Software

Wahlweise individueller Stadtbus oder Luxusliner

In nur fünf bis sieben Tagen kann der türkische Bushersteller Temsa heute mittels Software von LMS International eine Lebensdaueranalyse durchführen – und zwar in einer frühen Phase des Entwurfs. Zuvor musste dazu die Entwicklung des Prototypen abgewartet werden und eine drei- bis sechsmonatige Testphase. Ergebnis der softwaregestützten Simulation und Berechnung ist auch eine leichtere Karosserie, die zu einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs führt.

Eine Flotte von 200 Bussen für einen französischen Vertriebshändler rettete 2000/2001 den türkischen Bushersteller Temsa, nachdem in Folge des Platzens der Dotcom-Blase der Verkauf stark einbrach. Die Busse sollten mechanisch robust und zuverlässig sein, auch auf schlechten Wegstrecken. So entstanden die Safari-Reisebusse, die sich zum Verkaufsschlager entwickelten. Mit verantwortlich für den Erfolg war die frühzeitige Einbindung von Simulations- und Berechnungswerkzeugen in den Entwicklungsprozess. „Aufgrund dieses Strukturwandels war es uns möglich, Zeit zu sparen, Kosten zu senken und insbesondere Busse zu entwickeln, die zu den zuverlässigsten, kraftstoffsparendsten und sichersten weltweit gehören“, sagt Timucin Bayraktar, General Manager R&D and Technology bei Temsa. Dies erreicht zu haben, sei eine eindrucksvolle Leistung für ein kleines türkisches Unternehmen, das vor neun Jahren noch kaum bekannt war. Zum Einsatz kommen bei Temsa die integrierten Lösungen von LMS International, unter anderem LMS Virtual.Lab. „Wir haben einen kompletten Neustart gemacht und die Art, wie wir als Unternehmen arbeiten, grundlegend geändert“, so Bayraktar weiter. „LMS hat uns dabei enorm unterstützt, das Zusammenspiel aller Einzelkomponenten klappt reibungslos.”

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Temsa konzentriert sich vor allem auf einen Nischenmarkt. Während die meisten Bushersteller Modelle mit hohem Standardisierungsgrad oder individualisierte Luxusbusse vertreiben, bietet Temsa ein umfangreiches Angebot von über 180 Varianten – sämtliche Komponenten wie Motorisierung, Getriebe, Chassis, Federung oder Interieur werden kundenspezifisch maßgeschneidert. Zudem ist man schnell: Für eine Neuentwicklung werden typischerweise zwischen sechs und zwölf Monate benötigt – die 24 Monate bei Automobilen wirken da wie ein Schneckentempo. Für Temsa ist das keine einfache Aufgabe, da Busse größere und komplexere Strukturen aufweisen und in den meisten Fällen die Entwicklungsbudgets kleiner ausfallen. Hinzu kommt, dass in dem schnelllebigen Busgeschäft die Fahrzeuge oftmals bereits verkauft sind, bevor die Entwicklung abgeschlossen ist – bei Lieferverzögerungen drohen also Vertragsstrafen. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der richtigen Kombination aus professioneller Begeisterung und fortschrittlichster Technologie“, erläutert Bertan Bayram, bei Temsa verantwortlich für das Thema CAE und Leiter des Test-Teams im Entwicklungszentrum Gebze nahe Istanbul. Gerade einmal 90 Ingenieure arbeiten hier routinemäßig die Konstruktionspläne für alle Temsa Busse aus.

