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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Analyse von Fahrzeugschwingungen.
Eine Zielgrösse bei der Entwicklung und Optimierung des Antriebssystems von Kraftfahrzeugen ist die Fahrbarkeit bzw. Driveability. Allgemein wird darunter eine subjektive Empfindung von Fahrern verstanden, die besonders mit dem Verhalten des Fahrzeugs in transienten Betriebszuständen zusammenhängt. Bei einem schnellen Niederdrücken des Gaspedals eines Fahrzeugs wird es als angenehm empfunden, wenn die Beschleunigung schnell und ruckfrei einsetzt. Ähnliches gilt für andere transiente Betriebszustände, wie etwa plötzlicher Wechsel in den Schubbetrieb oder die Beendigung des Schubbetriebs. Verzögerungen, Unregelmä- ssigkeiten oder Schwankungen in den Reaktionen des Fahrzeugs auf solche vom Fahrer induzierte Änderungen werden von diesem zumeist als störend empfunden.
Beispiele dafür sind Ruckelschwingungen, Ansprechverzögerungen, Oszillationen der Drehzahl oder Zugkraftschwankungen. Positiv wird eine gute Gasannahme empfunden sowie eine entsprechende Durchzugskraft oder ein ruhiger und stabiler Leerlauf. Die Fahrbarkeit wird durch das Motormanagement wesentlich beeinflusst, aber auch durch die Aufhängung des Motors und die gesamte Gestaltung des Antriebsstranges. Da man versucht, durch Beeinflussung des Motormanagements niedrige Verbrauchswerte und eine günstige Abgasemission zu erzielen, muss als zusätzliche Zielgrösse die Erhaltung oder Steigerung der Fahrbarkeit berücksichtigt werden.
Problematisch ist dabei jedoch, dass die Bestimmung der Fahrbarkeit in der Praxis wesentlich schwieriger ist als die Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs oder der Schadstoffemissionen.
Gemäss einem älteren Vorschlag der Patentanmelderin ist ein Verfahren geschaffen worden, um subjektive Empfindungen unterschiedlicher Fahrer bezüglich der Fahrbarkeit intersubjektiv zu machen und damit zu objektivieren. Dieses Verfahren besteht im wesentlichen aus folgenden Schritten : - Bereitstellen eines Mess- und Auswertesystems, - Bereitstellen eines Datenablagesystems mit Daten über vordefinierte Betriebszustände des
Motors und/oder des Fahrzeuges, - Bereitstellen eines Zuordnungssystems zwischen den Betriebszuständen des Motors und/oder des Fahrzeuges und Bewertungsgrössen über die Fahrbarkeit des Fahrzeuges, - Erfassen von zumindest einer für die Fahrbarkeit relevanten motor-und/oder fahrzeugbe- zogenen Messgrösse aus der Gruppe Motordrehzahl, Drosselklappen-bzw.
Gaspedalstel- lung, Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeuglängsbeschleunigung, Saugrohrunterdruck,
Kühlmitteltemperatur, Zündzeitpunkt, Einspritzmenge, Lambda-Wert, Abgasrückführrate und Abgastemperatur,
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- Vergleichen der gemessenen Messdaten mit den im Datenablagesystem gespeicherten
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Fahrzeugbetriebszustand Übertragen der Messdaten an eine Auswerteeinheit und Zuordnen von Bewertungsgrössen über die Fahrbarkeit des Fahrzeuges.
Grundlage ist dabei ein System, das die Bewertung aller fahrbarkeitsrelevanten Grössen automatisch und selbständig durchführt. Fahrbarkeitsrelevante Fahrzeug- und/oder Motonness- daten wie Motordrehzahl, Drosselklappenstellung, Fahrzeuglängsbeschleunigung, Kühlmitteltemperatur, etc. werden permanent mittels geeigneter Sensoren gemessen und an eine Auswerteeinheit übertragen. Im Datenablagesystem sind in einem sogenannten Konfigurationsfile alle fahrbarkeitsrelevanten Betriebszustände gespeichert. Beispiele für diese Betriebszustände sind Motorstart, Warmlauf, Leerlauf, Konstantfahrt, Beschleunigungsvorgänge, Schubverhalten und Schaltmanöver.
