Messräder für alle Einsatzfälle

WFT-CX-offroadBei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen aller Art werden 6-Komponenten-Messräder (engl. Wheel Force Transducer, kurz: WFT) eingesetzt, die bei realen Testfahrten auf Straßen, Teststrecken oder im Gelände die an den Rädern auftretenden Lasten – je 3 Kräfte (Fx, Fy, Fz) und 3 Drehmomente (Mx, My, Mz) – ermitteln und aufzeichnen. Diese Messergebnisse können beispielsweise die Grundlage von Simulationen darstellen oder als Eingabeparameter für Fahrten auf dem Rollenprüfstand dienen.

Auf Grund des von den Versuchsabteilungen der Automobilindustrie geforderten breiten Einsatzspektrums – etwa Testfahrten bei unterschiedlichsten Wetter- und Straßenverhältnissen oder extreme Fahrsituationen wie beispielsweise Vollbremsung, Schwellenüberfahrten, Geländefahrten – ergibt sich ein besonders anspruchsvolles Anforderungsprofil, das in der Vergangenheit nur zum Teil und nur durch eine ganze Palette unterschiedlicher Messradtypen zu erfüllen war. Bei der Entwicklung einer ganz neuen Generation von universell einsetzbaren Messrädern im Hause CAEMAX Technologie wurden daher die folgenden konkreten Forderungen berücksichtigt:

  • absolut wasserdichte Ausführung
  • Sommer- und Wintereinsatz im erweiterten Temperaturbereich
  • gute Wärmeableitung bei (Voll-)Bremstests
  • hohe Stoßfestigkeit für Schwellenüberfahrten
  • höhere Auflösung und bessere Genauigkeit über alles
  • einfache Handhabung und signifikante Verkürzung der Setup-Zeiten
  • Verfügbarkeit für unterschiedliche Felgen- und Radgrößen von der Kompaktklasse bis zum SUV und Kleinlaster

Digitale statt analoge Signalaufbereitung

Das Messprinzip herkömmlicher Messräder beruht auf einer komplexen Verschaltung einer Vielzahl (bis zu mehreren Dutzend) von im Messkörper verteilten Dehnmessstreifen (DMS). Durch das innovative Konzept einer weitgehend digitalen Signalaufbereitung kommen die neuen WFT-CX mit erheblich weniger DMS aus als vergleichbare Systeme. An die Stelle der störanfälligen analogen Verschaltung von DMS-Signalen, wie bisher üblich, tritt nun die digitale Online-Verrechnung mit interner 24 Bit DSP-Auflösung (16 Bit für die Übertragung und analoge Wiedergabe). Daraus resultiert eine wesentlich höhere Dynamik der Messsignale, die sowohl den Einsatz für Komfortmessungen als auch im unwegsamen Gelände erlaubt.

Die gesamte Signalaufbereitung ist ausgelegt für eine möglichst störungsfreie und exakte Erfassung der Messdaten. Dies wurde u.a. durch extrem kurze Kabelwege, eine optimierte Anordnung der DMS und die Digitalisierung direkt an der Messstelle realisiert. Auch die voll differenzielle Ausführung aller Verstärkereingänge einschließlich der Brückenspeisung sorgt für ein Höchstmaß an Störunterdrückung. Insgesamt 16 im Rad verteilte Thermosensoren dienen zudem der optimalen Temperaturkompensation. Zusammen mit der hohen inkrementellen Winkelauflösung von 8.192 diskreten Messpunkten am Umfang garantiert all dies die bestmögliche Genauigkeit. Die intelligenten Messverstärker übernehmen außerdem die Eigendiagnose aller Messstellen und erkennen beispielsweise automatisch einen Kabelbruch am Sensor.

Elektronischer Steckbrief

WFT-PrüfstandDer Messkörper ist während der Fahrt extremen Belastungen und daraus resultierenden unvermeidbaren Verformungen ausgesetzt. Auf Grund der mechanisch bedingten Nichtlinearitäten ist deshalb eine genaue Kalibrierung für jedes Messrad auf einem speziell dafür entwickelten Prüfstand unabdingbar. Der bei CAEMAX hausinterne Kalibrierprüfstand (siehe Bild) wurde entsprechend erweitert, um eine optimale Kalibrierung auch der neuen Messradgrößen anbieten zu können. Ermittelt werden zum einen die Nichtlinearitäten der sechs Komponenten Fx, Fz, Fy, Mx, Mz und My, sowie deren Einfluss auf die jeweils anderen Größen („Crosstalk“ genannt). Dabei werden pro Rad insgesamt 36 Linienschriebe aufgezeichnet, die in die automatische Linearisierung und Crosstalk-Kompensation einfließen. Jedes Messrad erhält mit den dort ermittelten Werten seinen elektronischen „Steckbrief“ mit sämtlichen für eine exakte Online-Verrechnung notwendigen Kalibrier- und Korrekturdaten, was in einer wesentlich verbesserten Datenqualität gegenüber aktuellen Systemen resultiert.

