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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Auswertung von Meßdaten eines Straßensimulators,
ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt, die Verwendung
des Verfahrens, eine Vorrichtung zur Auswertung von Meßdaten eines
Straßensimulators
sowie einen Straßensimulator mit
derselben.
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Der zunehmende Trend zum strukturellen Leichtbau
und zur weiteren Verkürzung
der Entwicklungszeiten bei gleichzeitig gesteigertem Qualitätsanspruch
der Kunden spiegelt sich auch in einem erhöhtem Aufwand im Fahrzeugversuch
wieder. Die Überprüfung der
Betriebs festigkeit von Karosserien und Gesamtfahrzeugen ist eine
der wichtigsten Aufgaben bei künftigen
Fahrzeugentwicklungsprozessen.
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Unter Betriebsfestigkeit versteht
man die Haltbarkeit eines Fahrzeugs über seine Lebensdauer, die
heute ca. 200.000 bis 300.000 km beträgt. Hierzu wird das Fahrzeug
auf einem Prüfgelände über eine
definierte Prüfstrecke
(Kopfsteinpflaster, Schlaglöcher
etc.) gefahren. Diese Prüfung
muß das Fahrzeug
dann nahezu schadlos überstehen.
Da die Prüffahrten
je nach Prüfprogramm
bis zu 3 Monate dauern können,
werden servohydraulische Prüfstände, sogenannte
Straßensimulatoren,
eingesetzt, welche die Belastungen der Prüfstrecke im Prüflabor nachbilden
können.
Mit einem derartigen Straßensimulator
kann das gesamte Fahrzeugleben in ca. 200 Stunden simuliert werden.
Gründe
für die
deutliche Verringerung des Zeitaufwandes stellen eine deutliche
Verringerung der Ausfallzeiten durch eine vereinfachte Inspektion
und der vollständige
Wegfall von Stillstandszeiten (Fahrerwechsel, Auftanken, etc.) dar.
Außerdem
können
aus den Steuersignalen des Straßensimulators
die nichtschädigenden
Anteile geringer Amplitude entfernt werden, was alleine eine Halbierung
des Zeitaufwandes bedeutet. Der Straßensimulator bietet darüber hinaus
die Möglichkeit der
Erprobung nicht-fahrfähiger
Prototypen. Auch dies bedeutet eine erhebliche Entwicklungszeitverkürzung.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
des Straßensimulators
ist der hohe Grad der Reproduzierbarkeit der Prüfung im Gegensatz zur Fahrerprobung. Die
Streuung der Versuchsergebnisse reduziert sich damit auf Werkstoffe
und Produktionsverfahren. Dies steht im Gegensatz zur beachtlich
streuenden Betriebsbeanspruchung im Fahrversuch, hier ist z. B. die
Wetterabhängigkeit
zu nennen. So lassen sich bei regennasser Fahrbahn in bestimmten
Abschnitten nur reduzierte Querkräfte erreichen. Eine deutliche
Streuung geht auch vom Einfluß des
Fahrers aus (Mentalität, „Tagesform"). Ein Straßensimulator
kennt diese Streuung nicht.
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Die zur Simulation erforderlichen
Belastungsdaten erhält
man durch die Aufnahme von Daten einer Fahrt über eine definierte Prüfstrecke.
Die Datenaufnahme erfolgt dabei mittels Meßrädern, mit denen direkt die
auf das Fahrzeug wirkenden Kräfte und
Momente gemessen wer den. Diese Daten dienen zur direkten Ansteuerung
des Straßensimulators und
ermöglichen
eine genaue Reproduktion der realen Belastungszustände.
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Jedes Meßrad erfaßt sechs Freiheitsgrade, welche
später
in dem Straßensimulator
reproduziert werden müssen.
Alle Kräfte
eines Meßrades
lassen sich durch eine Kombination der sechs Freiheitsgrade:
Fx: Kraft in horizontaler Richtung, längs des
Fahrzeugs
Fy: Kraft in horizontaler
Richtung, quer zum Fahrzeug
Fz: Kraft
in vertikaler Richtung
Mx: Drehmoment
um die Kraft Fx
My:
Drehmoment um die Kraft Fy
Mz: Drehmoment um die Kraft Fz
beschreiben.