Bei Übereinstimmung zwischen den Messdaten und den gespeicherten Betriebszuständen, also bei Erkennen eines relevanten Betriebspunktes, wird in der Auswerteeinheit automatisch eine Messdatenauswertung durchgeführt. Die Auswertungsroutinen sind der subjektiven Fahrerbewertung nachempfunden, das Ergebnis entspricht möglichst genau dem subjektiven Bewertungsergebnis mehrerer Testfahrer. Die Auswertung erfolgt durch konventionelle mathematische und statistische Routinen, etwa Multiplikation, Division, Fast Fourier Transformation (FFT), Filterung, Messung von Verzugszeiten, Mittelwertbildung, aber auch über Vergleichsrechnungen, Fuzzy Logik Systeme oder Methoden der künstlichen Intelligenz, insbesonders genetische Algorithmen oder neuronale Netze.
Mit einem solchen Verfahren kann im Testbetrieb an einem realen Fahrzeug bei vorgegebener Einstellung des Motormanagements eine Beurteilung gewonnen werden. In der Praxis ist es jedoch nicht durchführbar, eine Vielzahl verschiedener Motoreinstellungen auf diese Weise zu untersuchen. Die Übertragung auf einen Prüfstand gestaltet sich jedoch schwierig, da es derzeit noch nicht möglich ist, den Antriebsstrang eines Fahrzeugs am Prüfstand so genau zu simulieren, dass zuverlässige Aussagen über die Fahrbarkeit gewonnen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Analyse von Fahrzeugschwingungen anzugeben, durch das die Fahrbarkeit (Driveability) zuverlässig und reproduzierbar bestimmt werden kann, ohne alle Untersuchungen am realen Fahrzeug durchführen zu müssen.
Erfindungsgemäss umfasst dieses Verfahren folgende Schritte : - Bestimmung von charakteristischen Ruckelfrequenzen in Abhängigkeit des jeweiligen
Fahrzeugbetriebszustandes an einem realen Fahrzeug, - Erstellung eines Simulationsmodells für das Fahrzeug, insbesondere für den Fahrzeugan- triebsstrang,
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- Kalibrierung eines Dynamikprüfstandes anhand der gewonnenen Daten über die Ruckel- frequenzen.
Im Einzelnen werden dabei folgende Schritte durchgeführt : - Bestimmung von Ruckelbereichen während der Fahrt des realen Fahrzeug anhand einer charakteristischen Messgrösse, wie etwa der Längsbeschleunigung, - Erfassung des Fahrzeugbetriebszustandes während der Ruckelbereiche, - Unterteilung der Ruckelbereiche in einen ersten Messbereich und in einen darauf folgenden zweiten Messbereich, - Erstellung eines Frequenzspektrums der charakteristischen Messgrösse, innerhalb des ersten
Messbereichs und des zweiten Messbereichs, - Bestimmung einer Frequenz innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches, bei der der grösste Unterschied im Frequenzspektrum des ersten Messbereichs in Bezug auf den zweiten
Messbereich vorliegt.
- Abspeicherung der im vorigen Schritt gewonnenen Frequenz als charakteristische Ruckel- frequenz, zusammen mit Daten über den Fahrzeugbetriebszustand - Erstellung eines Simulationsmodells für das Fahrzeug, insbesondere für den Fahrzeugan- triebsstrang, - Durchführung von Messungen an einem Prüfstand, wobei das Simulationsmodell des vorigen Schrittes zugrundegelegt wird, wobei verschiedene Fahrzeugbetriebszustände si- muliert werden, und wobei in jedem Fahrzeugbetriebszustand für die jeweilige charakte-
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wobei an sich kein genau vordefinierter Fahrzyklus eingehalten werden muss. Es sollte jedoch der im Versuch durchgeführte Fahrzyklus im wesentlichen einem normalen Fahrbetrieb entsprechen. Innerhalb dieses Fahrbetriebes gibt es Übergangszustände, in denen ein Ruckeln zu erwarten ist.
Ein solcher Übergangszustand wird beispielsweise durch das schnelle Niedertreten des Gaspedals herbeigeführt. Eine entsprechende Auswerteelektronik identifiziert solche kritischen Zustände als Ruckelbereich.
