Fußgängerattrappen realistisch bewegt – mit linearer Antriebstechnik

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Unfälle voraussehen und verhindern oder abmildern – ein Schwerpunkt des Zewis (Zentrum für Wissenschaftliche Services und Transfer) ist der Bereich Automotive. Das Zewis der Hochschule Aschaffenburg bildet eine praxisorientierte Schnittstelle zwischen Wirtschaft und Forschung.
Prof. Dr.-Ing. Klaus Zindler leitet dort das Kompetenzzentrum für Fahrzeugregel- und Fahrzeugsicherheitssysteme (Competent Control). Dort werden insbesondere vorrausschauende und selbsttätig agierende Fahrzeugsicherheits- und Fußgängerschutzsysteme erforscht – also Systeme, die sicherheitskritische Verkehrssituationen frühzeitig erkennen und anschließend automatisch entsprechende Maßnahmen zur Vermeidung eines Unfalls einleiten. Die Wissenschaft steht bei der Erprobung dieser komplexen Systeme noch ganz am Anfang, unter anderem müssen erst einmal passende Testanlagen entstehen.
Im Rahmen seiner Masterarbeit entwickelte der ehemalige Mechatronik-Student Andreas Blank eine elektrisch angetriebene Testvorrichtung, mittels der sich mobile Fußgängerattrappen führen lassen. Denn bei Fahrzeugsicherheitsversuchen muss sich eine Unfallsituation nachstellen lassen, die im realen Straßenverkehr leider häufig vorkommt: Ein Fußgänger überquert die Straße, ohne ein sich näherndes Fahrzeug zu beachten. Die Testanlage muss dabei gewährleisten, dass das Bewegungsvermögen eines Fußgängers realistisch abgebildet wird. Gleichzeitig sollten sich möglichst viele Szenarien nachstellen lassen – schließlich bewegen sich nicht alle Menschen gleich schnell. Es muss also möglich sein, die Attrappe flexibel zu beschleunigen und in Abhängigkeit von der Fahrzeugbewegung zeitgenau zu positionieren. Zudem müssen alle verbauten Komponenten stabil genug sein, um eine geplante Kollision unbeschadet zu überstehen.

Gesucht und gefunden

Entstanden ist eine Testvorrichtung in Portalbauweise inklusive einer Schwenkvorrichtung für eine hängende Schaumstoffattrappe. Letztere wird über einen positionsgeregelten Synchronmotor zielgenau bewegt, eine integrierte Rotationsbremse verhindert einen kollisionsbedingten Schaden am Fahrzeug. Eine Linearachse mit Zahnriemenantrieb (Modell ELM 80 SP von Rollon) ermöglicht zudem die dynamische Positionierung der Attrappe. Bei der Auswahl der richtigen Linearachse wurde Andreas Blank von Rollon unterstützt und konnte sich jederzeit an seinen Ansprechpartner wenden.
Die Linearachse musste vielfältige Anforderungen erfüllen: Bei einer Hublänge von maximal 11 Metern sollte sie eine maximale Geschwindigkeit von 5 Metern pro Sekunde und eine Beschleunigung von mindestens 5 Metern pro Quadratsekunde ermöglichen – diese Werte gestatten die realistische Nachstellung eines rennenden Fußgängers. Wichtig war zudem eine hochpräzise Ausrichtung des Schlittens, wobei die Positioniergenauigkeit des Attrappenschwerpunktes bei ± 2 Zentimetern liegen sollte. Zudem musste eine ausreichende Stabilität gegenüber Krafteinwirkungen gegeben sein, und auch ein häufiger Transport der Testvorrichtung sollte der Linearachse nichts anhaben können.

Die Testanlage ermöglicht es, eine Fußgängerattrappe flexibel zu beschleunigen und in Abhängigkeit von der Fahrzeugbewegung zeitgenau zu positionieren.

