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Wie sich die Konstruktion von Off-Highway-Fahrzeugen optimieren lässt

| Autor / Redakteur: Paul Johnston * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Off-Highway-Fahrzeuge werden vermehrt elektrifiziert, automatisiert und damit immer komplexer. Die Verbindung der elektrischen und mechanischen Bereiche durch integrierte CAD-Tools für Elektrik und Mechanik erleichtert Konstrukteuren das Lösen elektromechanischer Probleme.

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Ein moderner Traktor: seine Kabine ist mit elektronischen Steuerungen und mehreren Anzeigen ausgestattet.
Ein moderner Traktor: seine Kabine ist mit elektronischen Steuerungen und mehreren Anzeigen ausgestattet.
(Bild: ©artfocus - stock.adobe.com)

Entsprechend den Megatrends der Automobilindustrie werden Off-Highway-Fahrzeuge und schwere Nutzfahrzeuge immer mehr elektrifiziert und automatisiert. Da die Hersteller immer öfter elektrische und elektronische (E/E) Funktionen, elektrische Antriebe und automatisierte Fahrsysteme in Off-Highway-Fahrzeuge integrieren, steigt die Komplexität dieser E/E-Systeme. Ingenieure, die sich den Herausforderungen stellen, die mit dieser zunehmenden Komplexität verbunden sind, werden durch herkömmliche Konstruktionsmethoden behindert, die die Konstruktion der Elektrik und der Mechanik voneinander trennen.

ECAD-MCAD-Integration: dank ihr können Maschinenbau- und Elektroingenieure zwischen Anwendungen wechseln und wertvolle Kontextinformationen aus jedem Bereich bereitstellen.
ECAD-MCAD-Integration: dank ihr können Maschinenbau- und Elektroingenieure zwischen Anwendungen wechseln und wertvolle Kontextinformationen aus jedem Bereich bereitstellen.
(Bild: Mentor Graphics)

In diesem Beitrag werden die Vorteile der Verbindung der elektrischen und mechanischen Bereiche durch integrierte CAD-Tools für Elektrik und Mechanik (ECAD/MCAD) untersucht. Eine solche ECAD-MCAD-Integration erleichtert es den Konstrukteuren, kostspielige elektromechanische Probleme bei der Fahrzeugentwicklung zu beseitigen und die Zuverlässigkeit, Effizienz und Haltbarkeit der elektrischen und mechanischen Systeme zu gewährleisten.

Die Entwicklung von Off-Highway-Fahrzeugen

Die Herausforderungen bei der Entwicklung von Off-Highway-Fahrzeugen nehmen aufgrund zunehmender Größe und Komplexität der elektrischen Systeme zu. Ein Netzwerk von elektronischen Steuergeräten (ECUs) und Sensoren überwacht und steuert die wichtigen Systeme dieser Fahrzeuge. Steuergeräte überwachen die Temperatur, den Druck und die Position verschiedener Bauteile und können die Betätigung von Hydraulik, Motorventilen und mehr steuern. Die zunehmende Elektrifizierung von Off-Highway-Fahrzeugen zeigt sich auch in der Kabine. So verfügen beispielsweise Traktoren heute über elektronische und digitale Steuerungen sowie Kabinenausstattungen wie Sitzheizung und Klimaanlage (Aufmacher).

Der Anteil der Elektronik wird weiter zunehmen,

Der Anteil der Elektronik wird noch erheblich zunehmen, wenn Hersteller von Off-Highway-Fahrzeugen in Hybrid- und vollelektrische Antriebe investieren. Elektrische Antriebe enthalten weniger bewegliche Teile und müssen deutlich seltener gewartet werden als Verbrennungsmotoren. Sie bieten auch eine höhere Energieeffizienz, reduzieren die Emissionen, senken die Betriebskosten und steigern die Arbeitsleistung.