Grundsätzlich werden während der Messfahrt die relevanten Fahrzeugbetriebszustände aufgezeichnet. Das für die Beurteilung der Fahrbarkeit relevante Signal ist die Längsbeschleunigung der Fahrzeugkarosserie. Im zweiten Schritt werden innerhalb jedes Ruckelbereiches auch weitere relevante Betriebszustände aufgezeichnet, vorzugsweise die Motordrehzahl, die Last (die Stellung der Drosselklappe) und die jeweils gewählte Gangstufe.
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Wesentlich an der vorliegenden Erfindung ist das geeignete Herausfiltern der für das Ruckeln tatsächlich relevanten Signale aus den Messdaten. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass in einem Ruckelbereich innerhalb eines ersten Zeitabschnittes im wesentlichen motorabhängige Störkomponenten vorliegen, die jedoch nach einer gewissen Zeit abgeklungen sind.
Daher erfolgt in dem dritten Schritt eine Unterteilung in zwei Messbereiche, wobei in dem ersten Messbereich davon ausgegangen wird, dass das für das Ruckeln relevante Signal vorliegt, während es im zweiten Messbereich nicht vorliegt. Man kann davon ausgehen, dass das Ruckeln etwa 0, 8 bis 2, 5 Sekunden nach der jeweiligen Änderung abgeklungen ist. In den meisten Fällen ist die Abklingzeit 1 bis 2 Sekunden.
Im vierten Schritt wird ein Frequenzspektrum für den ersten Messbereich und ein Frequenzspektrum für den zweiten Messbereich gewonnen. Vorzugsweise erfolgt die Gewinnung dieses Frequenzspektrums über eine Fast Fourier Transformation (FFT).
Erfahrungsgemäss liegt die charakteristische Ruckelfrequenz innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches, etwa zwischen zwei und 7 Hz. Indem nun die Frequenzspektren der beiden Messbereiche voneinander subtrahiert werden, können die Rauschkomponenten des Signals, die durch andere Einflussfaktoren, wie Schwingungen von Reifen Motor, Chassis, Wind, Strasse u. s. w. verursacht werden, weitgehend ausgefiltert werden. Anhand des Maximalwertes der Amplitude kann im fünften Schritt die charakteristische Ruckelfrequenz bestimmt werden.
Die charakteristische Ruckelfrequenz hängt vom jeweiligen Betriebszustand des Fahrzeuges ab. Es wird daher im sechsten Schritt diese Frequenz als Kennfeld in Abhängigkeit von Daten über den Betriebszustand gespeichert. Wie oben bereits erwähnt, sind diese Daten typischerweise Drehzahl, Motorlast und Gangstufe. Auch die Amplitude bei der charakteristischen Ruckelfrequenz wird abgespeichert.
In an sich bekannter Weise wird für das Fahrzeug ein Simulationsmodell erstellt, um Versuche am Prüfstand durchführen zu können. Der Prüfstand simuliert dabei einen Zwei- oder Mehr-Massenschwinger, um die Masse des Fahrzeugs, die Steifigkeit des Antrittsstranges und das Übertragungsverhalten der Reifen wiederzugeben. Um jedoch über die Fahrbarkeit auch am Prüfstand Aussagen gewinnen zu können, muss auch die Dämpfung am Prüfstand in geeigneter Weise simuliert werden. Die Dämpfungswerte hängen wiederum vom Betriebszustand des Fahrzeugs ab und können nicht auf direkte Weise aus den Daten über das Fahrzeug ermittelt werden. Es müssen vielmehr am Prüfstand die einzelnen Fahrzeugbetriebszustände, die zuvor als Messpunkte am realen Fahrzeug abgespeichert worden sind, nachgefahren werden, wobei am Prüfstand die jeweils bestimmte Ruckelfrequenz eingestellt wird.
