Prüfstände bilden die Grundlage für jeden Bauteil-Test: Ein Prüfstand stellt eine entkoppelte Umgebung dar, um ein Bauteil mit messbaren und geregelten Lasten oder Umweltbedingungen zu prüfen.
Die benötigten Lasten und Umweltbedingungen sind hierbei die ausschlaggebenden Faktoren welche die Funktion des Prüfstands bestimmen. Die Entkopplung von Komponenten aus dem Gesamtsystem ermöglicht es die Leistungsgrenze jeder Komponente individuell zu ermitteln und nicht nur die des Gesamtsystems. Durch eine Betrachtung der Komponenten können Verbesserungen von Produkten auf sehr tiefer Ebene stattfinden.
Werden die optimierten Prototypen bis zum Versagen getestet kann ermittelt werden, welche Reserven das Bauteil hat. Hierdurch können weitere Optimierungen bis an die zulässigen Grenzen durchgeführt werden. Das bedeutet, dass das Testen auf Bauteilebene zu Kosteneinsparungen führen kann.
Eine weitere wichtige Aufgabe von Prüfständen ist es, die Qualität der Bauteile sicherzustellen. Hierbei kann es sich um Leistungsvermessungen von Elektromotoren am Ende eine Produktionslinie handeln oder aber auch das kontinuierliche Abprüfen von mechanischen Eigenschaften von Gussqualitäten. Grundsätzlich lassen sich, je nach Aufgabe, Prüfstände in End-of-Line Prüfstande und Entwicklungsprüfstände unterteilen.
Entwicklungsprüfstände ermöglichen in der Praxis häufig variable Prüfungen mit verschiedenen Komponenten und Prototypen. Ist die Aufgabe eines End-of-line Prüfstands die Qualitätskontrolle, so unterstützt der Entwicklungsprüfstand den Konstrukteur seine Ideen und Designs zu überprüfen. Hierbei stehen gerade im Transportbereich wie Schifffahrt und Eisenbahn die höchstmögliche Effizienz und möglichst geringe Kosten im Vordergrund. Diese ambitionierten Entwicklungsziele können nur durch Tests an Prüfständen erreicht werden. Durch Prüfstände wird eine zeitliche Raffung möglich. Durch diese Raffung lassen sich ganze Lebenszyklen auf Tage oder Wochen reduzieren. In der folgenden Auflistung sind die gängisten Typen von Entwicklungsprüfständen zu finden:
Mit der statischen Material-Prüfmaschine werden Proben aus verschiedensten Materialien auf ihre statischen Kennwerte untersucht. Die Prüfung erfolgt hierbei entweder Kraft- oder Dehnungsgeregelt. Mit Hilfe der statischen Materialdaten können z.B. erste Simulationen in einer FEM-Analyse gestartet werden.
Mit Hilfe eines Resonanzpulsers lassen sich Proben und Bauteile mit geringem Energieaufwand zyklisch belasten. Die Anregung des Prüfstands kann hierbei auf verschiedene Arten geschehen, wie zum Beispiel durch einen Unwuchtantrieb oder elektromagnetisch. Resonanzpulser arbeiten im Bereich von 5 Hz bis 1200 Hz je nach System und Probe. Die Geschwindigkeit ist dabei unter anderem abhängig von der Steifigkeit der Probe selbst.
Umlaufbiegeprüfstände dienen hauptsächlich der Werkstoffentwicklung, sie belasten Proben zyklisch auf Zug und Druck drehend um eine neutrale Mittelfaser. Die Probe rotiert bei der Prüfung.
Ein Shakerprüfstand funktioniert wie ein sehr großer und leistungsstarker Lautsprecher. Durch die hohe Dynamik können hier Prüffrequenzen bis in den Kilohertz-Bereich realisiert werden. Diese Belastungen spielen vor allem für Elektronikkomponenten eine wichtige Rolle.
Mit Hilfe eines Schleuderprüfstands können Bauteile hohen Drehzahlen ausgesetzt werden. Dies ist zum Beispiel für die Prüfung von Rotoren einer E-Maschine im Bereich der Elektromobilität wichtig.
