Sensorbasierte Bewertung der Straßengüte

Mit einem eigens entwickelten Verfahren zur Erfassung, Bewertung und Kategorisierung der Straßenqualität bietet der Kemptener Fahrzeugmonitoring-Spezialist Monalysis Fahrzeugherstellern und -betreibern, aber auch Kommunen und deren Straßenbauämtern wesentliches Optimierungspotenzial für Fahrzeuge, Straßen und Kostenstruktur. Wichtige Komponenten des sogenannten Straßengüteverfahrens bilden hochpräzise, äußerst robuste analoge und digitale Beschleunigungssensoren von ASC mit umfangreicher Messdatenerfassung und -verarbeitung.

„Die Grundidee ist einfach“, sagt Dipl.-Ing. (FH) Benedikt Mundl, Ingenieur für Messtechnik und Betriebsfestigkeit bei Monalysis, einem Spin-off der Hochschule Kempten. „Innovative Hersteller wie MAN bieten ein breites Portfolio an LKWs, Bussen und anderen Nutzfahrzeugen für den Einsatz in unterschiedlichsten Erdteilen und Anwendungsgebieten. Straßentypen, Fahrbahn- und Umweltbedingungen variieren dabei stark. Sie wollen daher wissen, wie sich die örtlichen Gegebenheiten – und durch sie ausgelöste Anregungen und damit ins Fahrzeug eingetragene Beanspruchungen und Belastungen – auf ihre Produkte und Komponenten auswirken.“

Original Equipment Manufacturers (OEMs) passen Fahrzeuge daher bereits in der Herstellung bestmöglich an die im Einsatzgebiet zu erwartenden Bedingungen an. Damit kann man Kunden eine optimierte Ausstattung bieten, welche die Fahrzeuge länger betriebssicher hält, den Fahr- und Passagierkomfort erhöht, Ausfälle und Materialverbrauch verringert und erforderliche Wartungsarbeiten zum richtigen Zeitpunkt ansetzt. „So kann der Hersteller seinem Abnehmer ein auf dessen reale Gegebenheiten optimiertes Fahrzeuge für einen möglichst langfristigen, sicheren, kosteneffizienten Betrieb übergeben“, so Mundl.

Robuste analoge Testsensorik senkt Kosten

Mit dabei bei weltweiten Einsätzen: triaxiale kapazitive Beschleunigungssensoren vom Typ ASC 5521MF. Mit Messbereichen von ±2 bis ±200g und einem breiten Frequenzgang eignen sich besonders für die Messung niedriger und mittlerer Frequenzen. „Gerade bei der Betriebsfestigkeitsmessung ist die Erfassung sehr tiefer Frequenzen wesentlich für die Gesamtbewertung“, erklärt der Experte. Typische Fahrmanöver wie Bremsen, Beschleunigen, Kuppeln, Kurvenfahrten, das Überwinden von langen Bodenwellen, Senken und vieles mehr erfordern häufig Messbereiche bis maximal 2 Hz. „Ohne die Möglichkeit zur präzisen Erfassung solch niedriger Frequenzgänge würden wichtige Betrachtungen ausscheiden.“

Ebenso wichtig für die valide Erfassung und Auswertung des Belastungsgeschehens ist die korrekte Messung linearer Beschleunigungsanteile. Kapazitive Sensoren basieren auf hochwertigen, mikromechanischen Sensorelementen (MEMS) und sind hierfür besonders geeignet. Des Weiteren ermöglicht diese Technologie sehr kurze Einschwingzeiten. Denn vor allem beim radikalen Testen von Fahrwerken „auf Block“ kann es vorkommen, dass einzelne Schocks den eigentlichen Messbereich des Sensors übersteigen. Durch die Dimensionierung des Feder-Masse-Dämpfer-Systems ist der Sensor jedoch wieder voll funktionsfähig, sobald die Beschleunigung innerhalb des Betriebsbereiches liegt.

Die robuste Bauweise des ASC 5521MF im zuverlässigen Aluminiumgehäuse sorgt für hohe Beständigkeit gegenüber wiederholten Stoßbelastungen bis 6000 g. Er arbeitet präzise und zuverlässig bei Temperaturen von -40 °C bis +100 °C. Damit ist dieser analoge Sensor hervorragend für die exakte Datenerfassung unter stark variierenden, teils unerwarteten und widrigen Gelände-, Umwelt- und Klimabedigungen geeignet.

