RAPA macht Innovationen erlebbar
Entwicklungszusammenarbeit von RAPA und Daimler
Motor-Pumpen-Einheit
für das E-Active Body Control Fahrwerk
Die von der Daimler AG neu entwickelte Komponente kommt erstmals im neuen Mercedes-Benz GLE zum Einsatz. RAPA entwickelte eine einzigartige Motor-Pumpen-Einheit für dieses aktive Fahrwerk.
Der erreichte Fahrkomfort, die Zusatzfeatures wie der Freifahrmodus oder die Curve Funktion – in der Gesamtkonstellation ein erlebbarer Fortschritt für den Endkunden mit hohem Nutzwert. Für RAPA ist die erfolgreiche Entwicklung der Motor-Pumpen-Einheit nichts weniger als die größte Herausforderung im Hinblick auf die Systemkomplexität in der eigenen, fast hundertjährigen Firmengeschichte.
Daimler würdigt RAPA mit dem Special Award Innovation.
Da das Gesamtsystem überzeugt, wurde RAPA im Februar 2019 von Daimler mit dem Special Award als innovativster Lieferant des Jahres 2018 ausgezeichnet.
E-ACTIVE-BODY-CONTROL
Mercedes-Benz SUV GLE
»Im neuen Mercedes-Benz GLE bringt Daimler mit E-ACTIVE BODY CONTROL ein von Grund auf neu entwickeltes Fahrwerksystem. Es bietet ein hohes Maß an Fahrkomfort, Fahrdynamik und Offroad-Eigenschaften.«
© Daimler AG
»Der größte Stolz unserer Entwickler ist die im E-ACTIVE BODY CONTROL-Fahrwerk eingebundene Motor-Pumpen-Einheit. Ein Meisterwerk deutscher Ingenieurskunst, das uns als Premium-Produkt-Lieferant der Automobilbranche bestätigt.
Oliver Henkelmann-Mattheus, Vice President Sales RAPA Automotive
Das Entwicklungsprojekt
Seit der Firmengründung vor knapp 100 Jahren ist RAPA für eine kontinuierliche Entwicklung und innovative Produktlösungen bekannt. Gerade der strategische Weitblick in High-Tech-Nischen-Bereiche sowie sein Ruf als flexibler und innovativer Entwicklungsdienstleister machen das Familienunternehmen aus Oberfranken zu einem anerkannten Technologiepartner und Hidden Champion im Automobil-, Medizin- und Industriebereich.
Seit den 1980er Jahren ist RAPA in der automobilen Zulieferwelt angekommen – und seit dieser Zeit auch eng mit der Daimler AG verbunden. Diese für RAPA bedeutende Partnerschaft ist seit über 20 Jahren auch im Bereich der aktiven Fahrwerksregelsysteme etabliert, seit 2005 ist das sogenannte ABC© (Active Body Control) in den Oberklasse-Fahrzeugen des Konzerns das Non-Plus-Ultra. Dieses basiert auf einem hochkomplexen Hydrauliksystem, das nicht zuletzt wegen seiner Abhängigkeit vom Verbrennungsmotor für zukünftige Innovationen nur noch eingeschränkt nutzbar ist. Eine komplett neue Lösung war gefragt, die Hauptanforderungen, wie druckdichte kompakte vierquadrantenfähige Einheit, hoher Gesamtwirkungsgrad, dynamische Volumenstromregelung, 48 V-Betriebsspannung, integrierte Elektronik und optimales NVH-Verhalten, erfüllen sollte.
Nach sechs Jahren Entwicklungszeit ist jetzt die Motor-Pumpen-Einheit (MPE) mit integrierter Steuerelektronik für das E-ACTIVE-BODY-CONTROL des neuen Mercedes-Benz SUV GLE entstanden – ein wichtiger Meilenstein in der RAPA-Unternehmensgeschichte.