Fokussierung auf maßgefertigte Bauweise und kleine Aufträge

Ausgangspunkt der Zusammenarbeit mit LMS International vor fünf Jahren war die Suche nach einer Lösung für virtuelle Lebensdauertests. Zuvor testete Temsa die Haltbarkeit der Fahrzeuge mittels Langstreckenfahrten auf einer speziellen Teststrecke. Das dauerte allerdings zwischen drei und sechs Monate, zudem begannen die Tests erst nach Abschluss der Prototypenentwicklung. Versagte dann ein Bauteil, wurde der Test nach dessen Austausch oder Reparatur fortgesetzt. Im Ergebnis blieben allerdings Zweifel an der Verlässlichkeit dieser Tests, und die sich daraus ergebenden Konstruktionsänderungen waren schwierig und gleichzeitig nur kostspielig durchzuführen. Zusätzlich berechneten die Ingenieure die Beanspruchungen auch per FEM-Analyse. Doch basierten die Annahmen der mechanischen Belastungen nur auf Schätzungen. Die tatsächlichen dynamischen Verhältnisse, die zeitlichen Einflüsse oder gar die komplexe Gesamtstruktur des Busses während der Nutzung konnten sie nicht widerspiegeln.

In einem ersten Schritt ging es deshalb darum, repräsentative Aussagen über die realen Beanspruchungen, die später auf der Straße auftreten, zu gewinnen. „Dazu schickten wir einen Dummy-Bus, komplett mit Messinstrumenten bestückt, über landestypische Straßen, um die realen Belastungen messtechnisch zu ermitteln“, fährt Bertan Bayram fort. „Beschleunigungssensoren, Dehnungsmessstreifen im Fahrwerksbereich und Federwegmessungen im Fahrzeug ergaben ein reales Profil der Radkräfte und der Chassis-Beanspruchung.“ Anschließend wurde jedes einzelne Signal analysiert und ermittelt, wie auch die kleinen – sich aber ständig wiederholenden – Belastungen auf normalen Straßenoberflächen die Haltbarkeit beeinflussen. Rechnerisch wurden diese dann mit den Belastungen kombiniert, die zwar nur gelegentlich auftreten, dafür aber sehr hoch sind – beispielsweise beim Überfahren von Schlaglöchern.

Die LMS-Software errechnet nun automatisch, welche Schadensanteile den einzelnen Kräften zuzuordnen sind und kategorisiert die Signale nach Amplitude, Häufigkeit und Dauer. Werden dann die Anteile der Signale herausgerechnet, die keine relevante Schädigung verursachen, kann die Software eine verdichtete Gesamtbeanspruchung unter Berücksichtigung der zeitlichen Verläufe generieren. Das so entstehende Straßenprofil wird schließlich als Einflussgröße herangezogen, um beispielsweise die Schädigung einzelner Bauteile der Federung oder des Getriebes im Bus abzuleiten. Temsa kann darauf basierend heute mit dem Software-Paket ‚Virtual.Lab Durability‘ alle relevanten Bauteile der Konstruktion simulieren und die Lebensdauer vorhersagen.

Simulationssysteme beeinflussen Strukturwandel

Mit Einzug des kombinierten Ansatzes aus Mehrkörper- und Lebensdauersimulation sowie der Betriebsfestigkeitsanalyse mit Hilfe des LMS-Testsystems für Messung, Datenermittlung und Signalanalyse, fand bei Temsa ein Umdenken statt. Lebensdauertests werden nun – wie in der Automobilindustrie – bereits in frühen Entwicklungsphasen durchgeführt. LMS konnte dabei sein Know-how in die Entwicklung einfließen lassen und an die Temsa-Ingenieure weitergeben. „Durch die Einführung dieser Hybrid-Technologie von LMS sind wir in der Lage, unsere neuen Busse viel schneller zu entwickeln”, betont CAE-Spezialist Bayram. „Dauerte früher die Auswertung der Lebensdauertests auf der Teststrecke zwischen drei und sechs Monate, können wir mit den LMS-Werkzeugen und unseren virtuellen Modellen nun die Lebensdauer in fünf bis sieben Tagen abschätzen.“ Ein weiteres Plus: Traten früher gravierende Fehler auf, musste man zunächst auf einen neuen Prototypen warten – was den Zeitplan um Wochen verzögern konnte. Auch solche Probleme lassen sich nun softwareunterstützt vermeiden. „Aufgrund der schnellen Auswertung können wir unser Computermodell schrittweise aufbereiten und eine Reihe von Simulationen durchführen, bis die Konstruktion optimal ist“, so Bertan Bayram weiter.

