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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur dynamischen Anpassung von Prüfständen, insbesondere für die Anpassung
von längsdynamischen
Prüfständen.
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Bei
technischen Anlagen unterscheidet sich häufig das reale Übertragungsverhalten
des Systems von einem idealen beziehungsweise gewünschten Übertragungsverhalten.
So können
beispielsweise die in einem Prüfstand
eingebauten Federn und Massen, insbesondere Rotationsmassen, häufig nicht
so nachgebildet werden, dass sie einem realen Betriebsaufbau entsprechen,
wie vielleicht einem Auto mit Motor, Getriebe, Wellen und Rädern. Dies
ist insbesondere bei der Betrachtung von Prüfständen dann der Fall, wenn auf
dem Prüfstand
unterschiedliche Konfigurationen nachgebildet werden sollen. Verschiedene
Konfigurationen können
beispielsweise durch einen Motor mit oder ohne Getriebe oder unterschiedliche
Gänge des
Getriebes jeweils für sich
betrachtet unterschiedliche Systemcharakteristika aufweisen.
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Prüfstandsanpassungen
sind bei dem Wechsel zwischen Systemkonfigurationen, die zu unterschiedlichen
Zeit auf einem Prüfstand
betrieben werden, notwendig, da eine Prüfstandsankopplung unterschiedliche
Auswirkungen auf jede Konfiguration zeigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur dynamischen
Anpassung von Prüfständen bereitzustellen,
an dem verschiedene Arten von Prüflingen
getestet werden, ohne den Prüfstand wesentlich
mechanisch umzubauen.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs
1.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine dynamische
Systemanpassung an einem Prüfstand
auf elektronischer Seite unabhängig von
der Art angeschlossener Prüflinge
unerwünschte dynamische
Erscheinungen innerhalb einer Prüfstandsankopplung
kompensierbar sind. Da ein Prüfstand,
insbesondere ein fahrdynamischer Prüfstand, beispielsweise für Fahrzeuge
vor dem Hintergrund möglichst
realistischer Prüfbedingungen,
beziehungsweise möglichst
genauer Abbildungen der Umgebungsbedingungen, möglichst genau die Verhältnisse
an einem realistischen Fahrzeug wiedergeben soll, sind bisher bei
einem Wechsel der Konfiguration wesentliche mechanische Umbauten
notwendig gewesen. Werden beispielsweise Motoren oder Motoren mit
deren Getriebe an einem Prüfstand
angeschlossen, sollte sich eine vorhandene Prüfstandsankopplung idealer Weise
genau so verhalten, wie in einem Fahrzeug, in dem der gleiche Motor
mit gleichem Getriebe eingebaut ist und betrieben wird.
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Auf
einem Prüfstand
werden Motoren durch einen Prüfstandsantrieb,
der in der Regel ein Elektromotor ist, mit verschiedenen Fahrzyklen
getestet. Hierzu wird die Aufbringung der im realistischen Betrieb
auftretenden Kräfte
und Momente auf die Antriebsräder
eines Fahrzeuges simuliert. Am Prüfstand werden diese Kräfte und
Momente durch den entsprechenden Prüfstandsantrieb realisiert.
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Eine
Prüfstandsankopplung,
die einerseits mit einem Prüfling
und andererseits mit dem Prüfstandsantrieb
verbunden ist, besteht in der Regel aus mechanischen Elementen.
Die Erfindung modifiziert den Regelkreis, der den Prüfstandsantriebsmotor
regelt. Um den Prüfstand
auf einen aktuell angeschlossenen Prüfling beziehungsweise Motor
mit Getriebe anzupassen, werden zwischen Prüfstandsankopplung und Prüfstandsantrieb
Sensorsignale wie beispielsweise Drehmoment, Drehzahl oder ähnliche Werte
aufgenommen und permanent an eine dynamische An passung weitergegeben.
