DE10154337A1

DE10154337A1 - Bestimmung und Komfortrelevanz der elastischen globalen Bewegungsformen von Kraftfahrzeugen im Fahrbetrieb

Info

Publication number: DE10154337A1
Application number: DE10154337A
Authority: DE
Inventors: Markus Kosfelder; Frederic Periard
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-03-21
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2002-09-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Einrichtungen zur Objektivierung der dynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeuges oder Teilen davon, insbesondere zur Optimierung der dynamischen Auslegung von Fahrwerk und Karosserie. Die Aufgabe, die sich der Fahrzeugentwicklung zur Erzielung eines hohen Fahrkomforts stellt, ist die ausgewogene Abstimmung der einflußnehmenden Komponenten wie z. B. Fahrwerk und Karosserie. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß während einer Fahrt oder auf einem Prüfstand auftretende Schwingungen an dem Fahrzeug oder an Teilen davon meßtechnisch als Meßdaten aufgezeichnet werden und die Meßdaten einer Signalanalyse unterworfen werden, bei der einzelne räumliche Komponenten der Schwingungen aus den Meßdaten rechnerisch extrahiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Objektivierung der dynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeugs oder Teilen davon, insbesondere zur Optimierung der dynamischen Auslegung von Fahrwerk und Karosserie, sowie einer entsprechenden Einrichtung hierzu, sowie ein Softwareprogrammprodukt.

Verfahren und Einrichtungen hierzu werden zum einen im Versuchsfeld bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugen verwendet, und zum anderen auch im Fahrzeug selbst, als sog. Fahrwerksdämpfungsverfahren oder -einrichtungen bekannt.

Die Dynamik von Kraftfahrzeugen und die dort auftretenden Schwingungen sind aus dem Aufsatz von Mitschke, M. (1984) Dynamik der Kraftfahrzeuge - Band B: Schwingungen, Springer-Verlag, sowie aus Mitschke, M. Klingner, B. (1998) Schwingungskomfort im Kraftfahrzeug (ATZ-Nr. 100) bekannt.

Darüber hinausgehend sind Erkenntnisse aus strukturdynamischen Auslegungen der Karosserie von Kraftfahrzeugen aus Freimann, R. (1992) Strukturdynamische Auslegungen von Kraftfahrzeugen VDI-Berichte Nr. 968 Seite 143-158 bekannt.

Ferner ist auch im Hinblick auf die Leichtbauweise bei Karosserien zu verweisen auf Lüdke, E. (1999) Funktionaler Rohkarosserieleichtbau, Tag der Karosserie, Institut für Kraftfahrwesen, RWTH Aachen, bekannt. Die Konstruktion einer Rohkarosserie für ein Kraftfahrzeug zielt auf zwei konstruktive Grundrichtungen ab, die synergetisch miteinander zu verbinden sind.

Zum einen muß die Karosserie extrem leichtbauend sein, zum anderen muss sie statische Festigkeit im gewünschten Umfang, und auch dynamische Schwingungsfestigkeit aufweisen.

Zum einen können strukturdynamische Schwächen konstriktiv vermieden werden, indem besonders stark auftretende Schwingungsformen der Kraftfahrzeugkarosserie deutlich versteift werden, zum anderen können aber auch aktive Elemente eingesetzt werden, die im wesentlichen das Fahrwerk oder die Karosse betreffen. Über das Fahrwerk findet die Karosserie als solches einen indirekten Kontakt zum Untergrund bzw. zur Fahrbahn. Das Fahrwerk wirkt somit entscheidend mit an dem Auftreten von Schwingungen zum einen, hat jedoch auch maßgeblichen Einfluß beim Ausregeln oder Ausdämpfen von Schwingungen andererseits.

Eine für den Fahrkomfort wichtige Einflußgröße ist das Schwingungsverhalten der Fahrzeuge im Bereich der niedrigen Frequenzen. Bei der Fahrt über unebene Straßen werden gerade im Frequenzbereich von ca. 1 Hz bis ca. 30 Hz komfortrelevante Schwingungen angeregt. Das Schwingungsverhalten in diesem Bereich wird besonders durch Starrkörperschwingungen, Fahrwerksresonanzen und die ersten Karosserie- Eigenformen geprägt.

Bisher werden die im Fahrbetrieb auftretenden Schwingungen von Kraftfahrzeugen durch Messungen absoluter Bewegungsgrößen (Beschleunigung, Schnelle, Auslenkung) an verschiedenen, je nach Zielsetzung unterschiedlichen Messpunkten objektiviert.

Die Anregung des Fahrzeugs erfolgt hierbei durch Fahrt über verschiedene Fahrbahnen wie z. B. 'wellige Teerstraße', 'Kleinpflaster', 'Landstraße' oder 'Schnellbahn'.