Was bei der Erschließung neuer Märkte von Vorteil ist, da Produzenten zunächst oft keine Daten vom Einsatzort haben. Alternativ müssten sie mit Standardausstattung arbeiten, die sich unter abweichenden Bedingungen nicht immer bewährt. Die kosteneffiziente inertiale Sensortechnologie von ASC dagegen liefert verlässliche Ergebnisse über eine große Bandbreite von Einsatzbedingungen hinweg.

Umfassende Ermittlung weltweiter Straßengüteklassen

Wenn ein Fahrzeughersteller zum Beispiel ein neues Geschäftsfeld eröffnen oder einen neuen Markt erschließen möchte, fährt er üblicherweise zunächst mit sensorbestückten Prototypen Teststrecken von zehn bis 20000 km und darüber hinaus ab. Die gesammelten Daten werden dann in ihrer Belastung und Beanspruchung bewertet und für die betrachtete Region bzw. den anvisierten Markt auf eine gewünschte Ziellaufleistung extrapoliert.

„Der Unterschied zwischen verschiedenen Einsatzgebieten ist bemerkenswert und hat großen Einfluss auf die Betriebskosten“, sagt Mundl. Vor allem die Fahrbahn- und Straßenzustände in den verschiedensten Gegenden der Erde unterschieden sich durchaus deutlich. Und dieser Parameter steht in einem direkten Zusammenhang mit den am Fahrzeug hervorgerufenen Lasten und Beanspruchungen.

Aufgrund dieses Zusammenhangs wurde in Anlehnung an das Durability Transfer Verfahren von Monalysis eine Methode erarbeitet, die eine Bewertung und Kategorisierung der Straßengüte aus Sicht der Vertikal-Beanspruchung erlaubt.

Die vertikale Fahrwerksbeschleunigung, die maßgebende Informationen zur Straßenqualität beinhaltet, wird durch Bandpass-Filterung in fünf frequenzbasierte Anteile von nieder- bis höherfrequent aufgeteilt. Durch eine Rainflow-Zählung und Schadensakkumulationsrechnung werden diese frequenzbasierten Anteile im Sinne der Materialermüdung in ihrer Schädigung bewertet.

Fünf Güteklassen zur Fahrzeug- und Ergebnisoptimierung

Abhängig von der Straßengüte ergibt sich ein sogenannter Fingerprint, der das ins Fahrzeug eingeleitete schädigungsrelevante Belastungsgeschehen im Sinne der Beanspruchung nach Höhe, Häufigkeit und Frequenzinhalt widerspiegelt. Durch Gewichtung der Schädigungswerte der frequenzbasierten Beschleunigungsanteile lässt sich nun unabhängig von Fahrzeuggegebenheiten die Straßengüte bestimmen, welche der mittleren Schädigung des Gesamtfahrzeugs in vertikaler Richtung entspricht. Dieses Vorgehen ist auch zur Bestimmung des vertikalen Schädigungsgeschehens einzelner Baugruppen möglich.

Anhand der Intensität dieses vertikalen Schädigungsgeschehens wurden fünf Straßengüteklassen definiert (von sehr wenig belastend bis extrem belastend), die eine Kategorisierung von Straßen weltweit nach einheitlichen Kriterien vornehmen.

Das neue Verfahren ermöglicht:

• einen Vergleich des vertikalen Belastungsgeschehens auf unterschiedlichen Strecken und Straßen unabhängig von individuellen Fahrzeuggegebenheiten (wie z.B. Art der Federung, Radstand, Art des Aufbaues);
• einen direkten Vergleich des vertikalen Belastungsgeschehens auf unterschiedlichen Strecken und Straßen mit dem des Auslegungsmaßstabs;
• eine fahrzeugunabhängige Kategorisierung der Straßengüte sowie einen Vergleich von Strecken, Straßen und Regionen;
• die Bewertung und den Vergleich ganzer Fahrzeugeinsätze im Test- und Kundenbetrieb in Bezug auf das vertikale Belastungsgeschehen sowie auf die Straßenqualität;
• eine Auswertung ganzer Fahrzeugeinsätze bezüglich der prozentualen Anteile der Straßengüteklassen der jeweiligen Straßenkategorien der gefahrenen Strecken und Bewertung der Ergebnisse unter dem Gesichtspunkt Regionalität.

Aus den so erfassten Straßenzuständen kann der OEM nun die relevanten Informationen für die geplante Weiterentwicklung seiner Produkte ziehen.