Off-Highway-Arbeiten unter Extrembelastung

Off-Highway-Arbeiten beanspruchen jedoch die elektrischen Antriebe und Systeme stark. Off-Highway-Fahrzeuge müssen viele Stunden unter extremen Temperaturen und in staubigen, schmutzigen Umgebungen arbeiten können. Die Arbeitszyklen dieser Fahrzeuge bedingen auch viele und hohe Lade- und Entladevorgänge der Batterien, für die Standardbatterien nicht geeignet sind. Um die beträchtlichen und schnellen Lade- und Entladevorgänge zu bewältigen, die durch Funktionen wie regeneratives Bremsen und schweres Heben entstehen, werden Super- und Ultrakondensatoren benötigt. Diese komplexen elektrischen Systeme müssen in vorhandene hydraulische und andere mechanische Systeme integriert werden.

Mittlerweile macht die autonome Fahrzeugtechnik auch in der Off-Highway-Branche Fortschritte. Allerdings werden automatisierte Antriebssysteme die Erfüllung der Sicherheits- und Funktionsanforderungen bei der elektromechanischen Konstruktion weiter erschweren. Elektrische und elektronische Systeme werden noch komplexer, um die vielen neuen Erfassungs- und Rechengeräte zu unterstützen, die für automatisierte Fahrzeuge benötigt werden. Darüber hinaus benötigen automatisierte Fahrzeuge redundante elektrische Systeme, um sicherheitskritische Funktionen bei Ausfällen von Elektronikbauteilen oder bei Unfällen zu erhalten. Diese redundanten Systeme erhöhen die Gesamtkomplexität der Fahrzeugkonstruktion weiter.

Elektromagnetische Störungen bergen Gefahren

Die Leitungen für die verschiedenen elektronischen Steuerungen, Module und Systeme müssen im gesamten Fahrzeug verlegt werden und befinden sich in unmittelbarer Nähe zu mechanischen Systemen und anderen elektrischen Leitungen. Dadurch steigt die Gefahr von elektromagnetischen wie anderen physikalischen Störungen. Solche und andere Fehler wie ein nicht ordnungsgemäß abgeschirmter Draht können angesichts der Komplexität der elektrischen und mechanischen Systeme leicht übersehen werden. Falls diese Fehler unbemerkt bleiben, können Geräte ineffizient arbeiten oder vor Ort fehlerhaft funktionieren, was zu Produktivitätsverlusten und Sicherheitsrisiken führen kann.

Da der elektrische und elektronische Anteil bei Off-Highway-Fahrzeugen weiter zunimmt, werden auch die Wechselwirkungen zwischen den elektrischen und mechanischen Systemen erheblich zunehmen. Heute können es sich die Hersteller von Off-Highway-Fahrzeugen nicht mehr leisten, bis zum Bau von Prototypen zu warten, um die ECAD- und MCAD-Kompatibilität zu überprüfen. Der Sitz und die Funktion des Kabelbaums und aller zugehörigen elektrischen Komponenten im Fahrzeug mit allen mechanischen Beschlägen müssen bereits während der Konstruktionsphase sichergestellt werden.

Die optimale Strategie besteht darin, ein System zu verwenden, mit dem ECAD- und MCAD-Konstruktionsdaten während des gesamten Konstruktionsprozesses konsistent ausgetauscht werden können. Durch eine konsistente Kommunikation können ECAD- und MCAD-Teams Probleme frühzeitig lösen, was kostspielige Nacharbeiten zu einem späteren Zeitpunkt des Konstruktionszyklus vermeidet. Die Ingenieure können dann auch leichter die Fahrzeugkonstruktion optimieren, um sich ändernden Einschränkungen gerecht zu werden und gleichzeitig Qualitäts-, Leistungs- und Zuverlässigkeitsstandards beizubehalten. Schließlich können ECAD- und MCAD-Konstrukteure in ihren eigenen Konstruktionsumgebungen zusammenarbeiten, ohne neue Tools erlernen zu müssen. Die konsistente und iterative Kommunikation zwischen ECAD- und MCAD-Teams verkürzt die Markteinführungszeit, ermöglicht die Erstellung fehlerfreier Konstruktionen und erhöht die Produktivität.