Hierdurch wird ein objektiver Vergleich verschiedener Fahrzeuge ermöglicht. Die Messdaten bestehen jedoch immer aus einer Überlagerung aller auftretenden Schwingungsformen. Dies erschwert die Interpretation der Daten erheblich. Eine gezielte Betrachtung einzelner Bewegungsformen ist nicht möglich.

Die Aufgabe, die sich der Fahrzeugentwicklung zur Erzielung eines hohen Fahrkomforts stellt, ist die ausgewogene Abstimmung der einflußnehmenden Komponenten wie z. B. Fahrwerk und Karosserie.

Die gestellte Aufgabe wird hinsichtlich eines Verfahrens erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren in diesem Sinne ist in den Merkmalen des Patentanspruches 2 angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den abhängigen Ansprüchen 2-11 angegeben.

Im Hinblick auf eine Einrichtung wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 12 gelöst.

Eine weitere Einrichtung in Lösung der gestellten Aufgabe und in Verwendung des erfindungsgemäßen Grundgedankens ist in den Merkmalen des Patentanspruches 13 angegeben.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.

Hinsichtlich eines Softwareprogrammproduktes ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 16 gelöst.

Eine weiteres Softwareprogrammprodukt ist in Patentanspruch 17 angegeben.

Das hier vorgestellte neue Messverfahren erlaubt eine Trennung der im Fahrbetrieb auftretenden globalen Bewegungsformen. Im einzelnen können außer den auftretenden Starrkörperformen, Torsionsamplituden und Biegeamplituden für die Längs- und Querbiegung getrennt bestimmt werden.

Dies erlaubt einen gezielten Vergleich einzelner globaler Bewegungsformen verschiedener Fahrzeuge bzw. eine Objektivierung der durch gezielte Aufbauveränderungen hervorgerufenen Beeinflussung einzelner Bewegungsgrößen.

Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren als Werkzeug eingesetzt werden, um den Einfluß der einzelnen Bewegungsgrößen auf den Komforteindruck zu untersuchen. Gerade die Torsionsamplitude ist ein wichtiger Komfortparameter.

Hiermit ist eine schnellere und bessere Optimierung des Fahrkomforts bei zukünftigen Entwicklungen zu erwarten.

Die Anregung erfolgt wie bisher durch Fahrt über verschiedene Fahrbahnen oder auch durch einen Prüfstand (z. B. Hydropulsprüfstand). Während der Fahrt bzw. der Prüfstandsanregung werden die Signale der an den Meßstellen angebrachten Beschleunigungsaufnehmer bspw. mit Hilfe eines gängigen mobilen Meßgerätes in digitaler Form abgespeichert.

Die Auswertung kann unabhängig von den Messungen nachträglich erfolgen. Die Implementierung der erforderlichen mathematischen Operationen erfolgt mit Hilfe einer auf dem Messgerät zu Verfügung stehenden Makro-Programmiersprache. Im Prinzip können die erforderlichen Berechnungen mit jedem Digitalrechner durchgeführt werden. Die errechneten Amplituden werden in spektraler Form (Amplitude über der Frequenz) dargestellt und können mit einem angeschlossenen Drucker zu Papier gebracht werden.

Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 ist, daß während einer Fahrt oder auf einem Prüfstand auftretende Schwingungen, vorzugsweise über die Sensierung von Beschleunigungen, an dem Fahrzeug oder Teilen davon meßtechnisch als Meßdaten aufgezeichnet werden und die Meßdaten einer Signalanalyse unterworfen werden, bei der die während der Bewegung des Fahrzeuges auftretenden Schwingungen in starre und/oder elastische globale Bewegungsformen zerlegt werden. Auf diese Weise werden auftretende Schwingungen als solche erfaßt, die jedoch nach einzelnen räumlichen Komponenten zerlegt betrachtet werden. Hierdurch können verschiedene Schwingungsformen besser voneinander unterschieden werden.

Ein weiteres, erfindungsgemäßes Verfahren besteht im Kern darin, daß zur dynamischen Regelung von fahrwerksrelevanten Größen oder den Karosserieschwingungen selbst während des Fahrbetriebes auftretende Schwingungen, vorzugsweise über die Erfassung von Beschleunigungen am Kraftfahrzeug oder Teilen davon, meßtechnisch als Meßdaten aufgezeichnet und die Meßdaten einer Signalanalyse unterworfen und die während der Bewegung des Fahrzeuges auftretenden Schwingungen in starre und/oder elastische globale Bewegungsformen zerlegt und anschließend durch Veränderung der Stellung mindestens eines Stellgliedes oder Veränderung der Dämpfungssteifigkeit von mindestens einem Dämpfungsglied kompensiert werden. Im zweitgenannten Verfahren wird aktiv und ausschließlich im Fahrbetrieb gemessen, und die auf diese Weise ermittelten Schwingungsdaten werden sodann für eine Regelung von ortsveränderbaren Ausfahrzylindern oder Stellgliedern verwendet, oder ggf. auch kumulativ die Veränderung der Dämpfungssteifigkeit von Dämpfungsgliedern angesteuert. Auf diese Weise wird aktiv Eingriff und Einfluß auf die Verbindung Karosserie und Fahrwerk genommen.