Die dynamische Anpassung besteht aus einem so genannten Vierpol, wobei
die Eingangsgrößen einerseits
die Signale der gerade genannten Sensoren sind und andererseits Sollwerte
einer Sollwertvorgabe. Ausgangssignale sind beispielsweise ein dynamisch
modifiziertes Sensorsignal und modifizierte Sollwertsignale, die
auf den Prüfstandsantrieb
gelegt werden.
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Da
mit dem elektronischen Bauelement Vierpol bis zu vier Übertragungsfunktionen
realisiert werden können,
ist dessen Einsatz mit Vorteilen verbunden. Weiterhin können Mehrpol-Bauteile eingesetzt werden,
die eine ihrer Bezeichnung nach mögliche Anzahl von Übertragungsfunktionen
ermöglichen.
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Vorzugsweise
an den Antrieben gegebene Signale, wie Drehmomente, Drehzahlen oder Ähnliches
durch Sensoren abgegriffen und als Sensorsignale auf den Vierpol
gelegt. Dabei können
modifizierte Sensorsignale einer Sollwertvorgabe zugeführt werden
und im Anschluss daran die von der Sollwertvorgabe ausgegebenen
Sollwerte wiederum durch den Vierpol modifiziert werden.
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Im
Folgenden werden anhand schematischer Figuren Ausführungsbeispiele
beschreiben. Die Figuren stellen im Einzelnen dar:
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1 zeigt
einen realen Prüfstand
mit dynamischer Anpassung,
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2 zeigt
einen Prüfstand
mit angepasster Regelung, so dass Kennwerte innerhalb einer Prüfstandsankopplung
ideale Betriebswerte zeigen,
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3 zeigt
die Anpassung von Resonanzwerten zur Optimierung des Systems.
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Es
wird eine dynamische Systemanpassung 3 derart eingesetzt,
dass unabhängig
von den charakteristischen Daten eines Prüflings und seiner Gestalt,
im Wesentlichen seiner Dynamik, im gesamten Prüfstandssystem bestehend aus
mechanischen Untereinheiten und elektronischen Ansteuereinheiten, jegliche
unerwünschte
Teildynamik kompensiert wird, so dass beispielsweise für unterschiedliche
Prüflinge 7 ein
aktiver Prüfstand
beispielsweise ein Fahrdynamikprüfstand
nicht mechanisch umzubauen ist. Die Anpassung geschieht somit auf
der Ansteuerseite in elektronischer Form.
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Dabei
kann das dynamische Verhalten der anzupassenden Prüfstandsankopplung
an den Prüfling 7 unabhängig von
Schwingungsmoden des Gesamtsystems entsprechend einer Vorgabe frei
vorgenommen werden. Es lassen sich beispielsweise mit einem einzigen
Prüfstand
durch die entsprechende elektronische Anpassung Motor und Getriebeeinheiten
von gesamten Automobilbaureihen testen, ohne dass mechanische Umbauten
am Prüfstand,
insbesondere an der Prüfstandsankopplung 2 vorzunehmen
sind.
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Die
elektronische Anpassung geschieht, indem die zwischen einer Prüfstandsankopplung 2 und einem
Prüfstandsantrieb 5,
der unterlagert geregelt wird, abgegriffenen Sensorsignale 10 auf
einen Vierpol 8 zugeführt
werden. Die Parameter des Vierpols 8, der im Wesentlichen
die dynamische Anpassung 3 darstellt, können dabei direkt aus der realen
und der gewünschten Übertragungsfunktion
analytisch berechnet werden.
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Es
können
insbesondere vorhandene der anzupassenden Prüfstandsankopplung 2 entsprechende
oder mit ihr verbundene unerwünschte
Resonanzfrequenzen in idealer Weise verschoben werden. Im Besonderen
können
derartige Resonanzfrequenzen gelöscht
werden, so dass diese gar nicht mehr in Erscheinung treten.
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Dabei
kann Analogtechnik oder in vorteilhafter Weise auch ein Echtzeitprozessor
zur Anpassung von Rechenalgorithmen eingesetzt werden.