Wenn alle Daten für
die zu reproduzierende Prüfstrecke
mittels der vier Meßräder erfaßt worden
sind, wird das Fahrzeug inklusive der vier Meßräder im Straßensimulator montiert. Der
Straßensimulator
wertet dann für
jedes Meßrad
alle sechs Freiheitsgrade aus. Eine digitale Regelung erfolgt mit
einer RPC (Remote Parameter Control)-Software. Die Regelkreise (PID)
sind voneinander abhängig,
da die Ansteuerung eines Zylinders des Straßensimulators eine Sprungantwort
an verschiedenen Stellen am Fahrzeug bewirkt.
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Die Ansteuerung erfolgt, indem verschiedene
Modi festgelegt werden, wobei mehrere Zylinder des Straßensimulators
bewegt werden, um eine bestimmte Einwirkung am Fahrzeug zu erreichen.
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Bei z. B. 20 verschiedenen Modi und
der Aufnahme von z. B. 20 Meßgrößen (je
Meßrad
5 Meßgrößen) und
einer Frequenzabtastung von 0,2 Hz entstehen 400.000 Datensätze, die
aus zuvor erfaßten
Binärdaten
gebildet werden. Diese Binärdaten sind
komplexe Zahlen, deren jeweilige Real- bzw. Imaginärteile die
gemessenen Amplituden und Phasen und die sich daraus ableitende Übertragungsfunktion
beschreiben. Dies macht eine Betrachtung der einzelnen Meßpunkte
und der dort aufgetretenen Schwingungen immens zeitintensiv. Eine
sofortige Aussage über
den Zustand des Straßensimulators bzw.
die Betriebsfestigkeit einer in dem Straßensimulator geprüften Karosserie
bzw. eines Gesamtfahrzeuges ist nicht möglich. Dies führt zu unnötig langen Fahrzeugentwicklungszeiten.
Erstere, das heißt
die Überprüfung des
Zustands des Straßensimulators, ist
erforderlich, um die Meßdaten
an einer Karosserie oder an einem Fahrzeug eindeutig interpretieren
zu können.
Deshalb muß sie
vor und nach jeder Prüfung eines
Fahrzeuges durchgeführt
werden. Dazu wird in dem Straßensimulator
anstelle einer Karosserie oder eines Fahrzeuges ein starrer Rahmen
eingesetzt.
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Die
EP 0 846 945 A2 betrifft ein Verfahren zur Analyse
des Fahrverhaltens von Kraftfahrzeugen. Messgrößen sind z. B. die Motordrehzahl,
Drosselklappen- bzw. Gaspedalstellung, Fahrzeuggeschwindigkeit,
Fahrzeuglängsbeschleunigung,
Saugrohrunterdruck, Kühlmitteltemperatur,
Zündzeitpunkt,
Einspritzmenge, Lambdawert, Abgasrückführrate und Abgastemperatur.
Das bekannte Verfahren umfasst die Durchführung von Messungen an einem
realen Fahrzeug zur Gewinnung von Messgrößen über das Fahrverhalten. Bei
dem bekannten Verfahren wird eine Bewertungsgröße abgeleitet, die die Fahrbarkeit des
Fahrzeugs ausdrückt.
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Aus ATZ Automobiltechnische Zeitschrift
101 (1990) 12, Seiten 994 – 1001
sowie aus Technische Rundschau Nr. 17, 1998, Seiten 72 – 73 sind
Simulationen im Hinblick auf Fahrzeugentwicklung und Qualitätskontrolle
bekannt.
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Dem Prospekt P 2711 „Serie
59, digitale Modularelektronik für
Hydropuls-Prüfsysteme
der Firma Carl Schenck AG",
1998, ist die Aufnahme von Messdaten von vier Prüfzylindern eines Straßensimulators,
und zwar drei Messsignale pro Kanal, entnehmbar. Unter anderem ergibt
sich daraus die grafische Darstellung von zwei Messdatenkurven und
einer Kurve der Differenz der beiden Messdatenkurven.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe
zugrunde, die Entwicklungszeiten von Fahrzeugen zu verkürzen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch
ein Verfahren zur Auswertung von Meßdaten eines Straßensimulators,
das die folgenden Schritte umfaßt:
Bereitstellen von mindestens zwei Paaren von mindestens 1-dimensionalen
Meßdatenkurven aus
von einem Straßensimulator
aufgenommenen Meßdaten,
Berechnen mindestens eines Parameters zur Charakterisierung der
Abweichung zwischen den Meßdatenkurven
eines jeweiligen Paares für
jedes Paar und gleichzeitiges Darstellen des mindestens einen Parameters
bzw. mindestens eines der Parameter von mindestens zwei Paaren,
wobei mindestens vier Paare von mindestens 1-dimensionalen Meßdatenkurven bereitgestellt
werden und die Parameter in einer Matrix dargestellt werden.