Im erstgenannten Verfahren wird der erfindungsgemässe Grundgedanke im Prüffeld eingesetzt und die gewonnenen Parameter der Produktoptimierung rückgeführt.

Im zweitgenannten Verfahren wird der erfindungsgemässe Grundgedanke auf eine aktive Fahrwerksregelung bzw. Karosserieschwingungsregelung angewendet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beruht die Signalanalyse auf dem Ansatz der Modalanalyse unter Annahme einer Anzahl von globalen Bewegungsformen.

Der Fahrkomfort von Kraftfahrzeugen wird außer durch die im hörbaren Frequenzbereich vorliegende Fahrzeugakustik besonders durch das Schwingungsverhalten der Fahrzeuge im Bereich der niedrigen Frequenzen bestimmt. Bei der Fahrt über unebene Straßen werden gerade im Frequenzbereich von ca. 1 Hz bis ca. 40 Hz komfortrelevante Schwingungen angeregt. Abgesehen von lokalen Resonanzen, wie z. B. der Lenksäulenresonanz, wird das Schwingungsverhalten der Fahrzeuge in diesem Frequenzbereich besonders durch Starrkörperschwingungen, Fahrwerksresonanzen und das elastische Verhalten der Karosserie geprägt. In den gängigen Modellen, welche die globalen Schwingungsformen des Gesamtfahrzeugs beschreiben, wird die Karosserie als starrer Körper angenommen. In der Karosserieentwicklung wurden schon seit Anfang der 90er Jahre die Resonanzfrequenzen der Rohkarosserie als wichtige komfortrelevante Größe ("Dynamische Steifigkeit") in den Entwicklungsprozeß einbezogen. Dem subjektiven Urteil sehr viel näher liegende Größen als Resonanzfrequenzen sind jedoch die im Gesamtfahrzeug bei Straßenfahrt tatsächlich auftretenden Schwingungsamplituden. In dem nachfolgenden Abschnitt wird aufgezeigt, wie die bei der Straßenfahrt auftretenden elastischen Karosserieauslenkungen getrennt bestimmt werden können, und welche Vorteile bei der Schwingungsbeurteilung des Fahrzeugs daraus resultieren.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden Torsionsschwingungen erfaßt, indem an Punkten, zumindest an vier definierten Eckpunkten der ruhenden Karosserie eine imaginäre, zu mindest im wesentlichen rechteckig begrenzte Fläche aufgespannt wird und die Abweichung mindestens eines der Punkte von den übrigen, die Fläche definierenden Punkten bestimmt wird. Hierzu das näher dargestellte erfindungsgemäße Messprinzip welches im wesentlichen aber nicht ausschliesslich auf die Torsionsamplitude abgestellt ist.

Zur Bestimmung der Torsionsamplitude wird ein horizontal liegendes Rechteck angenommen, dessen Eckpunkte etwa den "Fahrzeugecken" entsprechen, was in der Zeichnung weiter unten noch weiter dargestellt wird. Diese Punkte liegen in der Praxis vorn an den Endpunkten der vorderen Längsträger, hinten an den oberen Enden der hinteren Kotflügel (um lokale Effekte ausschließen zu können, müssen die Meßpunkte eine hohe lokale Steifigkeit aufweisen). Solange das Fahrzeug Starrkörperbewegungen oder Biegung durchführt, liegen die vier Punkte immer genau in der Rechteckfläche. Liegt Torsion vor, dann kann die Fläche durch maximal drei der vier Punkte festgelegt werden. Der vierte Punkt weicht zwangsläufig von der Fläche ab. Werden die Meßpunkte mit z₀ (hinten rechts), z₁ (vorn rechts), z₂ (hinten links) und z₃ (vorn links) bezeichnet, dann ergibt sich nach kurzer Vektorrechnung für die Torsionsamplitude h_T:

Hierbei steht X₀ für die Fahrzeuglänge und Y₀ für die Fahrzeugbreite. Solange bei der Straßenanregung die Auslenkungen der Meßpunkte gegenüber den Fahrzeugabmessungen klein sind, gilt:

Weiterhin erfolgt die Bestimmung der Biegeamplitude.

