Vom Konzept zur Praxis

Mit Hardware-in-the-loop-Prüfständen wie denen von TMX lassen sich Komponenten in einer virtuellen, aber realitätsgetreuen Umgebung testen. 

In der Entwicklung mechatronischer Fahrzeugkomponenten nimmt die Komplexität kontinuierlich zu. Software und Hardware wachsen enger zusammen, Steuergeräte übernehmen sicherheitskritische Aufgaben und Systeme müssen unter vielfältigen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren.  

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind realitätsnahe Tests in frühen Entwicklungsphasen unerlässlich. Genau hier setzen Hardware-in-the-Loop (HiL)-Tests an: Sie ermöglichen es, Komponenten in einer virtuellen, aber realitätsgetreuen Umgebung zu testen – schnell, sicher und effizient. Damit sind HiL-Prüf­stände heute aus modernen Entwicklungsprozessen nicht mehr wegzudenken. Ein maßgeblicher Entwickler  und Produzent solcher Testsysteme ist die TMX Solutions GmbH aus Friedberg. 

Was ist ein HiL-Test? 

Hardware-in-the-Loop beschreibt ein Testverfahren, bei dem reale Hardware, etwa eine mechatronische Komponente oder Baugruppe wie Zentralverriegelung, Spiegelverstellung, Klimaanlagen oder Lenksysteme, in eine Simulationsumgebung eingebunden wird. Ziel ist es, das Verhalten der Komponente unter realitätsnahen Bedingungen zu prüfen, ohne das physische Gesamtsystem aufbauen zu müssen. Der Prüfling „glaubt“, bereits im realen System zu arbeiten, da alle relevanten Signale, physikalischen Größen und Buskommunikation simuliert werden. So lassen sich Fehler frühzeitig erkennen, Entwicklungszeiten verkürzen und die Systemsicherheit verbessern. 

Prüfstände im Detail 

Ein HiL-Prüfstand verbindet reale Hardware mit einem digitalen Modell des Gesamtsystems. Dabei werden sowohl mechanische Einflüsse wie Kräfte, Temperaturen und Vibrationen als auch elektronische Signale und Kommunikationsprotokolle abgebildet.  

Echtzeitfähige Simulationen erlauben es, die Reaktion des Prüflings unter dynamischen Bedingungen zu analysieren. Gängige Bussysteme wie CAN oder LIN sorgen für die Verbindung zwischen Steuergerät und Aktorik. Über spezialisierte Softwareplattformen – etwa auf Basis von Matlab Simulink, Vector oder dSpace – wird das Systemverhalten in Echtzeit abgebildet und kontrolliert. 

Typische Einsatzbereiche 

HiL-Prüfstände finden sich in zahlreichen Branchen: 

■ Automobilindustrie: Validierung von elektromechanischen Komponenten wie elektrischen Fensterhebern, Sitzverstellungen oder Lenksystemen. 

■ Landmaschinen: Test von Getrieben und hydraulischen Subsystemen unter dynamischen Lasten und Umweltbedingungen. 

■ Bahnindustrie: Prüfung von Bahngetrieben, Zugtüren oder Klimaanlagen unter realitätsnahen Betriebsprofilen. 

Anforderungen  

Ein moderner HiL-Prüfstand muss hohen Anforderungen genügen: Die Simulationssoftware muss flexibel und erweiterbar sein, die Hardware robust und zuverlässig. Besonders kritisch ist die Echtzeitfähigkeit – nur so lassen sich dynamische Reaktionen exakt nachbilden. Erweiterbarkeit und Modularität sorgen dafür, dass neue Steuergeräte, Busprotokolle oder Umweltsimulationen integriert werden können.  

Die Bedienoberfläche muss intuitiv sein, gleichzeitig aber auch komplexe Testabläufe abbilden und dokumentieren können. 

Praxisbeispiel Fensterheber 

Ein elektrischer Fensterheber wirkt auf den ersten Blick eher unspektakulär. Doch bei genauerer Betrachtung offenbart sich einiges an Komplexität: Ein moderner Fensterheber vereint heutzutage Mechanik, Elektronik, Sensorik, Bus-Kommunikation und sicherheitsrelevante Funktionen - und macht ihn damit zu einem idealen Kandidaten für die HiL-Prüfung. 