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E-ACTIVE BODY CONTROL – Das intelligenteste Fahrwerk der Welt
Bei E-ACTIVE-BODY-CONTROL handelt es sich um die Weiterentwicklung des etablierten ABC-Systems. Dabei wird die Fahrbahnoberfläche mit Hilfe einer Stereokamera erfasst und ein entsprechender Regelalgorithmus erstellt, der es erlaubt, die Fahrgastzelle in jeglicher Fahrsituation zu beruhigen und zu horizontieren. Als Aktor fungieren nun vier Corner Modelle, bestehend aus einer MPE und einem aktiven Federbein, bei dem der Stoßdämpfer als Aktor verwendet wird. Kompensiert werden Roll- und Nickmomente. Darüber hinaus kann das Fahrniveau verändert, beispielweise bei einer Autobahnfahrt abgesenkt oder im Gelände erhöht werden.
Die Motor-Pumpen-Einheit
des E-ACTIVE BODY CONTROL Systems ist das Produkt der Firma RAPA, bestehend aus den drei Hauptkomponenten: einer Innenzahnradhydraulikpumpe, einer permanent-erregten Synchronmaschine als Elektromotor sowie dem 48 V Steuergerät inklusive Software der Firma Silver Atena.
Als Verdrängerprinzip wurde eine Innenzahnradmaschine favorisiert.
Im Speziellen kommt eine vierquadrantenfähige Ausführung mit Leckagekompensation zum Einsatz. Die Leckagekompensation wird radial über druckaktivierte und in sich abgedichtete geteilte Füllstücke und axial über ebenfalls rückseitig abgedichtete und am Getriebesatz gleitende Druckplatten umgesetzt. Durch diese Bauweise können sehr hohe volumetrische Wirkungsgrade der Maschine erreicht werden. Insbesondere im wechselnden Betrieb um den Ursprungspunkt des Kennfeldes der Maschine wird dadurch ein sehr gutes Ansprechverhalten erzeugt. Die volumetrischen Wirkungsgrade der Maschine liegen in diesem Bereich nahezu bei 100%. Der hohe Wirkungsgrad ist notwendig, da auf eine aktive Kühlung unbedingt verzichtet werden sollte.
Neben der Vierquadrantenfähigkeit und dem sehr hohen volumetrischen Wirkungsgrad bietet das gewählte Verdrängerprinzip zudem eine sehr kompakte Bauform und sehr gute Möglichkeiten einer hohen konstruktiven Integration zwischen Verdränger und Elektromotor.
Bezüglich der elektrischen Maschine kam nach intensiven Konzeptstudien eine permanentmagneterregte Synchromaschine zum Einsatz.
Die Maschine ist in Form eines Nassläufers mit Spaltrohr ausgeführt. Dies stellte eine besondere Herausforderung innerhalb der Entwicklung der elektrischen Maschine dar, gilt es doch, hohe Wirkungsgrade einerseits und eine Druckfestigkeit unter allen Betriebsbedingungen bis mindestens 150 bar andererseits zu erfüllen. Für einen höchstmöglich effizienten Betrieb der Maschine gilt ein wirbelstromfreies Spaltrohr als Voraussetzung, RAPA hat dazu ein dünnwandiges Kunststoffteil entwickelt. Die Wandstärke des Rohres kann dabei im magnetisch relevanten Bereich der Maschine auf wenige Zehntel Millimeter reduziert werden. Konträr dazu ist das Spaltrohr trotz der dünnen, aus magnetischen Gründen notwendigen, Wandstärke druckfest auszugestalten. Nach zahlreichen strukturmechanischen Simulationen hat RAPA eine inzwischen patentierte Geometrie entwickelt, welche sich unter Druck an den Statorzähnen abstützt und selbsttätig versteift.
Der Rotor ist in einem klassischen Speichendesign ausgeführt. Die im Rotorblechpaket integrierten Permanentmagnete werden durch eine direkt im Montagefluss eingebundene Kunststoffumspritzung fixiert. Die Umspritzung wird über stirnseitige Öffnungen zudem für das ebenfalls direkt in der Montagelinie angeordnete Wuchten des Rotors genutzt. Der Stator besteht aus einem Statorstern mit den darauf montierten und elektrisch verschalteten Einzelzahnspulen und einem radial den Stern umfassenden Rückschlussring. Nach Montage des Stators in das Gehäuse wird die Baugruppe mit einer 2-Komponenten Vergussmasse unter Vakuum vergossen.