Zur Bestimmung der elastischen Biegeamplitude kann ebenfalls ein einfacher geometrischer Ansatz gewählt werden. Hierzu sind im Prinzip zumindest drei in der Fahrzeugmitte entlang der Fahrzeuglängsachse verlaufende Meßpunkte erforderlich. Solange keine Biegung vorliegt, verläuft die Gerade durch alle drei Punkte. Bei auftretender Biegung kann die Gerade nur durch zwei der drei Meßpunkte verlaufen. Der Abstand des dritten Punktes zur Geraden ist ein Maß für die auftretende Biegeamplitude. Auf eine nähere Betrachtung soll an dieser Stelle verzichtet werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß Hubbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß auch oder gesondert Nickbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, daß zusätzlich oder auch gesondert Wankbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß auch oder gesondert betrachtet, Torsionsbewegungen des Fahrzeuges bzw. der Fahrzeugkarosserie registriert bzw. selektiviert werden.

Diese verschiedenen Bewegungs- oder Schwingungsformen können entweder gesondert oder auch kumulativ erfaßt und bewertet werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass Torsionsschwingungen erfaßt werden, indem an Punkten, zumindest an vier definierten Eckpunkten der ruhenden Fahrzeugkarosserie eine imaginäre, rechteckig begrenzte Fläche aufgespannt wird, und dass mittels mathematischer Vektoranalyse die Abweichung mindestens einer der Punkte von den übrigen, die Fläche definierenden Punkten, als Schwingungsamplitude zu

bestimmt wird, wobei x₀ die Fahrzeuglänge, y₀ die Fahrzeugbreite und z_0,...,3 die Kennzeichnung der einzelnen Auslenkungen an den Messpunkten darstellen.

Die Ergebnisse dieser aus einer Vektorberechnung stammenden Formel, die die vier besagten Eckpunkte eines Rechteckes berücksichtigt, werden sodann entweder stationär auf einem Prüfstand, also als Konstruktionseingangsdaten, oder aber auch im Fahrbetrieb während einer Fahrwerksregelung bzw. Karosserieschwingungsregelung eingesetzt und nach dieser Vorschrift berechnet. h_T beschreibt damit die Amplitude der Torsionsschwingung.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß die Torsionsschwingungsamplituden rechnerisch als kleine Auslenkung behandelt und dementsprechend sich h_T zu folgendem Wert ergibt:

h_t = ¼ (z₀ + z₃ - z₁ - z₂)

ermittelt und regelungstechnisch berücksichtigt wird. Auf diese Weise besteht ein einfach hergeleiteter Algorithmus, aus dem effizient Torsionsschwingungen bestimmbar und entsprechend gegensteuerbar sind. Die auftretenden Torsionsschwingungen werden auf diese Weise bestimmt. Werden diese für das Prüffeld bestimmt, so gehen diese Werte als Eingangsdaten für die Konstruktion der Rohkarosserie ein. Im zweitgenannten Fall, in dem eine Fahrwerksregelung bzw. Karosserieschwingungsregelung während der Fahrt eingreift, geht die Größe dieser Torsionsschwingung zum Beispiel in die Regelung der Dämpfung ein.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß die Schwingungsparameter aus erfaßten Beschleunigungsdaten durch mathematisch zweifache Rückintegration gebildet werden. Die zweifache Rückintegration eines Beschleunigungswertes führt zu einem Ortswert. Dieser Ortswert ist dann entsprechend wieder die gesuchte Auslenkung.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, daß entsprechend den Werten von HT entsprechende Stellgrößen für die Stellglieder und/oder die Dämpfungsglieder ermittelt und ausgesteuert werden. Auf diese Weise findet das Verfahren Eingang in eine aktive Fahrwerksregelung bzw. eine Karosserieschwingungsregelung.

Gemäß einer Einrichtung der gattungsgemäßen Art besteht der erfindungsgemäße Kern darin, daß an mindestens vier Punkten, vorzugsweise an den an der Rohkarosserie bestimmten Eckpunkten des Rechteckes Sensoren angeordnet sind, die mit einer Verarbeitungseinrichtung außerhalb des Fahrzeuges verbindbar sind und anhand der Konstruktionsdaten die Schwingung bzw. Beschleunigungen der Karosserie als solche raumaufgelöst ermittelt und die entsprechenden Daten als Datensatz bereithält.

Gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 13 wird nun über die Sensoren, die an zumindest vier Punkten, vorzugsweise den vier Eckpunkten, des besagten Rechteckes der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind, die Daten in einer bordeigenen Verarbeitungseinrichtung des Kraftfahrzeuges eingelesen, die Schwingungsparameter und die Schwingungsform bestimmt sowie die Schwingungsamplitude und dementsprechend Stell- und/oder Dämpfungsstellgrößen ermittelt und an entsprechende Stell- und/oder Dämpfungsglieder ausgesteuert.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung hierzu wird innerhalb der Verarbeitungseinrichtung mit gespeicherten Karosseriedaten die Berechnung fortgeführt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind die gesammelten Daten aus dem Fahrzeug exportierbar und extern nachbearbeitbar, und wieder ins Fahrzeug oder die Messeinrichtung importierbar sind.

Hinsichtlich eines Softwareprogrammproduktes besteht die Erfindung nunmehr darin, daß zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 das Softwareprogrammprodukt in einem stationären Prüfstand oder in einem mobilen Testgerät eingesetzt, und die gewonnenen Daten als Erkenntnisparameter in die Produktoptimierung rückgeführt werden.

Bei einem zweiten erfindungsgemässen Softwareprogrammprodukt wird dasselbe in einem Fahrzeug zur Fahrwerksregelung bzw. Karosserieschwingungsregelung gemäss den Verfahrensmassgaben des Anspruches 2 angewendet.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Tordiertes bzw. tordierendes Fahrzeugmodell.

Fig. 2 Torsionsamplituden zweier Bauzustände.

Fig. 3 Phasenlagen der einzelnen Schwingungen am Fahrzeug.

Fig. 4 Vergleich gemittelter Torsionsamplituden zweier Bauzustände.

Fig. 5 Einrichtungsgemässe Komponenten.

Fig. 1 zeigt eine tordierte Fahrzeugkarosserie 1. Die entsprechenden Spannungslinien sollen die Torsion der Karosserie, nicht jedoch eine bleibende Verformung darstellen. Hierbei ist die Torsion während des Fahrbetriebes auftretend. Ebenfalls ist in dieser Figur dargestellt, inwieweit sich das Rechteck 2 bzw. das imaginäre Rechteck oder die imaginäre Rechteckfläche zwischen den vier Meßpunkten A, B, C, D innerhalb der Fahrzeugkarosserie 1 ausbildet. Bei einer hier nicht dargestellten, und gegenüber der Darstellung in Fig. 1 untordierten Fahrzeugkarosserie wäre der Punkt vorne links auf der sich ergebenden definitionsgemäßen Rechteckfläche liegend. Da das Fahrzeug hierbei jedoch tordiert ist, hebt sich der vordere Sensorpunkt A der Karosserie von der definierten Rechteckfläche ab. Hierbei liegt also ein Torsionsschwingungsaugenblick größter Auslenkung beispielsweise vor. Diese Schwingungen können gemäß Verfahrensanspruch 1 entweder an der Karosserie in dieser Form oder am fertigen Fahrzeug, jedoch auf einem Prüfstand oder aber auch im völlig fertigen Fahrzeug, welches sich im Fahrbetrieb befindet, auftreten. Auf einem Prüfstand werden diese Schwingungen erzwungen durch entsprechende Zwangsschwingungselemente und am fertigen Fahrzeug tritt ein solches Torsionsmoment im Fahrbetrieb auf der Straße auf.

Fig. 2 zeigt die auf erfindungsgemäße Weise ermittelten Torsionsamplituden in zwei Bauzuständen, nämlich Bauzustand I und Bauzustand II. Die zum Bauzustand I zugehörige Torsionsamplitudenkurve ist die obere Kurve und die zum Bauzustand II gehörende die untere. Die obere Kurve zeigt einen Bauzustand, mit einer normal beweglichen Karosserie. Wird in der erfindungsgemäßen Weise nun die Torsionsamplitudenverläufe gemessen, so kann auf die entsprechenden störenden Amplituden in bestimmten Frequenzbereichen, die wie oben beschrieben, auch im Hinblick auf die Komfortabilität des Fahrzeuges ungünstig sind, eingewirkt werden. Die untere Kurve zeigt daher den Bauzustand II mit Karosserieversteifungen und Fahrwerksmodifikationen, die statisch aufgrund der so aufgenommenen Kurven eingebracht wurden. Diese Gegenüberstellung von Bauzustand I zu Bauzustand II zeigt zum einen die günstige Erfassung der Schwingungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und das darauf vorteilhaft abstimmbare Verhalten bei der Nachkonstruktion oder aber auch beim Aktivieren eines aktiven Fahrwerkes oder einer aktiven Schwingungskompensation der Karosserieschwingungen.

Im Ergebnis führt dies nun zu folgendem. Mit Hilfe eines mobilen Meßsystems wurden die an den Meßstellen während der Fahrt auftretenden Beschleunigungen im Zeitbereich gemessen. Fig. 2 zeigt die nachträglich berechneten und gemittelten Amplitudenspektren der Torsionsamplituden bei Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit (50 km/h) für zwei verschiedene Bauzustände. Im Bauzustand II, mit Karosserieversteifungen und Fahrwerksmodifikationen, ergibt sich ein deutlich verbesserter Komforteindruck.