Im Test geht es nicht nur darum, ob das Fenster rauf und runter fährt. Es geht um realitätsnahe Belastungen, um Temperaturverhalten, um Kommunikation mit dem Steuergerät und um intelligente Funktionen wie Einklemmschutz oder Komfortbedienung.  

Belastung realistisch simuliert 

Im Prüfstand wird der Fensterhebermotor auf einem mechanischen Versuchsaufbau montiert, der ihn unter realitätsnahen Bedingungen betreibt. Dabei werden die in der Realität auftretende Reibungskräfte – etwa durch Gummidichtungen oder Führungen – als Lastmomente an der Motorwelle nachgebildet. Am unteren und oberen Anschlag steigen die Kräfte stark an, wie durch die Krümmung des Glases oder die Begrenzung durch den Rahmen. Durch die Simulation eines typischen Weg-Kraft-Profils kann exakt nachvollzogen werden, wie sich die Belastung entlang der Bewegung verändert – etwa, wenn sich das Fenster dem oberen Anschlag nähert oder eine Blockade auftritt.  

Der Prüfstand kann sogar absichtlich Störungen wie verklemmte Umlenkrollen oder blockierte Seilführungen einspielen, um die Reaktion des Systems zu testen – ein entscheidender Schritt, um Komfort- und Sicherheitsfunktionen abzusichern. 

Von arktisch bis tropisch 

Der Fensterheber muss extremen klimatischen Bedingungen standhalten: von arktischen - 40 bis über +100 °C durch Hitzestau. Im Prüfstand wird der Motor in einer Temperaturkammer gezielt aufgeheizt oder gekühlt, um thermische Effekte auf das Motorverhalten zu untersuchen. Dabei werden Strom und Spannung, Drehmoment, Hub des Fensters und Motortemperatur in Relation zur Umgebungstemperaturen gemessen. So lässt sich analysieren, wie sich beispielsweise Hitzestau bei direkter Sonneneinstrahlung oder gefrorene Dichtungen auf das Startverhalten, die Leistungsentfaltung und die Stromaufnahme auswirken. Durch die gezielte Variation von Temperatur und Lastmoment lassen sich thermisch bedingte Fehlfunktionen, Leistungsverlust oder Materialermüdung frühzeitig erkennen und im Sinne von Condition Monitoring bewerten. 

Steuerung und Kommunikation 

Die Steuerung des Fensterhebers erfolgt über ein Steuergerät (ECU), das über Feldbusse wie CAN oder LIN mit dem Motor kommuniziert. Der Prüfstand simuliert das Fahrzeugumfeld samt Tastern, Türverriegelung und Komfortfunktionen. Dabei werden auch sicherheitsrelevante Funktionen wie Einklemmschutz gezielt ausgelöst und das Reaktionsverhalten des Systems analysiert. 

Die Messdaten werden in Echtzeit erfasst, ausgewertet und den Simulationsmodellen und Regelalgorithmen zugeführt (Closed -Loop-Kreislauf). Durch die vollständige Kopplung von Mess-, Steuer- und Simulationswelt ergibt sich ein geschlossenes HiL-System – leistungsfähig, skalierbar und reproduzierbar. 

Maßgeschneidert 

Die Vorteile von HiL-Testing liegen auf der Hand: realitätsnahe Tests in frühen Entwicklungsphasen, geringere Fehlerrisiken und eine beschleunigte Markteinführung. Doch um das Potenzial voll auszuschöpfen, braucht es Prüfstände, die perfekt auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sind – technisch, funktional und wirtschaftlich. 

Je nach Branche und Aufgabenstellung unterscheiden sich Anforderungen, Schnittstellen und verwendete Tools erheblich. Deshalb setzen manche Anbieter – wie etwa TMX Solutions – auf kundenspezifische Prüfstandskonzepte. Mit Erfahrung aus über 20 Jahren Prüfstandsbau und einem tiefen Verständnis für Mess-, Steuer- und Regeltechnik entwickelt TMX individuelle Lösungen, die sich flexibel an bestehende Systemlandschaften und gängige Tools anpassen lassen. 

Autoren: Nils Becker, TMX Solutions GmbH, Christian Perdok, Perdok Engineering 

Bilder: TMX Solutions GmbH, iStock-1977119424-fensterheber