DE102008013885A1

DE102008013885A1 - Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften

Info

Publication number: DE102008013885A1
Application number: DE102008013885A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Schäufele; Jochen Thibaut; Marko Dr. Heess
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-09-17
Anticipated expiration: 2028-03-13
Also published as: DE102008013885B4

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften bekannt. Die dabei auf das Kraftfahrzeug wirkende Vertikalkraft Fvert wird in einem Windkanal über eine Windkanalwaage experimentell bestimmt. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften zu schaffen, das die schnelle und korrekte Bestimmung der wirkenden Vertikalkräfte ohne aufwändige, zusätzliche Aufbauten ermöglicht. Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung der schädlichen Vertikalkräfte Fvert,schädlich bzw. zur direkten Messung der korrekten Vertikalkräfte Fvert,korr zunächst die Räder von der Karosserie entkoppelt. Diese werden jeweils über externe Radaufnahmen (7) von außen geführt. Idealerweise werden sie so positioniert, dass sie sich in der gleichen relativen Lage zum Fahrzeug befinden, wie wenn sie daran montiert wären. So kann eine korrekte Messung der über die Aufstandsflächen (3) eingeleiteten Kräfte erfolgen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 103 61 314 B3 ist ein Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften bekannt. Die dabei auf das Kraftfahrzeug wirkende Vertikalkraft F_vert wird in einem Windkanal über eine Windkanalwaage experimentell bestimmt. Die Messung erfolgt, je nach gewünschter Güte der Straßenfahrtsimulation und abhängig von den technischen Voraussetzungen des Windkanals wahlweise mit oder ohne drehenden Rädern sowie wahlweise mit oder ohne bewegtem Boden.
Als Krafteinleitungsflächen stehen die Aufstandsflächen für die Räder und sogenannte Schwellerhalter zur Verfügung, die mit der Windkanalwaage fest verbunden sind. Bei Messungen ohne Raddrehung sind die Aufstandsflächen zur Fahrzeugfixierung ausreichend, bei drehenden Rädern ist eine Fixierung über die Schwellerhalter erforderlich.
Die mit der Windkanalwaage verbundenen Aufstandsflächen für die Räder sind im Regelfall größer als die eigentliche Kontaktfläche des Reifenlatsches mit der Aufstandsfläche (Radaufstandsfläche). Das sich um die Räder ausbildende Strömungsfeld und die daraus resultierende Druckverteilung, welche auf die nicht vom Rad bedeckte Aufstandsfläche wirkt, verursacht zusätzliche Vertikalkräfte F_{vert,schädlich} („schädliche Vertikalkräfte”). Diese werden bei der Bestimmung der Gesamtvertikalkraft ebenfalls über die Windkanalwaage erfasst. Der aus dieser Druckverteilung resultierende Anteil an der gemessenen Gesamtvertikalkraft verfälscht das gemessene Gesamtvertikalkraftergebnis des Fahrzeuges und erfordert eine Korrektur des gemessenen Wertes.
Der auf diese Weise verursachte Fehler ist umso größer, je größer die Druckdifferenz zum unter der Aufstandsfläche herrschenden Druckniveau ist und je größer die Fläche ist, auf die das Druckfeld wirkt. Somit besteht eine Abhängigkeit sowohl vom zu untersuchenden Fahrzeug als auch von der verwendeten Windkanalkonfiguration. Die experimentelle Bestimmung der auf die unbedeckte Radaufstandsfläche wirkenden Druckverteilung zur quantitativen Erfassung des Fehlers erweist sich als äußerst aufwendig. Insbesondere Messungen mit Raddrehung erlauben keine Druckmessungen auf der Oberfläche der sich bewegenden Aufstandsflächen.
Zur Korrektur der gemessenen Vertikalkräfte werden in einer ersten Messung ohne Windanströmung die Vertikalkräfte gemessen. In einer zweiten Messung mit identischer Windkanalkonfiguration, diesmal allerdings unter Windanströmung, werden erneut die Vertikalkräfte bestimmt. Vorteilhafterweise werden diese Messungen mit dem in den folgenden Messungen verwendeten Setups durchgeführt (z. B. mit Raddrehung und bewegtem Boden). Mittels einer Differenzbildung der beiden Einzelmessungen wird der Anteil der schädlichen Vertikalkräfte bestimmt, welcher in den folgenden, eigentlichen Messungen mit der jeweils gemessenen Vertikalkraft verrechnet wird.