Fig. 3 zeigt die auftretenden Schwingungsformen. Oben links wird dargestellt, dass sich das Fahrzeug insgesamt also synchron an allen vier Unterstützungspunkten der Räder synchron nach oben bewegen kann. Die Teilabbildung rechts oben zeigt die sog. Nickbewegung, bei der die Vorderräder aufwärts und die Hinterräder abwärts streben. Weil bei einer Geradeausfahrt die Hinterräder den Vorderrädern in ihrer Spur folgen, ergeben sich abhängig vom Radstand und der Fahrgeschwindigkeit äquidistante Frequenzabstände für gleich- bzw. gegenphasige Anregung, gemäss Fig. 3. Der Kurvenverlauf der Torsionsspektren wird deshalb durch Frequenzen mit maximaler Torsionsanregung geprägt (bei ca. 13 Hz, 18 Hz, 23 Hz, 28 Hz, . . .). Eine fahrzeugphysikalisch interessante Betrachtung ergibt sich, wenn die Meßfahrt beschleunigt erfolgt.

Im Bild links unten ist die sog. Wankbewegung dargestellt, die ein Wanken der Karosserie nach rechts oder nach links insgesamt bedeuten, so dass das rechte Vorderrad und das rechte Hinterrad gemeinsam abwärts und das linke Vorderrad und das linke Hinterrad gemeinsam aufwärts streben, et vice versa.

Die entsprechend umgekehrte Bewegung ist natürlich auch bei den Abbildungen oben links und oben rechts gegeben.

Eine Torsionsschwingung tritt dann auf, wenn beispielsweise, wie hier dargestellt, das rechte Vorderrad und das linke Hinterrad abwärts streben und das linke Vorderrad und das rechte Hinterrad aufwärts streben, et vice versa. Diese Schwingungen werden gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren nach Anspruch 1 auf einem Prüfstand erzwungen und ergeben somit konstruktive Messdaten für die Nachbearbeitung der Karosserie und/oder von Fahrwerkselementen, und gemäss Verfahren nach Anspruch 2 werden diese im Fahrbetrieb aufgenommenen Meßdaten für ein aktives Ausregeln von Stell- und Dämpfungsgliedern am Fahrwerk oder der Karosserie verwendet.

Fig. 4 zeigt einen gemittelten Torsionsamplitudenverlauf der beiden Bauzustände bei einem Geschwindigkeitshochlauf, also einer Beschleunigung zwischen 20 und 70 km/h. Der obere Kurvenverlauf ist wie der Bauzustand I mit der unmodifizierten Karosserie, und/oder mit der inaktiven Fahrwerksregelung bzw. Karosserieschwingungsregelung.

Der untere Torsionsamplitudenverlauf zeigt den Bauzustand II mit Karosserieversteifung und Fahrwerksmodifikation oder im Hinblick auf eine aktive Fahrwerksdämpfung den eingeschalteten Zustand der Fahrwerksdämpfung bzw. Fahrwerksregelung.

Insbesondere die Kurvendarstellungen zeigen die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wird während der Messung die Fahrgeschwindigkeit bei konstanter Beschleunigung mindestens verdoppelt, dann verschwindet aufgrund der variierenden Phasenbeziehung zwischen Vorder- und Hinterrad die sonst äquidistant auftretende Welligkeit in den Spektren der Torsionsamplitude, und die globalen Fahrzeugeigenschaften werden sichtbar. Die maximalen Torsionsamplituden treten nicht im Frequenzbereich der 1. globalen Karosserietorsion (ca. 25 Hz-30 Hz), sondern im Bereich der Fahrwerksresonanzen (ca. 14 Hz-16 Hz) auf. Hier wirken die größten dynamischen Kräfte auf die Karosserie ein, weshalb hier auch die größten elastischen Karosseriebewegungen auftreten. Der Frequenzbereich der Karosserieresonanzen, hier ab ca. 28 Hz, fällt nur durch eine relativ geringe Überhöhung auf.

Damit ergibt sich folgendes.

Die Charakteristik des Spektrums der Torsionsamplitude wird bei der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit stark durch die bei Straßenanregung geltenden Phasenbeziehungen zwischen Vorder- und Hinterrädern geprägt.

Wird die Messung der Torsionsamplitude mit konstanter Geschwindigkeit durchgeführt, sind im allgemeinen keine Aussagen über einzelne Einflußfaktoren möglich. So kann weder die 1. Torsionsresonanz der Karosserie noch eine Fahrwerksresonanz unmittelbar abgelesen werden.