Online-Processing statt Wasserwaage

Die Mikroprozessoren und die intelligente Firmware ermöglichen aber nicht nur die bei allen Messrädern notwendige Linearisierung und Crosstalk-Kompensation, sondern darüber hinaus auch einen blitzschnellen Abgleich. Der vor jeder Messfahrt erforderliche Abgleich erfolgt innerhalb von nur 2-3 Radumdrehungen. Nach dem Einbau der Messnabe wird zudem die Ausrichtung in x-, y- und z-Richtung anhand der Erdbeschleunigung automatisch durchgeführt. Manuelles Ausrichten mit der Wasserwaage gehört damit der Vergangenheit an.

Eine weitere wesentliche Forderung für den möglichst wirtschaftlichen Einsatz der neuen Messräder war die möglichst leichte Handhabung und schnelle Montage. Beim WFT-CX kann die Stator-Elektronik einfach vom Rad getrennt werden, was das Wuchten auf Standardmaschinen ermöglicht und den Einsatz von herkömmlichen Radschraubern erleichtert. Der modulare Aufbau des gesamten Messkörpers bewirkt auch, dass die für die mechanische Anpassung an spezielle Fahrzeug- und Radtypen stets notwendigen Naben- und Felgenadapter separat gefertigt werden können – im Bedarfsfall sogar direkt beim Anwender. Außerdem wurden die Notlaufeigenschaften erheblich verbessert: Kommt es durch Überlast zu einem mechanischen Bruch, verzahnen sich der innere und äußere Ring des Messkörpers derart, das eine Weiterfahrt in den meisten Fällen möglich bleibt.

Die berührungslose digitale Übertragung der Messdaten vom rotierenden Rad zum Stator erfolgt über eine Infrarot-Nahfeldtelemetrie. Von dort führt ein Kabelsteg zur Kontrolleinheit im Fahrzeuginneren. Die neuen Messräder sind dabei voll Schnittstellen kompatibel zu ihren Vorgängern. Vorhandene Messsysteme können also weiter verwendet werden. Für die gesamte Steuerung und Wiedergabe der Signale kommen das Messsystem MOPS Evolution und die Erfassungssoftware RemusLAB von CAEMAX zum Einsatz. Ein MOPS-TTI Controller-Einschub kann dabei jeweils zwei Messräder gleichzeitig bedienen, d.h. zur Erfassung der Messdaten von vier Rädern ist die benötigte Kontrolleinheit gerade ½x19 Zoll groß. Daneben ist die simultane Erfassung vieler weiterer Messgrößen im und am Fahrzeug möglich – beispielsweise Temperaturen, Drehzahlen, Kräfte, Winkel, Wege u.v.m.. Standardschnittstellen wie CAN oder Ethernet sorgen zudem für eine flexible Weiterverarbeitung der Messwerte.

Breites Einsatzspektrum

CAEMAX_WFT-Cx_450x345Die neuen Messräder WFT-CX können vom Kleinwagen (minimale Felgengröße: 14 Zoll) bis hin zur großen Limousine, aber speziell auch an SUVs und Kleinlastern (maximaler Nabendurchmesser: 5,5 Zoll) eingesetzt werden. Neben der wasserdichten Ausführung ist hierfür vor allem auch die Stoßfestigkeit bis 50g maßgeblich, was erstmals Versuche mit Schwellenüberfahrten („speed bumps“) erlaubt. Der kühltechnisch optimierte Aufbau in Verbindung mit der guten Wärmeleitung des Alu-Messkörpers vermeidet einen übermäßigen Wärmeeintrag selbst bei Vollbremsungen. Ein Beispiel: Mit den Messrädern wurden über 20 Bremsversuche (Beschleunigung auf 150 km/h mit anschließender Vollbremsung) durchgeführt. Die Temperatur des Messkörpers hat dabei die 50°C Grenze nicht überschritten. Die gesamte Signalaufbereitung ist für einen Temperaturbereich von -40°C bis +105°C ausgelegt. Das alles resultiert in einem wesentlich breiteren Anwendungsspektrum als bisher, das nun auch Brems-, Komfort- und Reifentests mit ein und derselben Messradkonfiguration einschließt.