Die in der MPE integrierte Elektronikeinheit wurde zusammen mit unserem Partner Silver Atena entwickelt.
Die bestückte, vormontierte und vorgeprüfte ECU wird in der Montagelinie bei RAPA am Motorgehäuse mechanisch befestigt und elektrisch kontaktiert. Die Einheit besteht aus einer Leistungsplatine und einer Signalplatine. Beide Platinen sind in Form eines Stacks mit einer zwischen den beiden Platinen liegenden Baugruppe zur Aufnahme der Zwischenkreiskondensatoren, der Eingangsdrossel und weiterer Bauteile aufgebaut.
Zur Erfassung der Istlage des Rotors dient ein Rotorlagesensor. Begünstigt durch die konstruktive Gestaltung der MPE ist der Rotorlagesensor direkt stirnseitig im Boden des Motorgehäuses platziert und sitzt damit direkt, auf kürzestem Wege, unter der ECU. Als Sensorprinzip kommt ein Hall-Sensor zum Einsatz. Das für den Sensor notwendige Magnetfeld in Abhängigkeit von der Lage des Rotors liefert ein am elektronikseitigen Ende der Welle angeordneter Dauermagnet. Die elektrischen Schnittstellen zum Fahrzeug bestehen aus einem 48V Anschluss für die Leistungsversorgung sowie dem CAN Anschluss für die Kommunikation. Die Elektronik stellt zahlreiche Zustandsgrößen der MPE auf dem CAN Anschluss zur Verfügung. Neben den typischen Größen wie Drehzahl, Temperatur, Eingangsspannung und Stromaufnahme wird über zwei in der hydraulischen Maschine integrierte Drucksensoren auch der tatsächlich sensierte Istdruck an den beiden hydraulischen Anschlüssen der MPE auf dem CAN Bus bereitgestellt. Der Leistungselektronik kommt im Hinblick auf die Gesamtperformance im E-ACTIVE BODY CONTROL eine große Bedeutung zu, vor allem aufgrund der hohen systemseitigen Sicherheitsanforderungen (ASIL-Level C).
Die Bauraumanforderungen bedingen eine hochintegrierte Bauweise der Motor-Pumpen-Einheit.
Zu diesem Zweck sind die hydraulische Verdrängermaschine und die elektrische Maschine ineinander integriert aufgebaut und über eine gemeinsame Welle verbunden. Das Konzept der durchgehenden Welle ermöglicht ein Design mit nur drei Lagerstellen, wobei das mittlere Lager sowohl von der Innenzahnradmaschine als auch von der elektrischen Maschine gemeinsam genutzt wird. Ein weiterer Vorteil der gewählten konstruktiven Ausführung mit nasslaufendem Rotor und hoher Integration zwischen hydraulischer und elektrischer Maschine besteht darin, dass zur Atmosphäre lediglich statisch wirkende Dichtungen notwendig sind. Damit wird zum einen eine robuste Dichtheit des Systems über Lebensdauer sichergestellt und zum anderen dichtungsverursachte Reibung, und damit Verluste, auf die Welle komplett verhindert. Je nach den Bauraumerfordernissen im Fahrzeug kann die MPE über verschieden ausgeführte Halter sehr einfach als Einzel MPE oder als kompletter MPE Achssatz montiert werden.
Die Erprobung der MPE stellte an die RAPA-Validierung völlig neue Herausforderungen.
Bereits frühzeitig wurde ein komplexer Funktionsprüfstand für das neue Produkt ausgelegt, aufgebaut und in Betrieb genommen. Zudem mussten vielfältigste Prüfstände für die komplexen Prüfabläufe mit insgesamt acht Monaten Dauer pro Prüfschleife geplant und aufgebaut werden. Da das Gerät ebenso im elektrischen Fahrbetrieb genutzt werden sollte, stellte die Geräuschentwicklung der MPE eine extreme Herausforderung für die Serientauglichkeit des neuen Produktes dar. Nach intensiven Optimierungsschleifen aus simulativer und versuchstechnischer Arbeit in der RAPA Geräuschmesskammer sowie begleitenden Bewertungen im Fahrzeug beim Kunden waren die nötigen Verbesserungen erreicht. Dabei wurden innerhalb der Optimierungsschleifen zahlreiche geräuschrelevante Details in der hydraulischen Maschine optimiert. Eine gewichtige Rolle kam dabei der Minimierung der Druckpulsation zu.