Dieses Verfahren erfordert eine möglichst steife Fixierung des Fahrzeuges am Windkanal sowie eine möglichst steife Verriegelung der Achsen. Idealerweise stellen das Fahrzeug und der Windkanal einen steifen Körper dar. Ziel dieses Aufbaus ist die Einleitung der unter Windanströmung auf das Fahrzeug wirkenden Vertikalkräfte in den Windkanal und nicht in die Windkanalwaage. Über diese werden folglich nur die durch die Druckverteilung auf den unbedeckten Radaufstandsflächen verursachten schädlichen Vertikalkräfte gemessen. Dieses Verfahren erfordert zusätzliche, aufwendige Aufbauten und Vorarbeiten am zu untersuchenden Fahrzeug und Windkanal. Weiterhin ist vor Beginn der eigentlichen Messungen ein weiterer Umbau erforderlich, um die Fixierung des Fahrzeuges am Windkanal aufzuheben und dieses nun mit der Windkanalwaage zu koppeln. Diese Arbeiten verursachen neben der für die anfängliche Bestimmung der schädlichen Vertikalkräfte benötigten Zeit weitere Stillstandszeiten. Daher ist diese Methode aus Zeit- und Kostengründen für den täglichen Entwicklungseinsatz nicht geeignet.
Weiterhin ist in dem SAE-Paper 2002-01-0532 (Society of Automotive Engineers) ein Verfahren offenbart, das die Korrektur über einen konstanten Wert vorsieht, der standardmäßig von den ermittelten Vertikalkräften abgezogen wird. Dieser Korrekturwert ist jedoch nicht fahrzeugspezifisch, sondern stellt eine Näherung über die betrachteten Fahrzeugklassen dar. Der Korrekturwert ist generell von der Größe der unbedeckten Aufstandsfläche abhängig. Diese ist zum einen von der Reifendimension des untersuchten Fahrzeuges, zum anderen von der Größe der Aufstandsfläche abhängig, welche allgemein im Windkanal durch Umbauten variiert werden kann.
Für eine exakte Korrektur ist für jedes Fahrzeug und jede Windkanalkonfiguration eine erneute Bestimmung des Korrekturwertes erforderlich. Das in dem SAE-Paper 2002-01-0532 angegebene Verfahren zur Herleitung dieses Wertes eignet sich ebenfalls aus Zeit- und Kostengründen nicht für die Bestimmung der jeweiligen, fahrzeug- und windkanalspezifischen Korrektur.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften zu schaffen, dass die schnelle, direkte und korrekte Bestimmung der wirkenden Vertikalkräfte ohne aufwendige, zusätzliche Aufbauten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die dazugehörige Vorrichtung ist in Patentanspruch 8 wiedergegeben.
Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung der schädlichen Vertikalkräfte F_{vert,schädlich} bzw. zur direkten Messung der korrekten Vertikalkräfte F_vert,korr zunächst die Räder von der Karosserie losgelöst. Diese werden jeweils über externe Radaufnahmen von außen geführt. Idealerweise werden sie so positioniert, dass sie sich in der gleichen relativen Lage zum Fahrzeug befinden, wie wenn sie daran montiert wären. Dabei ist jedoch ein ausreichender Abstand der stehenden oder rotierenden Räder zur Karosserie, ggf. durch entsprechende Modifikationen der Achs- bzw. Radgeometrie, zu gewährleisten, um Kollisionen und einen Kraftschluss zu unterbinden. Zu beachten ist das vollständige Aufliegen oder Abrollen der Räder auf den Aufstandsflächen, die weiterhin fest mit der Windkanalwaage verbunden sind. Nur so kann eine korrekte Messung der über die Aufstandsflächen eingeleiteten Kräfte erfolgen.
Die Achsen des gemessenen Fahrzeuges sind dabei so zu fixieren, dass sie nicht mit den von außen geführten Rädern kollidieren können. Idealerweise werden sie analog den Rädern in der Lage fixiert, die sie mit fahrzeugfesten Rädern einnehmen würden. Die Karosserie wird über Schwellerhalter in ihrer Lage fixiert, optimalerweise in der Position, die sie mit fahrzeugfesten Rädern einnehmen würde. Dadurch ist sie mit der Windkanalwaage verbunden.
Vor Beginn der Windkanalmessungen kann zweckmäßigerweise eine Tarierung der Messeinrichtungen durchgeführt werden. Diese Tarierung kann abhängig von der Windkanalkonfiguration auf unterschiedliche Arten erfolgen. Im einfachsten Fall werden nur die statischen Kräfte (Gewichtskraft) ohne Raddrehung und ohne Windanströmung gemessen und als Nulllage für die weiteren Messungen definiert. Alternativ wird weiterhin ohne Windanströmung, allerdings mit drehenden Rädern, eine Referenzmessung zur Definition des Nullwertes durchgeführt. Auf diese Weise wird der Einfluss der durch die Rotation hervorgerufenen Reifendeformation erfasst.
Über eine Kraftmesseinrichtung in der externen Radaufnahme werden unter anderem die aus der aerodynamischen Belastung resultierenden Vertikalkräfte des jeweiligen Rades F_vert,Rad bestimmt. Diese Kraftmessung erfasst keine schädlichen Vertikalkräfte F_{vert,schädlich}, da eine direkte Messung der Kraft an der externen Radaufnahme erfolgt und keine Krafteinleitung über eine Aufstandsfläche erfolgt, auf die ein Druckfeld wirkt. Idealerweise erfolgt die Kraftmessung in unmittelbarer Nähe des Rades (Radnabe), um eine Beeinflussung der Messung durch auf den Radarm wirkende Kräfte auszuschließen.
Durch die weiterhin bestehende Kopplung der Aufstandsfläche mit der Waage setzt sich die damit gemessenen Vertikalkraft F_{vert,WK-Waage} neben der eventuell noch vorhanden Gewichtskraft (ohne vorherige Tarierung) aus folgenden Komponenten zusammen:

1. die aus der Anströmung resultierende aerodynamische Vertikalkraft der Karosserie (Einleitung über die Schwellerhalter)
2. die aus der Anströmung resultierenden aerodynamischen Vertikalkräfte der Räder (Einleitung über die Aufstandsflächen)
3. die aus dem auf die Radaufstandsfläche wirkenden Druckfeld resultierende Vertikalkraft (Einleitung über die Aufstandsflächen)

Zur Bestimmung der aus dem Druckfeld resultierenden Vertikalkraft und zu direkten Messung der korrekten unter Windanströmung auf ein Fahrzeug wirkenden Vertikalkraft ist es nun erforderlich, zusätzlich zu der Vertikalkraft der F_vert,Rad die Vertikalkraft der Karosserie separat zu bestimmen, um anschließend über eine Differenzbildung den „schädlichen” Vertikalkraftanteil F_{vert,schädlich} zu bestimmen oder über eine Summation und ggf. erforderliche Umrechnungen die korrekte Vertikalkraft zu ermitteln. Hierzu wird jeder Schwellerhalter mit einer Möglichkeit zur Kraftmessung versehen (z. B. Piezokraftaufnehmer), über welche unter anderem die auf die Karosserie wirkende Vertikalkraft F_vert,Schw direkt erfasst wird.
Mit dieser zusätzlichen Kraftmessung ist es nun möglich, über Differenzen den durch die Druckverteilung auf der Aufstandsfläche verursachten Anteil F_{vert,schädlich} an der gemessenen Gesamtvertikalkraft zu bestimmen. Hierbei ist es allgemein möglich, die jeweils gemessenen Kräfte (Räder, Windkanalwaage und Karosserie) über eine geeignete Umrechnungen auf die theoretischen Radaufstandspunkte, auf die beiden Achsen oder das Gesamtfahrzeug zu beziehen. Ebenso kann über eine Addition direkt die korrekte Vertikalkraft F_vert,korr bestimmt werden.
Gesamtfahrzeug:

Fvert,Schw = Fvert,Schw,VL + Fvert,Schw,VR + Fvert,Schw,HL + Fvert,Schw,HR
Fvert,Rad = Fvert,Rad,VL + Fvert,Rad,VR + Fvert,Rad,HL + Fvert,Rad,HR
Fvert,korr = Fvert,Schw. + Fvert,Rad
Fvert,schädlich = Fvert,WK-Waage – Fvert,korr = Fvert,WK-Waage – Fvert,Schw. – Fvert,Rad

Achsweise:
Fvert,korr,VA = Fvert,Schw,VA + Fvert,Rad,VA
Fvert,schädlich,VA = Fvert,WK-Waage,VA – Fvert,Wkorr,VA = Fvert,WK-Waage,VA – Fvert,Schw,VA – Fvert,Rad,VA
Fvert,korr,HA = Fvert,Schw,HA + Fvert,Rad,HA
Fvert,schädlich,HA = Fvert,WK–Waage,HA – Fvert,korr,HA = Fvert,WK–Waage,HA – Fvert,Schw,HA – Fvert,Rad,HA
Radaufstandspunkte:

(beispielhaft nur Radaufstandpunkt vorne rechts, analoges Vorgehen für die weiteren Aufstandspunkte) Fvert,korr,VR = Fvert,Schw,VR + Fvert,Rad,VR Fvert,schädlich,VR = Fvert,WK–Waage,VR – Fvert,korr,VR = Fvert,WK-Waage,VR – Fvert,Schw,VR – Fvert,Rad,VR

Abkürzungen:

VL

– Radaufstandspunkt vorne links

VR

– Radaufstandspunkt vorne rechts

HL

– Radaufstandspunkt hinten links

HR

– Radaufstandspunkt hinten rechts

VA

– Vorderachse

HA

– Hinterachse

Schw

– Schwellerhalter

WK-Waage

– Windkanalwaage

Die für die Radaufstandspunkte (VL, VR, HL, HR) und die Achsen (VA, HA) aufgeführten Kraftwerte entsprechen bei Schwellerhalter und Windkanalwaage nicht zwangsläufig den gemessenen Werten, sondern sind über geeignete Transformationen auf die jeweiligen Punkte zu beziehen.
Die vorgestellte Methode ermöglicht die schnelle und korrekte Bestimmung der unter Windlast auf ein Fahrzeug wirkenden Vertikalkräfte. Hierzu sind keine aufwendigen, zusätzlichen Aufbauten erforderlich. Zudem erfolgt stets eine fahrzeug- und windkanalkonfigurationsspezifische Bestimmung der schädlichen Vertikalkraft.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Vorrichtung zum Messen von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften.
In der Figur ist ein Kraftfahrzeug 10 dargestellt, das sich in einem Windkanal befindet. Die Räder sind dabei vom Fahrzeug abgeschraubt und werden über externe Radaufnahmen 7 so positioniert, dass sie sich in der gleichen relativen Lage zum Kraftfahrzeug 10 befinden, wie wenn sie daran montiert wären. Die Räder liegen vollständig auf ihren Aufstandsflächen 3 auf, die fest mit einer Windkanalwaage 5 verbunden sind. Zusätzlich ist an den externen Radaufnahmen 7 jeweils eine Kraftmesseinrichtung 8 angebracht, idealerweise in unmittelbarer Nähe der Radnabe.
Die Achsen des gemessenen Fahrzeuges sind so fixiert, dass sie nicht mit den von den externen Radaufnahmen 7 geführten Rädern kollidieren können. Dazu sind die Achsen in der Lage fixiert, die sie mit fahrzeugfesten Rädern einnehmen würden. Zusätzlich ist die Karosserie des Kraftfahrzeugs 10 über Schwellerhalter 2 in der Lage fixiert, die sie mit fahrzeugfesten Rädern einnehmen würde. Dazu sind die Schwellerhalter 2 mit der Windkanalwaage 5 über eine steife Kopplung 4 mit der jeweiligen Aufstandsfläche 3 des Rades verbunden. Zur Messung der in die Karos serie eingeleiteten Kräfte ist zwischen den Schwellerhalter 2 und den steifen Kopplungen 4 jeweils eine Kraftmesseinrichtung 6 angeordnet.
Vor Beginn der Windkanalmessungen werden die Messeinrichtungen tariert. Dazu werden nur die statischen Kräfte (Gewichtskraft) ohne Raddrehung und ohne Windanströmung gemessen und als Nulllage für die weiteren Messungen definiert. Sofern die Messungen mit Raddrehung durchgeführt werden sollen erfolgt idealerweise bereits die Tarierung mit Raddrehung. Somit wird der Einfluss der durch die Rotation verursachten Reifendeformation erfasst. Anschließend wird unter Windanströmung 9 an den externen Radaufnahmen 7 über die Kraftmesseinrichtungen 8 die aus der aerodynamischen Belastung resultierenden Vertikalkräfte des jeweiligen Rades F_vert,Rad bestimmt. Diese Kraftmessung erfasst keine schädlichen Vertikalkräfte F_{vert,schädlich}, da eine direkte Messung der Kraft an der Radaufnahme erfolgt und keine Krafteinleitung über eine Aufstandsfläche 3 erfolgt, auf die ein Druckfeld wirkt.
Durch Differenzbildung ist es so möglich, den durch die Druckverteilung auf der Aufstandsfläche 3 verursachten Anteil F_{vert,schädlich} schädlich an der von der Windkanalwaage 5 gemessenen Gesamtvertikalkraft zu bestimmen. Hierbei ist es allgemein möglich, die jeweils gemessenen Kräfte (Räder, Windkanalwaage und Karosserie) über eine geeignete Umrechnungen auf die theoretischen Radaufstandspunkte, auf die beiden Achsen oder das Gesamtfahrzeug zu beziehen.
Auf diese Weise ist möglich, schnell und korrekt die auf ein Kraftfahrzeug 10 in einem Windkanal unter Windströmung 9 einwirkenden Vertikalkräfte ohne aufwendige, zusätzliche Aufbauten zu bestimmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10361314 B3 [0002]