Andreas Blank wählte die ELM 80 SP – eine Lineareinheit, die alle genannten Anforderungen erfüllt. Für den Ingenieur war letzten Endes die Witterungsbeständigkeit des Produkts ausschlaggebend: „Im Vergleich mit anderen Herstellern war diese Lineareinheit die einzige korrosionsbeständige Achse, die sich zusätzlich mit einer Bandabdeckung ausstatten ließ. Nachdem die Testeinrichtung dauerhaft im Außenbereich verwendet und gelagert wird, stellt das einen massiven Pluspunkt dar.“

Zuverlässig, robust und kompakt

„Linear-Einheiten dieser Serie sind in diversen Größen erhältlich und ermöglichen so eine ideale Auswahl in Bezug auf Masse, Geschwindigkeit und Beschleunigung“, kommentiert Thilo Deutsch, bei Rollon zuständig für den Bereich Linear­achsen. Der Antrieb erfolgt durch einen stahlverstärkten Zahnriemen aus Polyurethan mit AT-Zahnprofil. „Dieser Zahnriemen hat sich in Bezug auf zulässige Antriebsmomente, Kompaktheit und Geräuschentwicklung als die zweckmäßigste Option erwiesen.“ Die Kombination mit Nullspiel-Zahnriemenscheiben ermöglicht Wechselbelastungen ohne Um-
kehrspiel.
Durch Ausnutzung der maximalen Zahnriemenbreite und Einstellung einer optimalen Vorspannung des Riemens lassen sich hohe Verfahrgeschwindigkeiten bei gleichzeitiger Geräuscharmut erreichen. Der bereits erwähnte Abdeckriemen aus Polyurethan schützt alle im Inneren befindlichen mechanischen Komponenten vor Staub und Fremdkörpern. Für eine möglichst geringe Reibung wird der Abdeckriemen durch Kugellager geführt, die sich im Innern des Laufwagens befinden.
Die selbsttragenden eloxierten Präzisions-Strangpress-Profile der Linear-Einheiten zeichnen sich durch optimale mechanische Eigenschaften und hohe Flächenträgheitsmomente aus. Die Abmessungen sind entsprechend UNI 3879 toleriert, das verwendete Material ist eloxiertes Aluminium der Legierung 6060. Der dreiteilige Laufwagen der Linear-Einheiten der Serie ELM besteht aus eloxiertem Aluminium. Der dreiteilige Aufbau ermöglicht das Durchlaufen des Schutzriemens. In den Front- und Seitenteilen des Laufwagens sind Bürstendichtungen eingesetzt, die zusätzlichen Schutz gegen das Eindringen von Schmutz bieten. Die Gewinde der Befestigungsbohrungen sind mit Stahleinsätzen versehen.

Hochbelastbares Führungssystem

„Für die Testvorrichtung rieten wir zu einer Kugelumlauf-Ausführung, für die auch hohe Belastungen kein Problem darstellen“, erklärt Deutsch. Die Linearführung wird dabei in der dafür vorgesehenen Nut des Aluminium-Profils befestigt. Der Laufwagen wird auf zwei vorgespannte Linearführungswagen montiert. Wegen der vier Kugelreihen, die sich in jedem Kugelumlaufwagen befinden, kann das Linearführungssystem höchste Kräfte aus allen Richtungen aufnehmen. Die Linearführungswagen sind zum Schutz gegen das Eindringen von Schmutz allseitig mit Abstreifern versehen.
Eine integrierte Kugelkette sorgt dafür, dass die Wälzkörper während ihrer Bewegung durch den Linearführungswagen in Abstand zueinander gehalten und in den Laufbahnen geführt werden. An den Stirnseiten der Linearführungswagen sind Schmierstoffreservoirs angebracht. So ausgerüstet, unterstützt die Linearführung hohe Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Tragzahlen und garantiert Geräuscharmut, geringen Wartungsaufwand und eine hohe Lebensdauer.

Erster Test bestanden

Die Testanlage hat sich bereits kurz nach der Fertigstellung bewährt und wurde erstmals auf dem Opel-Testgelände in Dudenhofen eingesetzt. Eine schöne Bestätigung für den jungen Ingenieur, der sich nach erfolgreichem Abschluss seines ehrgeizigen Projekts inzwischen Master of Engineering (M.Eng.) nennen darf. (jbi)

  • Bei Fahrzeugsicherheitsversuchen werden Unfallsituationen mit Fußgängerbeteiligung möglichst realistisch nachgestellt.
  • Die Schwenkvorrichtung läuft auf Lineareinheiten, eine integrierte Rotationsbremse verhindert einen kollisionsbedingten Schaden am Fahrzeug.
  • Ein positionsgeregelter Synchronmotor positioniert die Attrappe über die Linearachse.
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