DAIMLER SPECIAL AWARD INNOVATION
RAPA wird innovativster Lieferant des Jahres 2018 ausgezeichnet
Im Rahmen der 11. Preisverleihung der Daimler AG am 20. Februar 2019 erhält RAPA den Daimler Supplier Award Innovation für die Entwicklung der Motor-Pumpen-Einheit, deren raffinierte und intelligente Ansteuerung Drücke individuell in jedem Stoßdämpfer erzeugt. Zu erleben im neuen Mercedes-Benz GLE als E-ACTIVE BODY CONTROL Fahrwerk. Die fast zwei Kilo schwere Aluminium-Trophäe wurde von Ola Källenius, Vorstand der Daimler AG für Konzernforschung und Mercedes-Benz an Dr. Roman Pausch überreicht.
Dr. Roman Pausch, Vorstandsvorsitzender RAPA Gruppe fasst zusammen: »Ein Erfolg, der stolz macht und uns anspornt, weitere kundenspezifische Innovationen mit demselben Engagement zu verfolgen. Doch ohne die offene und partnerschaftliche Zusammenarbeit mit den Kollegen bei Daimler wäre die Entwicklung dieser Weltneuheit nicht möglich gewesen.«
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»Für RAPA ist die mehrjährige starke Partnerschaft zu Daimler ein wichtiger Baustein, mit dem wir unsere Kompetenz als Partner der Automobilindustrie unterstreichen.«
»Die Automobilindustrie und deren Zulieferer sind für RAPA wichtige Kundengruppen. Mit diesen verbindet das Unternehmen RAPA neben engen wirtschaftlichen Beziehungen auch zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekte.«
»Zentrale Aufgabe ist es, die hohen Qualitätsstandards, die von unseren Kunden gefordert werden, aufrecht zu erhalten und sich auf neue Erfordernisse des Marktes einzustellen.«
Das Entwicklungsteam
Das Projektteam des Innovationsprojektes, unter der Leitung von Jörg Bauer, setzt sich zusammen aus dem Kernteam von 25 Mitarbeitern und kleinen leistungsfähigen, fachübergreifenden Arbeitsgruppen mit 57 Mitarbeitern.
Lernen Sie unsere Experten persönlich kennen:
Jörg Bauer
Technischer Projektleiter
»Die RAPA Motor-Pumpen-Einheit ist eine weltweit einzigartige Neuentwicklung, die in einer 6-jährigen, großartigen Teamleistung entstanden ist.«
Falk Lehniger
Versuchsingenieur
»Ob als Motor oder als Generator können sowohl enorme Leistung als auch atemberaubende Dynamik abgerufen werden. Eine solche Einheit ist der Wahnsinn.«
Michael Wolfrum
Projekteinkauf
»Nur durch das Team, die einzelnen Menschen dahinter und deren Zusammenwirken konnte jede Herausforderung gemeistert und die ursprüngliche Vision erfolgreich in die Realität umgesetzt werden.«
Katrin Ebersbach
Auftragszentrum & PPS
»Das Zusammenspiel von über 100 Einkaufsteilen ist eine große Herausforderung. Die Kundenzufriedenheit steht an oberster Stelle.«
Sandy Geyer
Industrial Engineer
»Nur durch die Integration neuer Prozesse sowie die kontinuierliche Analyse und Weiterentwicklung der Anlagen sind wir in der Lage, diese Innovation prozesssicher herzustellen.«
In Aktion
Mit dem E-ACTIVE BODY CONTROL Fahrwerk bietet man im Mercedes-Benz GLE erstmals ein neues Fahrzeug mit einzigartigen Geländeeigenschaften an. Alle vier Räder sind einzeln ansteuerbar.
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