Das Verständnis des Verhaltens von Fahrzeugkomponenten unter verschiedenen Aufprallbedingungen ist entscheidend für die Verbesserung der Fahrzeugsicherheit und -leistung. So kann beispielsweise die Analyse der Reaktion einer Autotür bei einem Aufprall wertvolle Einblicke in ihr Verhalten bei einem Unfall liefern und so zur Entwicklung sichererer Designs beitragen. Diese detaillierte Untersuchung hilft auch bei der Auswahl von Materialien, die Vibrationen besser absorbieren oder dämpfen, was erheblich zur Gesamtsicherheit des Fahrzeugs beiträgt.
Dasselbe gilt für Räder, die zu den ersten Komponenten gehören, die auf Kräfte reagieren, die durch Hindernisse auf der Straßenoberfläche wie Schlaglöcher oder Bordsteinkanten erzeugt werden. Ihr Design und die verwendeten Materialien beeinflussen, wie gut das Fahrzeug diese Stöße verarbeitet. Die Minimierung oder Dämpfung von Vibrationen trägt zur Wahrnehmung von Qualität und Sorgfalt bei, was die Kundenzufriedenheit und den Ruf der Marke verbessern kann.
Um die Sicherheit und den Komfort von Autos zu optimieren, ist es wichtig, das Verformungsverhalten von Komponenten während dynamischer Prozesse und unter Belastung zu verstehen, beispielsweise beim Schließen einer Tür oder beim Überfahren eines Hindernisses mit dem Reifen. Eine Herausforderung bei der Bewertung der Verformung ist die umfassende Abdeckung eines großen Bereichs, was herkömmliche Messmethoden oft nicht ausreichend leisten können. Die folgenden Messungen an einer Autotür und einem Reifen veranschaulichen einen Ansatz, der ausschließlich Videodaten verwendet, um die erforderlichen Erkenntnisse mit geringem Aufwand und erhöhter Effizienz zu erfassen.
Für unsere Testmessung verwendeten wir eine Chronos-Hochgeschwindigkeitskamera, um Videodaten beider Szenarien mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von 1000 Bildern pro Sekunde zu erfassen. Angesichts der gleichmäßigen Oberflächen der Autotür und des Reifens mussten wir diese so vorbereiten, dass sie visuelle Hinweise auf Musterveränderungen oder Verzerrungen lieferten. Dazu brachten wir weißes Klebeband in einem Kreuzmuster auf der Tür und dem Reifen an. Die Kamera wurde auf einem Stativ in etwa 1,5 m Entfernung platziert und in verschiedene Winkel umpositioniert.
Da die Messungen in einer relativ dunklen Testumgebung durchgeführt wurden, setzten wir flimmerfreies Licht ein, um eine optimale Bildaufnahme während des Aufnahmeprozesses zu gewährleisten.
Traditionelle Methoden wie der Einsatz mehrerer Beschleunigungssensoren oder eines Mehrpunkt-Laser-Doppler-Vibrometers sind kostspielig, komplex und zeitaufwändig. Sensoren fügen zusätzliches Gewicht hinzu, was die Verformung der Struktur beeinflusst, während Lasersysteme präzise, oft nicht reproduzierbare Bedingungen erfordern und eine Anregung durch einen Prüfhämmer notwendig machen.
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Beim Schließen einer Autotür breitet sich eine erhebliche Kraft durch die Türverkleidung und ihre innere Struktur aus. Da dieser dynamische Prozess innerhalb von Millisekunden abläuft, ist eine präzise Erfassung des Ereignisses unerlässlich. Dazu wurden die Chronos-Hochgeschwindigkeitskamera und die Beleuchtung aus verschiedenen Winkeln positioniert, wobei die relevantesten Daten aus einem Winkel von etwa 30 bis 40 Grad zur Tür gewonnen wurden.
Um zu verstehen, wie sich diese Energie verteilt, werden die Videodaten in die Vibrationsanalysesoftware WaveCam importiert. WaveCam verstärkt die normalerweise unsichtbaren Vibrationen der Autotür und macht sie für das menschliche Auge sichtbar. In der resultierenden Visualisierung zeigt Rot die maximale Verformung, die das obere Ende der Skala repräsentiert, während Hellblau die Bereiche minimaler Verformung markiert.
In der zweiten Messung konzentrierten wir uns darauf, das Deformationsverhalten von Reifen bei einem Aufprall auf ein Hindernis zu verstehen. Insbesondere analysierten wir, wie der Reifen reagiert, wenn ein Hindernis die Seitenwand des Rads trifft, mit dem Ziel, die dabei entstehenden Spannungsstellen und Deformationsmuster innerhalb der Reifenstruktur zu identifizieren. Um den Schockimpuls genau zu simulieren, wurde ein Gummihammer eingesetzt, um einen kontrollierten Aufprall zu erzeugen.
Da unser Hauptinteresse auf der Reaktion des Reifens und nicht des Rades lag, wurde während der Nachbearbeitung ein Ausschnitt angewendet, um die Deformation des Reifens im Detail zu isolieren und zu untersuchen. Verschiedene Messwinkel wurden in Betracht gezogen, wobei die informativsten Ergebnisse bei einem Winkel von etwa 30 Grad erfasst wurden.
Die zeitliche ODS (Operational Deflection Shape) aus der ersten Messung veranschaulicht deutlich, wie sich der Impuls durch die Türstruktur ausbreitet. Sie zeigt eindrucksvoll, dass der untere mittlere Bereich der Tür sowie der Bereich um den Türgriff stärker schwingen als andere Abschnitte.
Die zeitliche ODS des Reifens zeigt, wie sich der Impuls durch den gesamten Reifen ausbreitet. Gleichzeitig offenbart die frequenzbezogene ODS spezifische Resonanzen: eine ausgeprägte Resonanz über einen größeren Teil des Reifens bei 39 Hz und höherfrequente Moden, wie z. B. bei 188 Hz, die mit dem äußeren Bereich des Reifens in Verbindung stehen.
Die Messungen an der Autotür und am Reifen haben bewiesen, dass die Verwendung von Schwingungsanalysen mit WaveCam-Technologie in Kombination mit einer Hochgeschwindigkeitskamera eine valide Methode ist, um wertvolle Informationen über das Deformationsverhalten von Fahrzeugteilen im Zeit- und Frequenzbereich zu gewinnen. Dieser Ansatz zur Schwingungsüberwachung ermöglicht die Analyse von Reaktionen auf verschiedene Einwirkungen mit minimalem Aufwand und in kurzer Zeit. Für eine detailliertere Analyse könnte es vorteilhaft sein, mit einem kleineren Messgitter oder einer gemusterten Folie für eine höhere Auflösung zu arbeiten. Zudem könnte die Erfassung unterschiedlicher Perspektiven, z. B. eine Draufsicht auf den Reifen, zusätzliche Informationen liefern.