Der Einfluß der Phasenbeziehungen zwischen Vorder- und Hinterrädern auf die Torsionsmessungen läßt sich durch eine beschleunigte Meßfahrt vermeiden.

Zum Vergleich bzw. zur Beurteilung von torsionswirksamen Maßnahmen ist diese Messung sehr gut geeignet.

Die komfortrelevanten elastischen Amplituden haben ihr Maximum im Bereich der Fahrwerksresonanzen.

Komfortverbesserungen lassen sich sowohl durch Karosserieversteifungen als auch durch Fahrwerksmodifikationen d. h. bspw. durch Verkleinerung der eingeleiteten Kräfte erreichen.

Fig. 5 zeigt die wichtigsten Elemente der Erfindung, wie sie einrichtungsgemäss eingebunden sind. Positionen A, B, C und D kennzeichnen die vier Orte der Fahrzeugkarosserie 1 an denen Messpunkte eingerichtet sind. Diese vier Orte spannen das eingangs beschriebene Rechteck auf. Die vier Messpunkt sind jedoch nur in unbelasteter oder im Gleichgewicht befindlicher Situation in einer Ebene liegend. An den Messpunkten wird genau derjenige oder diejenigen Punkt ermittelt die aus dieser Solllage abweichen. An Messpunkt A ist der Sensor 10, am Messpunkt B ist der Sensor 11, am Messpunkt C ist der Sensor 12 und am Messpunkt D ist der Sensor 13 angeordnet. Die Sensoren 10 bis 13 können Beschleunigungssensoren sein, oder aber Sensoren die geeignet sind, um aus ihren Sensorwerten auf eine Auslenkung zu schliessen. In der oben genannten Formel für die Torsion gehen die entsprechenden Auslenkungen mit ein. So ist mit Z1 die Auslenkung am Messpunkt D, mit Z1 die Auslenkung am Messpunkt B, mit Z2 die Auslenkung am Messpunkt C, und mit Z3 die Auslenkung am Messpunkt A gemeint und bezeichnet. Die Werte der Sensoren werden nach der oben genannten Formel in einem Messrechner 20 ausgewertet. Die Übertragung der Sensorwerte erfolgt dabei entweder über jeweils eine Leitung zum Messrechner, oder aber über ein Bussystem, welches hier nicht weiter dargestellt ist.

Der Messrechner kann dabei je nach Anwendung der Erfindung entweder im Fahrzeug selbst angelegt sein, so dass dieser auch die Fahrwerksregelung bewerkstelligt, oder aber er ist extern in einem ggfs. mobilen Prüfgeräts eines Fahrzeugprüfstandes der eingangs beschriebenen Art angeordnet.

Im erstgenannten Fall werden im Messrechner entsprechende Werte zur Fahrwerksregelung bzw. zur Karosserieschwingungsregelung errechnet und an eine neutral zu bezeichnende Datenausgabe 30 gegeben. Dort werden die Daten entweder direkt angezeigt, oder aber es erfolgt die Anzeige ggfs. bedenklicher Fahrzustände im Cockpit des Fahrzeuges. Gleichzeitig können aber nun entsprechende Werte an Stellglieder 40 bis 41 gegeben werden, um der bspw auftretenden Torsionsschwingung durch einen Stellhub und/oder eine Dämpfungsveränderung entgegen zu wirken.

Im anderen Fall handelt es um einen mehr oder weniger stationären Prüfstand, oder aber um eine in ein Fahrzeug zum Absolvieren einer Teststrecke installierten Einrichtung, die Schwingungsdaten während einer Testfahrt aufnehmen soll. Sowohl auf dem stationären Prüfstand als auch auf der Teststrecke erfolgt die schwingungsmässige Vermessung des Fahrzeuges als solche. Die Daten dienen ggfs der Rückführung von Erfahrungs- und Testwerten für die Fertigung. Dies ist ein anderer Zweck als im erstgenannten Fall, in dem das erfindungsgemässe Verfahren für eine dauerhafte, im Alltagsbetrieb eingesetzte Fahrwerksregelung bzw. Karosserieschwingungen ist.

