand – erfolgt der Betriebsfestigkeitsnachweis der gesamten Rad-Naben-Baugruppe durch Simulation einer virtuellen Versuchsstrecke. Dabei wird in einem zeitgerafften standardisierten Prüfstandprogramm die komplette Fahrzeuglebensdauer von 300.000 Kilometer bei Pkw innerhalb einer Woche und bis zu einer Million Kilometer bei Nutzfahrzeugen in zwei Wochen abgebildet. Die zweiaxiale Räderprüfung ermöglicht die Optimierung neuer Konstruktionen, Werkstoffe, Fertigungsverfahren und Verbindungstechnologien unter Berücksichtigung von realistischen mechanischen Belastungsprofilen. Ergebnis sind Leichtbau, Zuverlässigkeit sowie Kosten- und Ressourcenoptimierung.

Erster ZWARP von 1982

Von der Umlaufbiegeprüfung zum W/ALT

In der Vergangenheit wurde die Erprobung neu entwickelter Räder mit dem Gesamtfahrzeugversuch kombiniert – eine gleichermaßen kosten- und zeitintensive Versuchsstrategie. Besser reproduzierbare Ergebnisse ließen sich später mit prüfstandsbezogenen Erprobungskonzepten erreichen. So sind die Biegeumlaufprüfung sowie die Abrollprüfung die heute noch gesetzlich maßgebenden Kriterien für die Zulassung neuer Räder.

Allerdings finden sich hierfür entscheidende Einschränkungen im Hinblick auf die Simulation wirklich fahrbetriebsähnlicher Belastungen: Die vereinfachenden Prüfstände gewährleisten vorrangig eindeutig beschriebene Randbedingungen für den Versuch – nicht zwangsläufig sind das auch solche, die zu einer realistischen Abbildung der Belastung von Rädern im Alltag beitragen.

Lkw-ZWARP der neuesten Generation

Neben den konventionellen Testverfahren ist die Zweiaxiale Radprüfung (ZWARP) seit Langem in einige Werknormen von Herstellern sowie in Empfehlungen von Vereinigungen und Organisationen (EUWA1, SAE) aufgenommen. Damit entwickelte sich die zweiaxiale Radprüfung als ein für die Bewertung von drehenden Komponenten des Fahrwerks angewandtes Verfahren mit quasi-normativem Charakter, das weltweit bekannt und akzeptiert ist. Die Prüfung von Rädern und Radnaben erfolgt hier in einem modernen, die tatsächlichen Betriebsbelastungen repräsentierenden Verfahren unter Berücksichtigung der Krafteinleitung durch den abrollenden Reifen, was sich zunehmend als internationaler Standard für mehr Sicherheit im Fahrzeugbau etabliert. Viele namhafte Fahrzeug- sowie Radhersteller im In- und Ausland setzen die ZWARP Technologie mittlerweile regelmäßig in ihren Entwicklungs- und Freigabeprozessen ein und betreiben teilweise auch eigene Prüfeinrichtungen oder nutzen die jahrzehntelange Erfahrung des LBF für gemeinsame Entwicklungsprojekte.

Das Fraunhofer LBF entwickelt im Austausch mit Industriepartnern die Prüfbedingungen von Fahrzeugrädern an ihre Beanspruchungen konsequent weiter. So entstand 2009 im Fraunhofer LBF der vollkinematische Rad-Straßensimulator W/ALT (Wheel Accelerated Life Testing). Das neue Prüfstandskonzept bildet die Radlasten in allen Freiheitsgraden des Fahrzeugs realitätsnah ab und ermöglicht umfassende Versuchszeitverkürzungen gegenüber realen Tests auf Versuchsstrecken.

Besondere Merkmale des Rad-Straßensimulators sind die für Radprüfeinrichtungen neuartige Parallelkinematik sowie die direkt an den elektromotorischen Antrieb angeflanschte Innentrommel. Die Hexapod-Plattform für die Aufnahme von Rad und Nabe erlaubt die gesteuerte translatorische und rotatorische Bewegung des Rades in allen relevanten Freiheitsgraden und erzielt damit eine bisher unerreichte Flexibilität in der Nutzung aller standardisierten Lastprogramme, beispielsweise die des Fraunhofer LBF, dem Arbeitskreis Räder (AKR) sowie der SAE.

Vom Stahlrad zur CFK-Felge – Leichtbau im Fokus

Das CFK-Rad mit integriertem Radnabenmotor ist eine LBF-Entwicklung

Standen einstmals Werkstoffe wie Stahl und gegossenes Aluminium im Mittelpunkt der Radauslegung, liegt mittlerweile der Fokus auf leichten Materialen wie geschmiedetem Aluminium, Faserverbunden oder Polyamid. Diese neuen Räder mit teilweise integrierten Funktionen sind besonders leicht und können beispielsweise mit dem richtigen Felgendesign auch für die Kühlung eines Radnabenmotors sorgen.

Gerade im Hinblick auf die neuesten Entwicklungen in der Elektromobilität und die damit möglicherweise einhergehende Integration des Motors in die Räder kann die Technik des W/ALT die Entwicklung, Auslegung und Prüfung von Radnabenmotoren bestmöglich unterstützen.

Vollkinematischer Rad-Straßensimulator W/ALT (Wheel Accelerated Life Testing)

Das Fraunhofer LBF bringt seine langjährige Erfahrung in der Bewertung radbezogener Komponenten auch in Forschungskooperationen ein. Partner aus der Industrie profitieren von den neuesten Entwicklungen. Darüber hinaus bietet das Institut standardisierte numerische und experimentelle Betriebsfestigkeitsbewertung von Rädern und Radnaben, Entwicklung von Lastprogrammen sowie die Entwicklung von Nachweiskonzepten für drehende Komponenten an. Auch die Entwicklung von kundenspezifischen Prüfständen zur Rad- und Radnabenerprobung im Rahmen von Technologietransferprojekten gehört zum Portfolio. Hierbei wird der Kunde intensiv in die nach wie vor sehr anspruchsvolle Technologie mit theoretischer und praktischer Schulung eingearbeitet und erlernt dabei, die Prüfungen unter Berücksichtigung aller wichtigen Parameter fachgerecht anzuwenden.

Realitätsnahe Prüfung von Fahrzeugrädern

Für Entwicklungsingenieure gehören experimentelle und virtuelle Testtechnologien beim Design und der Herstellung neuer Fahrzeuge und Komponenten zu den Standardverfahren, um Sicherheit, Qualität, Lebensdauer und Umweltverträglichkeit von Automobilen nachhaltig zu verbessern. OEM und Automobilzulieferer profitieren von der Versuchszeitverkürzung und beschleunigen ihre Entwicklungsprozesse durch die zweiaxiale Räderprüfung im Fraunhofer LBF. Sie ermöglicht die Optimierung neuer Werkstoffe, Konstruktionen, Verbindungstechnologien und Fertigungsverfahren unter Berücksichtigung von realistischen mechanischen Belastungsprofilen. Dafür stehen den Entwicklungsingenieuren die am LBF entwickelte Berechnungssoftware Wheel Strength/Hub Strength und zehn Prüfstände für Pkw- und Lkw-Anwendungen zur Verfügung. dv