Übergang von Schnittstellen zur Integration

ECAD-MCAD-Ko-Konstruktion ist leichter gesagt als getan. Traditionell sind die elektrischen und mechanischen Bereiche getrennt. Ingenieure arbeiten mit völlig unterschiedlichen Arten von Tools und verwenden völlig unterschiedliche Terminologien. Mechanische und elektrische CAD-Systeme haben unterschiedliche Möglichkeiten, die Struktur desselben Objekts darzustellen. Oft befinden sie sich sogar an verschiedenen Standorten.

Aufgrund dieser Hindernisse waren bisherige Bemühungen um Zusammenarbeit zwischen den Bereichen nur begrenzt erfolgreich. Bei der bisherigen Zusammenarbeit zwischen ECAD und MCAD wurden einfachste Techniken verwendet, von Haftnotizen und E-Mail bis hin zu Excel-Tabellen. Diese Ansätze konnten die Zusammenarbeit zwischen elektrischen und mechanischen Bereichen nicht verbessern, da sie weiterhin auf manueller Dateneingabe und -übertragung beruhten. Daher konnte weder die Richtigkeit der übertragenen Daten gewährleistet noch eine signifikante Zeitersparnis erzielt werden.

Infolgedessen griffen viele Produktentwicklungsteams bei Off-Highway-Fahrzeugen auf intern entwickelte Software und Prozesse für die Zusammenarbeit zurück, die bei jeder neuen Version der zugrunde liegenden ECAD- und MCAD-Tool-Suiten getestet und verifiziert werden mussten. Die Wartung dieser lokal entwickelten Software und Prozesse war kostspielig, da dedizierte interne Support-Mitarbeiter erforderlich waren, um Updates zu implementieren und Fehler nach Bedarf zu beheben.

Höhere Vernetzung, Integration und Zusammenarbeit

Die elektrischen und mechanischen Konstruktionsprozesse profitieren von einer stärkeren Vernetzung, Integration und Zusammenarbeit. Das Cross-Probing zwischen Anwendungen, die verschiedene Bereiche bedienen, ermöglicht eine engere Integration und Zusammenarbeit, indem jedem Bereich Kontextinformationen zur Verfügung gestellt werden, die sie bei ihrer Konstruktionsarbeit nutzen können (Bild).

Ein wesentliches Merkmal einer solchen Integration ist das Ersetzen eines umständlichen Datenaustausches durch manuellen Export einer umfangreichen Änderungsdatei in ein Dateisystem, damit die anderen Ingenieure sie abrufen und dann wieder importieren können. Moderne ECAD- und MCAD-Tools unterstützen Integrationen auf API-Ebene, bei denen die beiden Bereiche direkt verbunden sind, um Konstruktionen sofort durch Änderungen oder neue Daten zu aktualisieren.

Dank dieser Integration können das elektrische System und der Kabelbaum mit expliziter Kenntnis der nassen, heißen und lauten Bereiche der mechanischen Konstruktion entworfen werden. Auf der mechanischen Seite kann Raum reserviert werden, um sicherzustellen, dass die Kabelbündel den minimalen Biegeradius- und Durchmesserbeschränkungen für die Verlegung in den mechanischen Strukturen entsprechen.

Die bereichsübergreifende Zusammenarbeit ist wichtig

Darüber hinaus erfordert das Hinzufügen von Objekten wie Clips, Ösen und Schläuchen zur Kabelbaumkonstruktion eine bereichsübergreifende Zusammenarbeit. Es ist am besten, diese Objekte in der 3D-MCAD-Umgebung zu erstellen und dann mit elektrischen Daten aus dem ECAD-Tool zusammenzuführen. Sobald diese Zuordnung hergestellt ist, kann der vollständig produktionsreife Kabelbaum in allen seinen Konfigurationen automatisch konstruiert werden.

Die enorme Komplexität moderner Off-Highway-Fahrzeuge führt zu Hunderten oder sogar Tausenden von Änderungsaufträgen, die sich auf Kabellänge, -typ und physische Platzierung auswirken. Die effiziente Verwaltung dieser Änderungen ist für eine effektive bereichsübergreifende Zusammenarbeit von größter Bedeutung.

