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Weiterführende Informationen

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Laboratory based durability testing - Methods and background

Automotive engineering is continuously moving towards the integration of different processes for accelerating vehicle development. Since the products become more and more a system, the methods to assist this transformation process become even more complicated.

Experimental proof is an essential measure for reliability, robustness and quality. Since many vehicle components are relevant for operational safety, these parts must not fail causing an accident. This has to be ensured by experimental methods such as rig based durability tests. Hence, service load simulation & evaluation becomes an instrument to actively guide the product development process, rather than to release newly developed parts only. If both, loading as well as assembly interaction are incorporated in a realistic manner, cost and time are saved due to the elimination of specialized on-track measurements.

Hence, lab based fatigue evaluation is presented as an integrated part of the overall vehicle development process. For wheel & hub assemblies as well as complete axle systems, the LBF durability test procedures are introduced, covering rotating and load transfer components.


Baugruppenerprobung für straßen- und schienengebundene Räder in der integrativen Simulationsumgebung ZWARP

Seit Anfang der 1980er Jahre haben sich die Methoden der zweiaxialen Raderprobung zu einem weitgehend anerkannten Standard in der Laborsimulation entwickelt. Gegenüber anderen Verfahren vereinigt die Zweiaxiale Radprüfeinrichtung (ZWARP) die Vorteile der kompletten Baugruppeninteraktion sowie realitätsnaher Last-Zeitfunktionen. Der vorliegende Beitrag beschreibt die wesentlichen Charakteristika in der ZWARP-Erprobung von Rädern bzw. Radsätzen von Straßen- und Schienenfahrzeugen sowie den Aufbau der Prüfeinrichtungen. Die Nutzung standardisierter Lastprogramme als ein maßgebliches Konzept wird erklärt und bewertet. Abschließend werden die Merkmale der neuen, aktuell im Fraunhofer LBF entwickelten Generation einer vollkinematischen Simulationsumgebung für die Räderprüfung vorgestellt.


Zeitverkürzende Lastprogramme für die Qualitätssicherung bei Rädern

Die prüfzeitverkürzte Betriebslastensimulation drehender Fahrwerkskomponenten wird oftmals mit der Methode der Zweiaxialen Rad- und Nabenprüfung unter Anwendung entsprechender Lastprogramme dargestellt. Üblicherweise werden diese Lastprogramme von Bemessungskollektiven abgeleitet und übersetzen deren Schädigungsinhalte in einen experimentellen Umfang von etwa 10.000 km für PKW-Komponenten.

Auf Basis eines für ein PKW-Stahlscheibenrad abgeleiteten Bemessungskollektivs wurde ein bauteilspezifiches Lastprogramm für die Laborerprobung vollständiger Stichproben entwickelt und hinsichtlich dessen Gesamtlaufzeit optimiert. Die zeit- und kosteneffektive Nutzung in dieser Form optimierter Lastprogramme sowie die hiermit erreichten Ergebnisse für die Qualitätssicherung bei der Herstellung von Fahrzeugrädern werden in dem Vortrag beschrieben. Abschließend werden die technischen und wirtschaftlichen Perspektiven in der Nutzung stark zeitverkürzender Lastprogramme sowie deren Implikation auf die Anwendung vereinfachter Prüfverfahren dargestellt.


Typspezifische Bemessungslasten für die Raderprobung mit Hilfe von GPS-basierten Datenmodellen

Der experimentelle Nachweis der Betriebsfestigkeit von Rädern und Naben erfolgt zunehmend mit den Verfahren der Zweiaxialen Räderprüfung (ZWARP). Die hierbei methodenspezifischen Merkmale sind:

  • Wirkungsrichtung der äußeren Kräfte analog zur Belastung im Radaufstandspunkt
  • Zeitvariante Lasten in einem Blockprogramm zur Abbildung quasistochastischer Anregungsmechanismen


  • Speziell für den zweiten Punkt sind in der Vergangenheit verschiedene Lastprogramme entwickelt worden, die zu entsprechenden Referenzstrecken äquivalente Beanspruchungskollektive darstellen. Beispielsweise wurden die standardisierten Lastprogramme »Europazyklus« teilweise auf Basis von Fahrbetriebsmessungen auf der Nordschleife des Nürburgrings entwickelt und mit Hilfe der statischen Radlasten in eine Normalenform überführt.

    Die seit einigen Jahren festzustellende Tendenz der Entwicklung von Plattformkonzepten und damit einer steigenden Anzahl von Karosseriederivaten verlangt zunehmend nach typspezifischeren Bemessungslasten auch für Komponenten wie Räder, Naben und Radlager. Die Anpassung des in Normalenform für eine Radlast von 425 kg abgestimmten Lastprogramms »Europazyklus PKW« kann mit Hilfe von GPS-basierten Datenmodellen sehr typspezifisch erfolgen und damit einen wichtigen Beitrag zu einer weiter verbesserten Simulationsgüte im Rahmen der Zweiaxialen Radprüfung darstellen. Die im Fahrbetrieb aufgezeichneten GPS-Vektoren werden dabei zur Abbildung einer virtuellen Fahrt in der Simulationssoftware CarSim® eingesetzt. Die für diese Untersuchung in CarSim® ausgewählten Fahrzeugmodelle orientieren sich an den Merkmalen der Zielfahrzeuge für die Entwicklung der drehenden Komponenten. Aufgrund der auf die Belange der Fahrdynamik optimierten Komplexität der Fahrzeugmodelle in CarSim® lassen sich für die Zielfahrzeuge erwartete oder abgeschätzte Toleranzbereiche im Rahmen einer statistischen Versuchsplanung (DoE) berücksichtigen und damit typspezifische Bemessungslasten und -kollektive entwickeln.

    Das hier beschriebene Verfahren erlaubt eine verbesserte Anpassung der relevanten Steuerparameter von standardisierten Lastprogrammen und gewährleistet damit einen Beitrag zur Entwicklung typspezifischer experimenteller ZWARP-Prüfumgebungen.


    Extended Mobility Tires and their Effct on Loads to the Wheel Structure

    State-of-the-art developments in the field of tire technology do show a clear trend towards extended-mobility-tires. These tires - also known as runflat tires - have reinforced side walls to guarantee basic mobility properties even in the case of air pressure loss. Since the individual layers as well as the complete build up are different to traditional tire technology, the enhanced layer stiffness generates higher loads to the rim flanges, wheel well and wheel disc. Although these tires seem to be perfectly compatible to conventional wheels with regard to design and mounting process, the stress loading as well as the structural durability of the wheel may be an issue, which has to be examined carefully: Are the design and cross-sectional properties of the wheels appropriate for the complete life cycle of the vehicle?

    Since automotive wheels are relevant for operational safety, these parts must not fail causing an accident. This has to be ensured by experimental methods such as rig based durability tests. While simplified test procedures such as cornering fatigue tests or radial fatigue tests do not cover the complete load mechanics by the tire, the unique Biaxial Wheel Fatigue Test facilities (ZWARP) were used to generate technical expertise in the field of runflat tires and their relation to the loading of the wheels. Since both loading as well as assembly interaction in the ZWARP are incorporated in a realistic manner, costs and time are saved due to an appropriate accelerated life testing and the elimination of specialized on-road testing.