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1 zeigt
von links beginnend einen Prüfling 7,
der beispielsweise ein Verbrennungsmotor mit oder ohne ein angekoppeltes
Getriebe sein kann. Das gesamte dargestellte System entsprechend 1 bildet
beispielsweise einen fahrdynamischen Prüfstand. Der Prüfling 7 ist
entsprechend der Erfindung an die anzupassende Prüfstandsankopplung 2 mechanisch
angekoppelt und mittelbar verbunden mit einem Prüfstandsantrieb 5.
Zwischen anzupassender Prüfstandsankopplung 2 und
Prüfstandsantrieb 5 werden
Sensoren, beispielsweise auf einer Prüfstandswelle, angebracht, die
Sensorsignale 10 ausgeben. Derartige Sensorsignale sind
beispielsweise Drehmoment oder Drehzahl. Die elektronische Ansteuerung
des Prüfstandsantriebs
wird derart angepasst, dass die dynamische Charakteristik der anzupassenden
Prüfstandsankopplung 2,
die in der Realität
beispielsweise einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges entspricht,
in idealer Form mit dem Prüfling 7 zusammenwirkt.
Hierzu wird die elektronische Ansteuerung, der Sensorsignal und
Sollwerte zugeführt
werden, mit Hilfe der in einem Vierpol 8 möglichen Übertragungsfunktionen
angepasst. Dies wirkt sich insbesondere durch Verschiebungen oder Löschungen
von Resonanzfrequenzen einer nicht angepassten Prüfstandsankopplung 2 aus.
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Eine
Prüfstandsankopplung
besteht aus einer Torsionsfederdämpfung 1a, 2a beziehungsweise aus
einer Torsionsfederdämpfung 1a, 2a und
einer Rotationszwischenmasse 1b, 2b bzw. aus einer
Vielzahl von Einheiten aus einer Torsionsfederdämpfung 1a, 2a und
einer Rotationszwischenmasse 1b, 2b.
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Nachdem
eine sehr aufwändige
Umorganisation mechanischer Bauteile einer anzupassenden Prüfstandsankopplung 2 entfallen
kann. Wird eine Veränderung
am Prüfling 7,
der Sprung zu einem kräftigeren
Motor mit einem anderen Getriebe, erwägt, so kann die gleiche Prüfstandsankopplung
eingesetzt werden, wobei jedoch Sollwerte und Sensorsignale entsprechend
modifizierte Sollwerte 13 ergeben, die zur Ansteuerung
des Prüfstandsantriebs 5 verwendet
werden.
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Der
Prüfstandsantrieb,
in der Regel ein Elektromotor, wird dazu verwendet, einen Prüfling 7 mit unterschiedlichen
Fahrprofilen zu testen. Dies können
beispielsweise Beschleunigungsfahrten, Langstreckenfahrten, Bergfahrten,
Talfahrten oder Ähnliches
sein.
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2 zeigt
eine angepasste beziehungsweise optimierte Prüfstandsankopplung 1,
bei der die elektrische Ansteuerung derart eingerichtet ist, dass für den in
diesem Fall angekoppelten Prüfling 7 die angepasste
Prüfstandsankopplung 1 die
Wirksamkeit einer dem Prüfling 7 entsprechenden
optimierten Einheit von Prüfling
und beispielsweise Antriebsstrang aufweist.
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Da
entsprechend 2 die Prüfstandsankopplung bereits angepasst
ist, ist die dynamische Anpassung 3 beziehungsweise der
Vierpol 8 im Regelkreis entfernt worden. Die durch die
Sensoren 4 abgegriffenen Sensorsignale 10 werden
somit direkt der Sollwertvorgabe 6 zugeführt. Diese
Sollwertvorgabe 6 richtet Sollwerte auf den Prüfstandsantrieb 5. Der
Prüfstandsantrieb 5 dient
als elektromechanisches Übertragungselement
zur Ausführung
von bestimmten Testprofilen, mit der die angepasste Prüfstandsankopplung 1 in
Kombination mit dem Prüfling 7 beaufschlagt
wird.
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Sowohl
in 1 als auch in 2 sind die Torsionsfederdämpfungen 1a als
eine Einheit mit einer Rotationszwischenmasse 1b dargestellt.