Die Dämpfung kann am Prüfstand im achten Schritt dann dadurch bestimmt werden, dass der Dämpfungswert so lange verändert wird, bis die am Prüfstand gemessene Schwingungsamplitude mit der am realen Fahrzeug gemessenen Schwingungsamplitude übereinstimmt. Auf diese Weise wird der Prüfstand durch Festlegung eines Dämpfungskennfeldes
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geeicht, so dass es möglich ist, auch am Prüfstand einen Driveability Index zu bestimmen, der mit dem des entsprechenden Realfahrzeugs tatsächlich übereinstimmt. Nach einer solchen Eichung des Prüfstandes können nun Parameter des Motormanagements verändert werden. Da die charakteristische Ruckelfrequenz weitgehend unabhängig von der Motoreinstellung ist, bleibt sie auch nach einer solchen Veränderung am Prüfstand erhalten.
Es können daher am Prüfstand in zuverlässiger Weise Aussagen über die Driveability in Abhängigkeit von verschiedenen Motoreinstellungen gewonnen werden. Da eine Simulation am Fahrzeugprüfstand automatisiert in einer wesentlichen kürzeren Zeit und mit wesentlich geringerem Aufwand möglich ist als am realen Fahrzeug, stellt die vorliegende Erfindung eine wesentliche Vereinfachung bei der Optimierung des Motormanagements dar. Damit kann bei entsprechenden Prüstandsarbeiten die Driveability als zusätzliche Zielgrösse neben Verbrauch und Abgasverhalten bei der Optimierung einbezogen werden.
In der Folge wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Diagramme näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 ein Diagramm verschiedener Messgrössen im Zeitbereich, Fig. 2 ein Diagramm, das die Schwankungen der Längsbeschleunigung des Fahrzeugs im Bildbereich zeigt, Fig. 3 ein Kennfeld, das die charakteristische Ruckelfrequenz in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Last zeigt, Fig. 4 ein Kennfeld, das die Ruckelintensität in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Last zeigt, Fig. 5 ein Diagramm, das die Dämpfungswerte in einem Kennfeld in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Last zeigt, und die Fig. 6 ein Diagramm, das einen Driveability Index in Abhängigkeit von Drehzahl und Last zeigt.
In der Fig. 1 sind über der Zeit verschiedene Messgrössen aufgetragen. Mit 1 ist die Stellung der Drosselklappe bezeichnet. Die daraus resultierende Beschleunigung in mIs2 ist mit 2 bezeichnet. Weiters sind die gefilterte Beschleunigung 3 und die Motordrehzahl 4 eingetragen.
Ein typischer Ruckelbereich ist in diesem Diagramm dadurch gegeben, dass kurz nach der Sekunde 81 die Position der Drosselklappe von Null auf über 60% gesteigert wird. Etwa bei Sekunde 83, 5 wird die Drosselklappe wieder vollständig geschlossen. Durch eine entsprechende Auswerteelektronik wird der Ruckelbereich als Zeitabschnitt zwischen den Zeitpunkten TO und T2 festgelegt. Dieser Ruckelbereich von TO bis T2 wird weiter in einem ersten Messbereich MB 1 und in einem zweiten Messbereich MB2 unterteilt. Der erste Messbereich MB l erstreckt sich zwischen dem Zeitpunkt TO und einem Zeitpunkt T l, während der zweite Messbereich MB2 zwischen dem Zeitpunkt T l und dem Zeitpunkt T2 gewählt ist. Im vorliegenden Fall wird die Dauer des ersten Messbereichs MB l mit einer Sekunde festgelegt.
In dem Diagramm der Fig. 2 ist auf der waagrechten Achse die Frequenz in Hz aufgetragen.
Auf der senkrechten Achse ist die Amplitude der Beschleunigungsschwankungen bei der jeweiligen Frequenz aufgetragen, die Fig. 2 zeigt somit Frequenzspektren der Beschleunigung. Mit 11 ist dabei das aus dem ersten Messbereich gewonnene Spektrum bezeichnet, während mit 12 das Spektrum aus dem zweiten Messbereich bezeichnet ist. Die Differenz der beiden Spektren ist mit 13 bezeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Differenz der Spektren innerhalb
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eines Erwartungsbereichs, der zwischen 2 und 7 Hz liegt, ein deutlich ausgeprägtes Maximum aufweist. In Fig. 2 liegt dieses Maximum bei einer Frequenz von 4, 7 Hz.