Hydraulikzylinder lassen sich als Aktuatoren sehr variabel einsetzen. Es gibt Hydraulikzylinder in verschiedenen Größen und Längen. Es lassen sich einfach einachsige Prüfstände mit ihrer Hilfe bauen, aber auch Prüfstände mit mehreren Achsen. Eine wichtige Rolle spielt hierbei die Messtechnik und Regelung. Die Regelung kann für viele Achsen sehr komplex sein.
End-of-line Prüfstände überwachen in der Praxis häufig, ob alle geforderten Spezifikationen im Neu-Zustand am Ende einer Produktionslinie erreicht werden. Dies können z.B. das Drehmoment und die Leistung eines PKW im Bereich Automotive sein oder eine Wuchtmessung einer Waschtrommel im Bereich der Haushaltsgeräte. Prüfungen werden häufig nicht nur am Gesamtsystem, sondern auch an Subsystemen oder Komponenten durchgeführt. Je früher defekte oder minderwertige Komponenten ermittelt werden, desto geringer sind die daraus entstehenden Kosten. Als Beispiel wäre hier eine Schraube zu sehen, die bei einem Fahrzeughersteller zu einer Rückrufaktion des gesamten Fahrzeugs führt bzw. führen kann. Die folgenden Auflistung gibt einen Überblick über typische End-of-line Prüfstände und ihre Einsatzgebiete:
In dieser Kategorie sind Prüfstände angesiedelt, die von verschiedenen Produkten, wie z.B. Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren, die abgegebene Leistung erfassen und so bestimmen ob die Spezifikationen erreicht werden. Häufig werden dabei Messungen über ein Drehzahl- und Drehmomentband ermittelt. Es werden also nicht ausschließlich stationäre Punkte erfasst, sondern das gesamte Leistungsspektrum.
Für viele Produkte und Subkomponenten sind die Abmessungen und das Einhalten von Größentoleranzen essentiell. Optische Sensoren können Abmessungen erfassen, aber auch durch eine angeschlossene Bilderfassung optische Mängel oder Fehler entdecken.
In vielen Bereichen spielen die akustischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Dabei können störende Geräusche einen erheblichen Qualitätsmangel darstellen, zum Beispiel ein quietschendes Getriebe oder klappernder Sitz im Auto.
Eine Funktionsprüfung ist ein typischer End-of-line Prüfstand, welcher alle relevanten Funktionen des Produktes überprüft, bevor das Produkt an den Kunden verkauft wird. Bei hochwertigen Kopfhörern könnte dies die Geräuschunterdrückung sein, bei einem Fahrrad die Bremse.
Die Arbeitsweise eines Prüftands ist grundsätzlich sehr simpel. Es werden vom Bediener Parameter festgelegt, welche durch einen Computer interpretiert werden und durch den Prüfstand umgesetzt werden (z.B. ein bestimmtes Drehmoment bei einem Elektromotor).
Durch Schwankungen im System, sei es durch unterschiedliche starke Motoren, Reibungen in Lagern oder Veränderungen des Bauteils im Versuch, ist das System jedoch niemals exakt identisch. Es ist somit notwendig die eingestellten Parameter dauerhaft zu überwachen und zu regeln. Dies passiert durch moderne Hard- und Software in Echtzeit und viele tausend Mal pro Sekunde (je nach Abtastrate des Sensors und Güte des Reglers).
Der Rechner vergleicht dazu die eingestellten Werte zum Beispiel eine Kraft von 100 N, welche auf eine Probe zyklisch aufgebracht werden soll. Die Aufgebrachte Kraft wird durch eine Kraftmessdose ermittelt und durch die Messkette wird dem Rechner die ermittelte Kraft mitgeteilt. Ist diese nicht im Toleranzfeld wird die Kraft erhöht oder verringert. Die Komplexität liegt hier in der Regelungssoftware, mit welchen Parametern die Kraft verringert oder erhöht wird. So wird eine übermäßige Änderungen der Kräfte in Folge von Messabweichungen vermieden. Die Kräfte würden zu groß oder zu klein werden.