Validierung mithilfe inertialer Sensoren

Um die universale, fahrzeugunabhängige Gültigkeit seines Straßengüteverfahrens zu überprüfen, führte Monalysis kürzlich zwei umfassende Lastermittlungen mit inertialen Beschleunigungssensoren des Typs ASC 5521MF durch. Getestet wurden auf je rund 10.000 km öffentlicher Straßen sowie Erprobungsstrecken zwei unterschiedliche LKWs mit jeweils circa 150 Messkanälen am gesamten Fahrzeug verteilt:

• ein luftgefederter, schwerer Sattelzug in Europa,
• und ein blattgefederter, leichter LKW in Brasilien.

Fazit: Die Struktur beider Fahrzeuge zeigte über alle getesteten Straßenarten, Umweltbedingungen und Fahrverhalten hinweg ein ähnliches Verhalten. Unabhängig von Region, Fahrzeugtyp und spezifischen Fahrzeuggegebenheiten ließen sich damit unter Berücksichtigung von Gewichtsfaktoren zur rechnerischen Ermittlung des vertikalen Belastungsgeschehens für das jeweilige Gesamtfahrzeug die getroffene Kategorisierung nach fünf Straßengüteklassen und deren Einfluss auf das vertikale Belastungsgeschehen verifizieren.

Digitale Sensoren zur Echtzeit-Erfassung von Straßenschäden

Während analoge Sensoren zusammen mit umfangreichem Testequipment für temporäre Testfahrten in Fahrzeuge eingebaut werden, lassen sich zum Beispiel Linienbusse leicht mit den digitalen Accelerometern von ASC nachrüsten und können damit im laufenden Betrieb Straßengütedaten übermitteln.

„In seiner digitalen Sensorvariante ist unser Verfahren auch für Straßenbauämter interessant“, meint Mundl. Denn viele Straßen in Deutschland befinden sich in schlechtem Zustand. Besonders nach kalten Wintern treten vielfach Risse, Schlaglöcher und fortschreitende Fahrbahnschäden auf. Herkömmliches Monitoring für das kommunale Straßennetz ist jedoch in der Regel kosten- und zeitintensiv.

In der schwäbischen Stadt Kempten läuft daher das durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr geförderte Projekt ErNeSt, in dem die Hochschule Kempten und Monalysis alternative Ansätze zum permanenten Erfassen des Straßenzustands erarbeiten. Ein Aspekt dieses Projekts ist, dass Monalysis triaxiale digitale Beschleunigungssensoren der Serie ASC DiSens ECO-3321 mit CAN-Schnittstelle in ÖPNV-Linienbusse integriert, um damit häufig befahrene Fahrbahnoberflächen mehrmals täglich, autark und ohne Mehraufwand für die Betreiber zu erfassen. Simultan wir der Zustand analysiert und gemäß einer gewünschten Skala klassifiziert. Hierfür wird bei relevanten Streckenabschnitten das Beschleunigungsgeschehen in verschiedene Frequenzbereiche untergliedert und entsprechend bewertet.

Die digitalen Schnittstellen-Optionen und Filtereinstellungen dieses digitalen Inertialsensors erlauben einen unkomplizierten Datentransfer. Während die Wiederholung gleichbleibender Bedingungen – täglich selbe Strecken, Verkehrsaufkommen, Fahrzeuggewicht und -zustand, Lenkverhalten usw. – eine verlässliche Grundlage für die Bewertung der Messdaten und eventueller Abweichungen vom Normalzustand ergibt. „Straßenbauämter können auf dieser Basis rasch eingreifen und Problemstellen beheben, bevor schwerere Schäden mit erheblichem Instandsetzungsaufwand entstehen.“

Führende Fahrzeughersteller verlassen sich auf Sensoren von ASC

In langjähriger Zusammenarbeit mit führenden Fahrzeugherstellern und Testlabors haben die Sensor-Spezialisten von ASC ein breites Angebot an Sensorlösungen für die Automotive-Branche entwickelt, mit denen Entwicklungs- und Messingenieure ihre anspruchsvollen Testreihen optimal durchführen können.

„Für unsere Projekte haben wir zunächst Sensormodelle verschiedener Hersteller intensiv getestet und uns dann für Beschleunigungssensoren von ASC entschieden“, erinnert sich Mundl. „Neben der hohen Qualität und dem sehr guten Preis-Leistungs-Verhältnis waren für uns auch die Empfehlungen führender Fahrzeughersteller ausschlaggebend, die bereits Sensoren von ASC einsetzten und mit deren Performance sehr zufrieden sind.“