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Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch ein
Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um ein Verfahren nach einem
der Ansprüche
1 bis 15 durchzuführen,
wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
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Außerdem wird diese Aufgabe gelöst durch ein
Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten
Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis
15 durchzuführen;
wenn das Programm auf einem Computer ausgeführt wird.
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Darüber hinaus wird diese Aufgabe
gelöst durch
eine Vorrichtung zur Auswertung von Meßdaten eines Straßensimulators,
mit einer Auswerte- und Ansteuereinheit, der die Meßdaten des
Straßensimulators
zuführbar
sind, und einem Anzeigegerät
zur Darstellung von Daten, das mit der Auswerte- und Ansteuereinheit
in Verbindung steht und von selbiger ansteuerbar ist, wobei die
Auswerte- und Ansteuereinheit so ausgebildet ist, daß Parameter
nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 auf dem Anzeigegerät darstellbar
sind.
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Schließlich wird die Aufgabe gelöst durch
einen Straßensimulator
mit einer Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
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Der Erfindung liegt die überraschende
Erkenntnis zugrunde, daß durch
das Berechnen von Parametern zur Charakterisierung der Abweichung zwischen
den Meßdatenkurven
und Darstellung der berechneten Parameter eine sofortige Gesamtaussage über den
Zustand des Straßensimulators und/oder
die Betriebsfestigkeit einer Karosserie bzw. eines Fahrzeugs möglich ist.
Außerdem
lassen sich dadurch schnell eventuelle Problemzonen- bzw. stellen
aufzeigen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden
Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel
anhand von Figuren erläutert
ist, in denen:
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1 eine
Darstellung eines Paares Meßdatenkurven
und der prozentualen Abweichung zwischen den Meßdatenkurven bezogen auf den
Maximalwert für
den Fall der Auswertung der Amplitude in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt;
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2 eine
Darstellung eines Paares Meßdatenkurven
und der Differenz zwischen den Meßdatenkurven für den Fall
der Auswertung der Phase in Abhängigkeit
von der Frequenz zeigt;
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3 eine
Darstellung der Auswertung der Amplitude gemäß einer besonderen Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens zeigt; und
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4 eine
Darstellung der Auswertung der Phase gemäß einer besonderen Ausführungsform des
vorliegenden Verfahrens zeigt.
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Der Regelkreis eines Straßensimulators kann
sehr vereinfacht durch einen PC, welcher als Regler arbeitet, und
eine Regelstrecke, welche idealisiert nur aus dem Objekt (Karosserie,
Fahrzeug) besteht, dargestellt werden. Durch Anregung bestimmter
Signalfolgen auf die Regelstrecke kann die Übertragungsfunktion des Objektes
bestimmt werden. Dazu wird das Meßsignal mit dem anregenden
Signal verglichen. Wie bereits beschrieben, wird zur Anregung immer
ein Modus verwendet. Als anregendes Signal wird ein Rauschsignal
verwendet. Das Rauschsignal weist die Eigenschaft auf, daß dadurch alle
Frequenzen zur Bestimmung der Übertragungsfunktionen
berücksichtigt
werden. Die Interpretation erfolgt in den komplexen Größen Amplitude
und Phase, welche sich bei Veränderungen
des Straßensimulators
und/oder der Karosserie bzw. des Fahrzeugs ändern.
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1 zeigt
im oberen Teil zwei Meßdatenkurven,
nämlich
die Amplituden-Frequenz-Kurven
für den
Regelungsmodus LF Vert (Left Front Vertical) (vorne-links in Z-Richtung)
für die
Kraft Fz am Meßrad am Fahrzeug vorne links
zu einem Zeitpunkt 1 (Übertragungsfunktion
1) und zu einem Zeitpunkt 2 (Übertragungsfunktion
2). Im unteren Bereich ist die prozentuale Abweichung zwischen den
Meßdatenkurven
(Übertragungsfunktion
1 und Übertragungsfunktion
2) bezogen auf den Maximalwert dargestellt. Bei dem oben beschriebenen
Straßensimulator
fallen 20 × 20
derartige Paare Meßdatenkurven
schon allein für
die Ampli tude an. Ein entsprechende Anzahl ist auch noch einmal
für die
Phase (siehe 2) anzusetzen.
Dies macht die Auswertung sehr zeitintensiv.