Beeinflussen lassen sich auf diese Weise auch weitere Eigenschaften der Busse. Wurden früher aufgrund der Lebensdauertests einzelne Bauteile und Konstruktionseinheiten verstärkt, führte dies auch zu einer Erhöhung des Leergewichts des Fahrzeugs – und damit auch zu einem höheren Kraftstoffverbrauch. Dieser Effekt ist jedoch heutzutage aus ökologischer Sicht nicht mehr zu vermitteln. „Mit der LMS-Software können wir heute Überdimensionierungen eliminieren“, sagt Bertan Bayram. „Auf diese Weise maximieren wir nicht nur die Lebensdauer, sondern entwickeln gleichzeitig das optimale Gewicht für einen geringeren Kraftstoffverbrauch.”

Geräusch- und Vibrationsanalysen kommen hinzu

Im Rahmen des ersten LMS-Hybrid-Projekts entstand der Safari-HD-Bus innerhalb nur eines Jahres. Durch Lebensdauersimulationen im Vorfeld wurde die Anzahl der notwendigen Prototypentests erheblich reduziert. Sonst übliche Probleme im Produktionsprozess fielen sowohl in Anzahl als auch Umfang ebenfalls deutlich geringer aus, was die Kosten weiter senkte. Im Ergebnis entstand auf diese Weise die Temsa-Leichtbau-Karosserie – eine komplett neu gestaltete Karosserie –, die 30 Prozent leichter ist als vergleichbare Produkte. Aufgrund der langlebigen und gleichzeitig kraftstoffsparenden Konstruktion wurde der Safari HD deshalb schnell das Aushängeschild in Temsas Angebot.

Nach dem Entwicklungserfolg des Safari HD hat Temsa kürzlich die Anzahl der LMS-Testsysteme im Entwicklungszentrum in Gebze deutlich aufgestockt und zudem virtuelle Geräusch- und Vibrationstests mit LMS-Software in die hausinternen Standardprozeduren integriert. Nun können die Ingenieure auch die beste Positionierung und die geeigneten Werkstoffe für die Motoraufhängungen untersuchen und in der Folge Geräusche und Vibrationen im Fahrgastraum bis zu deren Ursprung nachvollziehen. Erreicht wird das durch Transferpfadanalysen, Berechnungen der Frequenzabhängigkeit und etwaiger akustischer Kopplungen. Diese Methodik reduziert die Entwicklungszeit der Busse um weitere zehn Prozent und vermeidet Probleme mit Geräuschen und Vibrationen (NVH) im Vorfeld, da Kunden ihrerseits ebenfalls hochentwickelte NVH-Technologien zur Überprüfung einsetzen, bevor sie einer Abnahme zustimmen.
Temsa greift auch weiterhin bei Bedarf zusätzlich zur Software auf die Unterstützung durch das LMS-Engineering-Team zurück, wie kürzlich zur Untersuchung eines Vibrationsproblems. Nach ausführlichen NVH-Tests stellten die Ingenieure fest, dass störende Geräusche nicht durch die Konstruktion bedingt waren, sondern durch ein Torsionsproblem der Antriebswelle. Man fand heraus, dass es sich um ein Problem des Getriebes handelte, das schließlich nur durch dessen Hersteller behoben werden konnte. Da Temsa für diese spezifische Messung keine geeigneten Messinstrumente zur Verfügung hatte, sprang das LMS-Engineering-Team ein. Mit Hilfe von speziellen Untersuchungen und Analysen konnte der Fehler schnell lokalisiert werden. -co-

LMS Deutschland GmbH, Leonberg Tel. 07152/97979-0, http://www.lmsdeutschland.de

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