Neue Möglichkeiten zur Messung von Drehmomentwelligkeit und Reduzierung von Signalschwingungen

Drehmomentmessungen sind in der Entwicklung neuer Antriebe essenziell, um eine größtmögliche Dauerhaltbarkeit und Effizienz der Prototypen zu gewährleisten. ATESTEO nutzt in der hauseigenen Drehmomentmesstechnik Filter, die eine hohe Messgenauigkeit der Oberwellen beim Drehmoment ermöglichen. Sie filtern schon direkt im Messkörper irrelevante Signalschwingungen heraus. Damit können die Antriebe bereits während des Testings hinsichtlich Effizienz, Langlebigkeit und NVH-Eigenschaften besser analysiert und frühzeitig in der Entwicklung optimiert werden.

ATESTEO ist auch deshalb weltweit führender Spezialist für Drivetrain Testing, weil die Prüfungen, Tests und Versuche auf eigenen hochentwickelten Prüfständen mit eigens entwickelter Technik durchgeführt werden. Die Drehmomentmesswellen werden bei ATESTEO inhouse entwickelt und den hohen Ansprüchen der Kunden und ihrer Testing-Projekte immer wieder angepasst. Durch das große Technik- und Engineering Know-how innerhalb des Unternehmens können viele Herausforderungen durch Neu- oder Weiterentwicklungen gelöst werden. Und setzen neue Standards in der Branche. Die innovativen Hoch- und Tiefpassfilter von ATESTEO lösen das häufig auftretende Problem der Messungenauigkeit bei Drehmomentwelligkeit oder ermöglichen die optimierte Übertragung von hochfrequenten Signalschwingungen. Drehmomentmessgeräte von ATESTEO sind präzise und zuverlässige Instrumente zur Messung des Drehmoments. Eine neue AC-Ripple-Erkennung und ein Tiefpassfilter erweitern jetzt die Funktionalitäten der ATESTEO Drehmomentmesswellen deutlich.

Automobilhersteller entwickeln ihre neuen, modernen Antriebe auch unter dem Gesichtspunkt der Optimierung von Geräusch- und Vibrationsemissionen für einen größtmöglichen Komfort beim Fahren. Die Drehmomentwelligkeit, auch AC-Welligkeit genannt, ist ein Hauptauslöser für Geräusche und Vibrationen, die durch den Antriebsstrang erzeugt werden. Um sie zu reduzieren, muss eben diese AC-Welligkeit gemessen werden können. Und das war bis jetzt ein Problem.

Die Drehmomentwelligkeit ist ein hochfrequentes Signal, welches in das Drehmomentsignal integriert ist. Seine Amplitude ist im Vergleich zum Drehmomentsignal sehr gering. Da die Auflösung eines Messsignals auf den Nenndrehmomentbereich abgestimmt ist, zeigt sich die AC-Welligkeit relativ klein. Deshalb wurde sie bisher selbst bei hochgenauen Messsystemen nur mit schlechter Auflösung gemessen.

Damit der Ingenieur bei der Drehmomentmessung auch die AC-Welligkeit erkennen kann, muss das Signal verstärkt werden. Die Verstärkung der Oberwellen muss für eine genaue Auswertung innerhalb des Rotationsmesskörpers erfolgen. Wenn das Signal jedoch nur verstärkt würde, läge der Wert außerhalb des Messbereichs. ATESTEO Drehmomentmessgeräte haben typischerweise Messbereiche von 110 % oder 120 %. Jeder Wert, der über diese Bereiche hinausgeht, würde geclippt, also in der Messung abgeschnitten werden. Um das zu verhindern, ist eine smartere Signalverarbeitung erforderlich. Ansonsten wird die AC-Welligkeit nur in sehr niedrigen Bereichen des Messbereichs verstärkt – und das wäre für die Drehmomentmessung nicht zielführend.

Dieses Diagramm zeigt das Signal mit einem Verstärkungsfaktor von nur 2. Die synthetische violette Linie wurde abgeschnitten, um die Systemgrenzen von 110 % einzuhalten. Die türkisfarbene Linie zeigt die reale Linie, wie sie nach der Verstärkung sein sollte.

Um ein Clipping zu verhindern, isoliert der neue Hochpassfilter von ATESTEO den Ripple-Wert, um ihn anschließend als aussagekräftigen Wert zu gewinnen. Der neuentwickelte 5-Hz-Hochpassfilter isoliert dazu das Ripple-Signal vom Basissignal und verstärkt dann das isolierte Signal. So wird der gesamte verfügbare Messbereich genutzt.

Isoliertes und verstärktes Signal (Faktor 100)

Hochfrequente Schwingungen im Drehmomentsignal können die Messtechnik herausfordern. Besonders, wenn die Frequenz der Schwingungen über der eigentlichen Dynamik des Messsystems liegt. So treten diese hochfrequenten Schwingungen bei E-Mobility Prüfständen, aufgrund vergleichsweise hoher Drehzahlen, auch häufiger auf. Es sind dann Drehmoment-Peaks von 10 kHz und mehr – ausgelöst beispielsweise durch Zahneingriffsfrequenzen – möglich.

Die Frequenz solcher Schwingungen ist höher als die typische Drehmomentmessdynamik von 7 kHz. Infolgedessen würden diese hochfrequenten Schwingungsdrehmomentwerte über die drahtlose Datenschnittstelle nur mit begrenzter Frequenz übertragen werden. Die Signalschwingung ginge also auf dem Weg zum Messgerät (teilweise) verloren (Vgl. Nyquist-Frequenz). Datenanalyse und Dateninterpretation wären damit komplizierter, genaue Wirkungsgradmessungen unmöglich.

Mit dem neuen Tiefpassfilter filtert ATESTEO das Signal bevor es an den stationären Teil des Drehmomentmessgeräts weitergeleitet wird. Die Tiefpassfilterfunktion wird durch elektronische Filterkomponenten realisiert, die während der Herstellung auf der Rotorelektronik installiert werden. Die individuelle Filtereckfrequenz kann vor der Fertigung gewählt werden. Im Ergebnis ist das Ausgangssignal des Drehmomentmesssystems frei von Schwingungen und lässt sich somit leichter analysieren.

Angewandter 10-Hz-Tiefpassfilter

Der Tiefpassfilter ist für ausgewählte ATESTEO Drehmomentmessgeräte verfügbar. Systeme mit dualer Telemetrie ermöglichen die parallele Übertragung des ursprünglichen und des gefilterten Signals an die Auswerteeinheit. Hochfrequente Schwingungssignale können zusätzlich mit speziellen NVH-Equipment, die im Vergleich zu kabellosen Rotationssystemen über eine dynamischere Signalerfassung verfügen, gemessen und ausgewertet werden.