Die kleinste Einheit innerhalb einer Prüfstandsankopplung 1, 2 ist
eine Torsionsfederdämpfung 1a oder 2a. In 2 ist
das Größenverhältnis zwischen
der Torsionsfederdämpfung 1a und
der Rotationszwischenmasse 1b anders gestaltet als in 1 das
Verhältnis
zwischen der Torsionsfederdämpfung 2a und
der Rotationszwischenmasse 2b. Diese Darstellung soll in 2 andeuten,
dass hier eine angepasste Prüfstandsankopplung 1 vorliegt,
für die
die Wertigkeit oder die Wirkung von Torsionsfederdämpfung 1a und Rotationszwischenmasse 1b der
Prüfstandsankopplung
auf der Ansteuerseite derart vorgenommen wird, dass beispielsweise
ur sprünglich
in der anzupassenden Prüfstandsankopplung 2 vorhandene
störende Resonanzfrequenzen
der Größe nach
verändert,
der Frequenz nach verschoben oder insgesamt gelöscht werden können.
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Die
Verwendung eines so genannten Vierpols für die dynamische Anpassung 3 kann
auch für andere
nicht elektrotechnische Systeme geschehen. Dies ist im Fall eines
Prüfstandes
der Fall, wobei das System elektromechanisch ausgelegt ist. Aus
Analogiegründen
sind entsprechend Spannungen durch Drehmomente zu ersetzen oder
Ströme
durch Drehzahlen; oder umgekehrt. Ein Vierpol kann mit unterschiedlicher
Charakteristik betrieben werden. Da im Falle eines Prüfstands
vorzugsweise eine Drehzahl vorgegeben wird, kann eine dynamische
Anpassung entsprechend einen modifizierten Sollwert 13 ermitteln.
Die Modifizierung kann beispielsweise durch entsprechende Filterung
vorgenommen werden. Eine weitere Möglichkeit der Sollwertanpassung
besteht in der Einspeisung eines Drehmomentes in die dynamische
Anpassung über
die Sollwertvorgabe 6. Außerdem können unterschiedliche Kreuzkopplungen über den
Vierpol 8 vorgenommen werden.
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Eine
anzupassende Prüfstandsankopplung 2 kann
beispielsweise einer Prüfstandswelle
entsprechen.
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Der
Prüfstandsantrieb 5,
welcher in der Regel ein Elektromotor ist, wird meist unterlagert
geregelt.
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Eine
angepasste Prüfstandsankopplung 1 entsprechend 2,
kann beispielsweise eine Kardanwelle mit einer Radwelle eines realen
Autos sein, wobei wie oben beschrieben durch den Prüfstandsantrieb 5,
der als Aktuator wirkt, das System Prüfstandsankopplung und Prüfling derart
zu betreiben ist, dass insbesondere die dynamischen Verhältnisse vorliegen
oder berücksichtigt
werden, wie sie in einem realen Auto auftreten.
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Wird
beispielsweise ein dynamischer oder aktiver Prüfstand für die Längsdynamik eines Fahrzeuges
ausgelegt und verwen det, so können
beispielsweise die Einflussgrößen, die
auf der Ansteuerungsseite entsprechend 1 zu berücksichtigen sind,
der Fahrtwind, die entsprechende Windkraft, Steigung oder Gefälle einer
Fahrstrecke, Einsatz eines Tempomaten oder dergleichen sein.
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Zum
anschaulichen Verständnis
kann die virtuelle Radnabe eines Fahrzeuges dort platziert werden,
wo der Antriebsstrang die strichpunktierte Umrandung der angepassten
Prüfstandsankopplung 1 in Richtung
der Sensoren 4 kreuzt.
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3 zeigt
schematisch, dass beispielsweise eine Resonanzstelle 1 oder 2 entsprechend
dem Diagramm nach links verschoben werden kann oder in der Intensität abgeschwächt oder
verstärkt
werden kann. Eine Resonanzstelle 3 wird beispielsweise
gelöscht.