Im Zuge der Aufzeichnung von Messwerten während des Fahrbetriebs eines realen Fahrzeuges wird eine Vielzahl von Messpunkten bei verschiedenen Werten der Motordrehzahl, der Drosselklappenstellung und des jeweils eingelegten Ganges gewonnen.
In der Fig. 3 ist für eine bestimmte Gangstufe ein Kennfeld dargestellt, das aus diesen Versuchen gewonnen worden ist. Auf der waagrechten Achse ist die Motordrehzahl in l/min aufgetragen, während auf der senkrechten Achse die Stellung der Drosselklappe in Prozent wiedergegeben ist. Die Bereiche 21 stellen diejenigen Bereiche dar, in denen die charakteristische Ruckelfrequenz zwischen 3, 5 und 4 Hz liegt. Die Bereiche 22 weisen eine charakteristische Ruckelfrequenz zwischen 4 und 4, 5 Hz auf, während die Bereiche 23 eine charakteristische Ruckelfrequenz von mehr als 4, 5 Hz haben.
In der Fig. 4 ist in einer dreidimensionalen Darstellung die Amplitude bei der charakteristischen Ruckelfrequenz in Abhängigkeit von Motordrehzahl und Stellung der Drosselklappe aufgetragen. Die Motordrehzahl ist dabei in l/min zwischen 0 und 6000 dargestellt, während die Stellung der Drosselklappe in Prozent zwischen 0 und 100 aufgetragen ist. Auf der senkrechten Achse ist die Ruckelamplitude in mls2 dargestellt.
In der Fig. 5 ist ein Kennfeld dargestellt, in dem die Dämpfungswerte, die am Dynamikprüfstand einzustellen sind, wiedergegeben werden. Wieder ist auf der waagrechten Achse die Motordrehzahl in l/min und auf der senkrechten Achse die Stellung der Drosselklappe in Prozent aufgetragen. In der folgenden Tabelle ist der ermittelte Dämpfungswert neben der Bezeichnung der Bereiche in der Fig. 5 aufgetragen.
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<tb>
<tb>
Bezugszeichen <SEP> Dämpfungswert
<tb> 41 <SEP> < 0, <SEP> 4 <SEP>
<tb> 42 <SEP> 0, <SEP> 4-0, <SEP> 45 <SEP>
<tb> 43 <SEP> 0, <SEP> 45-0, <SEP> 5 <SEP>
<tb> 44 <SEP> 0, <SEP> 5-0, <SEP> 55 <SEP>
<tb> 45 <SEP> 0, <SEP> 55-0, <SEP> 6 <SEP>
<tb> 46 <SEP> > 0, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
In der Fig. 6 ist ein Kennfeld dargestellt, das in Abhängigkeit von der Stellung der Drosselklappe (10 bis 80%) und der Motordrehzahl (1000 bis 4500 l/min) einen Driveability-Index I wiedergibt. Der Index I ist dabei durch Werte zwischen 5 und 10 dargestellt, die folgende Bedeutung aufweisen.
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<tb>
<tb>
Index <SEP> Bedeutung
<tb> 10 <SEP> auch <SEP> für <SEP> erfahrene <SEP> Testfahrer <SEP> nicht <SEP> feststellbar
<tb> 9 <SEP> für <SEP> erfahrene <SEP> Testfahrer <SEP> störend
<tb> 8 <SEP> für <SEP> kritische <SEP> Konsumenten <SEP> störend
<tb> 7 <SEP> für <SEP> einige <SEP> Konsumenten <SEP> störend
<tb> 6 <SEP> für <SEP> alle <SEP> Konsumenten <SEP> störend
<tb> 5 <SEP> sehr <SEP> störend <SEP> für <SEP> alle <SEP> Konsumenten
<tb>
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, einen Dynamikprüfstand für Fahrzeugmotoren so einzustellen und zu eichen, dass das Fahrzeugverhalten in Bezug auf die Fahrbarkeit vollständig nachgebildet werden kann. Auf diese Weise kann das Fahrverhalten in sehr genauer Weise am Prüfstand dargestellt werden.
Es können die einzelnen Betriebsarbeiten, wie Leerlauf, Tip in (plötzliches Gasgeben) Let of (plötzliches Gaswegnehmen) Konstantfahrt, Beschleunigung, Schalten oder Schub getrennt voneinander untersucht werden.