Beispielsweise erfordert die Formboard-Konstruktion eine enge Zusammenarbeit zwischen den mechanischen und elektrischen Bereichen. Ein Maschinenbauingenieur definiert die Einschränkungen des Biegeradius des Kabelbündels basierend auf seiner physikalischen Struktur und den Eigenschaften der darin enthaltenen Kabel, um zu verhindern, dass die Verformung des Bündels die Leistung beeinträchtigt. Sobald diese Einschränkungen des Biegeradius an die ECAD-Lösung zurückgemeldet wurden, kann das Formboard erstellt werden, auf dem der Kabelbaum montiert wird. Mit den Biegebeschränkungen von MCAD könnte die ECAD-Lösung den Formboard-Ingenieur alarmieren, wenn er ein Modell erstellt, das nicht kostengünstig hergestellt werden kann. Der ECAD-Konstrukteur kann dann schnell die erforderlichen Änderungen durchführen und mit der Formboard-Konstruktion beginnen.

Die Herausforderung des Änderungsmanagements besteht jedoch darin, die Änderungen des anderen schnell und effizient zu verfolgen. Es gibt zwei Hauptaspekte des Änderungsmanagements. Der erste ist das automatische Zusammenführen von Daten und die übersichtliche Anzeige von Änderungen für den Konstrukteur. Der zweite wichtige Aspekt ist eine Änderungsrichtlinie, die den Master der Daten und die Richtung definiert, in die Änderungen fließen.

Integrierte ECAD- und MCAD-Lösungen ermöglichen ein robustes und effizientes Änderungsmanagement. ECAD-Lösungen wie Capital können automatisch eine Liste eingehender Konstruktionsänderungen erstellen. Diese Liste unterstützt Live-Cross-Probing zwischen elektrischem und mechanischem Bereich und kann eine Vorschau von Änderungen in einer Vielzahl von Diagrammen anzeigen. Außerdem kann jede Änderung einzeln akzeptiert oder abgelehnt werden, wodurch der Ingenieur viel Kontrolle über die Implementierung der Änderung erhält.

Mithilfe einer Änderungsrichtlinie können Maschinenbau- und Elektroingenieure automatisch steuern, wie Daten geändert werden. Die Verantwortung für Daten wird stückweise festgelegt, damit die Änderungsrichtlinie auf einzelne Entwurfsabläufe zugeschnitten werden kann. Die zur Auswahl stehenden Teile sind sehr detailliert, so dass Regeln für bestimmte Attribute einzelner Bauteile festgelegt werden können.

Bessere Konstruktion schwer arbeitender Fahrzeuge

Das ECAD-MCAD-Co-Design ist eine leistungsstarke Strategie zur Steigerung der Produktivität und zur Gewährleistung robuster Konstruktionen von Off-Highway-Fahrzeugen. Mit modernen CAD-Tools können die Konstrukteure ihre Daten effizienter synchronisieren und bei kritischen Entwurfselementen effektiver bereichsübergreifend zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Entwurfsziele ordnungsgemäß umgesetzt werden.

Integrierte elektrische und mechanische Anwendungen

Während der Konstruktionsarbeit helfen integrierte elektrische und mechanische Anwendungen den Ingenieuren, den jeweils anderen Bereich besser zu verstehen. Inkompatibilitäten werden frühzeitig erkannt und behoben, wodurch kostspielige Entwurfswiederholungen reduziert werden. Eng gekoppelte Anwendungen, die Prüfungen von Konstruktionsregeln enthalten und die Best Practices für die Konstruktion erfassen können, bieten einen zusätzlichen Vorteil. Denn durch die Einführung dieser Best Practices wird sichergestellt, dass die elektromechanischen Systeme in Off-Highway-Fahrzeugen den schwierigen Arbeitsbedingungen standhalten, unter denen sie arbeiten müssen. Die ECAD-MCAD-Ko-Konstruktion mit umfassender Unterstützung für das Änderungsmanagement unterstützt Ingenieurteams bei der Optimierung von Off-Highway-Fahrzeugdesigns hinsichtlich Zuverlässigkeit und Leistung.

* Paul Johnston ist Portfolio Development Executive bei Siemens Digital Industries Software.

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