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3 zeigt
das Ergebnis einer Auswertung der Amplitude gemäß einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Im oberem rechten Teil der
3 ist eine 20 × 20-Matrix als Ergebnis
der Amplitudenauswertung dargestellt. Dabei finden sich alle Modi
(anregende Größen) in
den Zeilen 1 bis 20 und alle Meßgrößen in den
Spalten 1 bis 20 wieder. Die Hauptdiagonale gibt den direkten Zusammenhang
zwischen anregender und gemessener Größe wieder. Bevor die Auswertung
gestartet und das Ergebnis in Form einer Matrix dargestellt wird,
muß die
prozentuale Abweichung der Amplitudendaten und das auszuwertende
Frequenzband eingestellt und damit eine Musterzuordnung zu den maximalen
Amplitudenabweichungen eines Matrixzahlenwerteintrages festgelegt
werden. Die Toleranzbänder
werden mit den Buttons +/– eingestellt. Jedes
Element der Matrix enthält
die Angabe der Frequenz, bei der die größte Abweichung bezogen auf den
Maximalwert ermittelt wurde. Das Muster zeigt an, in welchem Toleranzband
sich die maximale Amplitudenabweichung befindet. Die Musterzuordnung ist
in dem linken oberen Teil der
3 dargestellt.
Es sind fünf
Bereiche vorgegeben:
| Bereich
1 | 0
bis 10 % |
| Bereich
2 | 10
bis 20 % |
| Bereich
3 | 20
bis 30 % |
| Bereich
4 | 30
bis 40 % |
| Bereich
5 | mehr
als 40 % Abweichung. |
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Durch Verwendung einer Farb- anstelle
einer Musterzuordnung kann die Matrix unter Umständen noch aussagekräftiger sein.
Das untere Diagramm der 3 zeigt
die Häufigkeit
der Frequenz, in der ein Maximalwert der Amplitudenabweichung gefunden
wurde.
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In welchem Frequenzbereich die Auswertung
erfolgt, kann mit der Einstellung des Frequenzbandes beeinflußt werden.
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Jedes Matrixelement kann angewählt werden,
um sich das Amplitudenspektrum, wie z. B. in 1 gezeigt, anzeigen zu lassen. Die Anzeige
kann dann optional als Diagramm oder Tabelle angezeigt werden.
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In 4 ist
entsprechendes für
die Phase dargestellt. Bevor die Auswertung gestartet wird, muß eine Musterzuordnung
zu den maximalen Phasenabweichungen eines Matrixzahlenwerteintrages festgelegt
werden. Die Toleranzbänder
werden mit dem Buttons +/– eingestellt.
Jedes Element in der Matrix enthält
die Angabe der Frequenz, wo die größte Phasenabweichung liegt.
Das Muster zeigt an, in welchem Toleranzband sich die maximale Phasenabweichung
befindet. Die Häufigkeit
der Frequenz, mit der ein Maximalwert der Phasenabweichung gefunden
wurde, wird im unteren Diagramm der 4 angezeigt.
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In welchem Frequenzbereich die Auswertung
erfolgt, kann mit der Einstellung des Frequenzbandes beeinflußt werden.
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Jedes Matrixelement kann angewählt werden,
um sich das Phasenspektrum anzeigen zu lassen. Die Anzeige kann
dann optional als Diagramm oder Tabelle angezeigt werden.
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Wie die 3 und 4 zeigen,
lassen sich die komplizierten Zusammenhänge der anregenden Größen und
gemessenen Werte des Straßensimulators
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren übersichtlicher
darstellen und weitergehend analysieren. Es kann als ein Software-Tool
realisiert werden und auf einem Computer automatisch ablaufen. Die
Software des Straßen simulators
liefert die Übertragungsfunktionen
als Binärdaten,
welche mit dem Software-Tool in eine Access-Datenbank transferiert
werden können,
um die besseren Auswertemöglichkeiten
einer Datenbank zu nutzen. Man kann dann die Daten unter verschiedenen
Kriterien vergleichen. Mit Hilfe des Software-Tools kann man gezielt
analysieren, welche Frequenzen problematisch sind und welche Abweichungen
die Amplituden und Phasen aufweisen. Die Meßdaten und ihre Abweichungen
können grafisch
oder tabellarisch dargestellt werden. Auf diese Weise können Resonanzfrequenzen,
fehlerhafte Zylinder oder Sensoren eines Straßensimulators schnell lokalisiert
werden. Das Software-Tool liefert eine übersichtliche und schnelle
Auswertungsmöglichkeit.
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Die in der vorstehenden Beschreibung,
in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der
Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung
der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.