Claims

Verfahren zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften, wobei die Aufstandsflächen (3) der Räder mit einer Windkanalwaage (5) verbunden sind, und wobei die Karosserie des Fahrzeugs nahe bei jedem Rad mit jeweils einem Schwellerhalter (2) fixiert ist, die ebenfalls mit der Windkanalwaage (5) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Räder vom Kraftfahrzeug losgelöst und über externe Radaufnahmen (7) in einer Position relativ zum Kraftfahrzeug gehalten sind, wie wenn sie daran montiert wären.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externen Radaufnahmen (7) jeweils eine Kraftmesseinrichtung (8) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtungen (8) in den externen Radaufnahmen (7) jeweils die aus der aerodynamischen Belastung resultierenden Vertikalkräfte des jeweiligen Rades messen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellerhalter (2) jeweils eine Kraftmesseinrichtung (6) aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die korrekte Vertikalkraft eines Aufstandspunktes eines Rades aus der Summe der von der Kraftmesseinrichtung (6) des Schwellerhalters (2) des betreffenden Rades und der in der entsprechenden externen Radaufnahme (7) des betreffenden Rades gemessenen Vertikalkraft ergibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die schädliche Vertikalkraft eines Aufstandspunktes eines Rades aus der Differenz der an dem Rad von der Windkanalwaage (5) gemessenen Kraft und der korrekten Vertikalkraft ergibt.
Vorrichtung zur Bestimmung von auf ein Kraftfahrzeug in einem Windkanal unter Windströmung einwirkenden Vertikalkräften, dadurch gekennzeichnet, dass sie Schwellerhalter (2) nahe bei jedem Rad zum Fixieren der Karosserie des Kraftfahrzeugs und externe Radaufnahmen (7) zur Aufnahme der vom Kraftfahrzeug losgelösten Räder aufweist, wobei die externen Radaufnahmen (7) die Räder in der Position relativ zum Kraftfahrzeug halten, wie wenn sie daran montiert wären.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede externe Radaufnahme (7) eine Kraftmesseinrichtung (8) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Schwellerhalter (2) eine Kraftmesseinrichtung (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rad auf einer Aufstandsfläche (3) einer Windkanalwaage (5) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellerhalter (2) jeweils über eine steife Kopplung (4) mit den Aufstandsflächen (3) verbunden sind.