In beiden Fällen jedoch wird die Erfassung insbesondere der Torsionsschwingungen nach der oben dargestellten Methodik im Messrechner vorgenommen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Fahrzeugkarosserie

2

imaginäres Rechteck
A, B, C, D Messpunkte
X0 Länge des Fahrzeuges
Y0 Breite des Fahrzeuges
Z₀

Auslenkung am Messpunkt D
Z₁

Auslenkung am Messpunkt B
Z₂

Auslenkung am Messpunkt C
Z₃

Auslenkung am Messpunkt A

10

,

11

,

12

,

13

Sensoren

40

,

41

,

42

,

43

Stellglieder, Dämpfungsglieder

20

Verarbeitungseinrichtung

30

Datenausgabe

Claims

1. Verfahren zur Objektivierung der dynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeuges oder Teilen davon, insbesondere zur Optimierung der dynamischen Auslegung von Fahrwerk und Karosserie, dadurch gekennzeichnet, daß während einer Fahrt oder auf einem Prüfstand auftretende Schwingungen an dem Fahrzeug oder Teilen davon, meßtechnisch als Meßdaten aufgezeichnet werden und die Meßdaten einer Signalanalyse unterworfen werden, bei der die während der Bewegung auftretenden Schwingungen in starre und/oder elastische globale Bewegungsformen zerlegt werden.

2. Verfahren zur Objektivierung der dynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, daß zur dynamischen Regelung von fahrwerksrelevanten Größen und/oder Karosserieschwingungen während des Fahrbetriebes auftretende Schwingungen am Kraftfahrzeug oder Teilen davon meßtechnisch als Meßdaten aufgezeichnet und die Meßdaten einer Signalanalyse unterworfen und die während der Bewegung auftretenden Schwingungen in starre und/oder elastische globale Bewegungsformen zerlegt und anschließend durch Veränderung der Stellung mindestens eines Stellgliedes und/oder durch Veränderung der Dämpfungssteifigkeit von mindestens einem Dämpfungsglied kompensiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalanalyse auf dem Ansatz der Modalanalyse unter Annahme einer Anzahl von globalen Bewegungsformen beruht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als globale Bewegungsform zumindest Hubbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als globale Bewegungsform zumindest Nickbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als globale Bewegungsform zumindest Wankbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als globale Bewegungsform zumindest Längs- und/oder Querbiegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiert werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als globale Bewegungsform zumindest Torsionsbewegungen des Fahrzeuges registriert bzw. selektiviert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Torsions schwingungen erfaßt werden, indem zumindest an Punkten, vorzugsweise an vier definierten Eckpunkten der ruhenden Karosserie eine imaginäre, rechteckig begrenzte Fläche aufgespannt wird und die Abweichung mindestens eines der Punkte von den übrigen, die Fläche definierenden Punkten bestimmt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsparameter aus erfaßten Beschleunigungsdaten ermittelt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend den Werten der Amplitude der Bewegungsformen Stellgrößen für die Stellglieder und/oder die Dämpfungsglieder ermittelt und ausgesteuert werden.

12. Einrichtung zur Objektivierung der dynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeuges oder Teilen davon, insbesondere zur Optimierung der dynamischen Auslegung von Fahrwerk und Karosserie, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens vier Punkten, vorzugsweise den vier Eckpunkten (A, B, C, D) eines imaginären Rechteckes (2) innerhalb der Fahrzeugkarosserie (1) Sensoren (10, 11, 12, 13), vorzugsweise Beschleunigungssensoren angeordnet sind, die mit einer Verarbeitungseinrichtung (20) verbindbar sind.

13. Einrichtung zur Objektivierung der dynamischen Eigenschaften eines Kraftfahrzeuges oder Teilen davon, insbesondere zur Optimierung der dynamischen Auslegung von Fahrwerk und Karosserie, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens vier Punkten, vorzugsweise den vier Eckpunkten (A, B, C, D) eines imaginären Rechteckes (2) der Fahrzeugkarosserie (1) Sensoren (10, 11, 12, 13), vorzugsweise Beschleunigungssensoren angeordnet sind, die informationstechnisch mit einer bordeigenen Verarbeitungseinrichtung (20) verbunden sind, die wiederum auf der Stellgrößenausgangsseite mit Stell- und/oder Dämpfungsgliedern (40, 41, 42, 43) zur Ansteuerung verbunden ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Verarbeitungseinrichtung (20) mit gespeisten dynamischen Karosseriedaten die Berechnung durchführbar ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die gesammelten Daten aus dem Fahrzeug exportierbar und extern nachbearbeitbar und wieder importierbar sind.

16. Softwareprogrammprodukt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 10, sowie mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 und/oder 13 und/oder 14, bei welchem dasselbe in einem stationären Karosserieprüfstand oder in einem mobilen Testgerät eingesetzt, und die gewonnenen Daten als Erkenntnisparameter in die Produktoptimierung rückgeführt werden.

17. Softwareprogrammprodukt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 10, sowie mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 und/oder 13 und/oder 14, bei welchem dasselbe innerhalb eines Messrechners innerhalb des Fahrzeuges implementiert ist, und aus den erhaltenen Schwingungsdaten Stellgrößen zur Stellungs- und/oder Dämpfungsbeeinflussung ermittelt und ausgesteuert werden.