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Die Erfindung betrifft ein Prüfstandsystem für Untersuchungen an Achsen von Kraftfahrzeugen, mit dem insbesondere Simulationen unter zumindest nahezu realen Fahrbedingungen durchgeführt werden können.
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Bei der Entwicklung und Konstruktion neuer Kraftfahrzeuge werden bereits Fahrzeugachsprüfstände eingesetzt. Dabei wird auch versucht durch Simulationen die Kosten bei der Entwicklung durch Reduzierung des Baus von Prototypen und Vorserienmodellen weitestgehend zu reduzieren. Dabei wird ausgehend von allgemeinen Anforderungen an ein gesamtes Kraftfahrzeug durch den Einsatz verschiedener simulativer, experimenteller und analytischer Methoden versucht Anforderungen an Subsystemen, Baugruppen und von diesen wiederum Anforderungen an Komponenten oder Bauteilen abzuleiten. Üblicherweise stehen zu Beginn der Entwicklung eines neuen Fahrzeugs keine Prototypen, die bereits über ein ausreichendes Maß an Funktionalität verfügen zur Verfügung, so dass man auf Prüfstandsversuche und -untersuchungen zurückgreifen muss. Dabei bereitet es aber Probleme Rückschlüsse auf das Verhalten weiterer Fahrzeugkomponenten, die nicht an einem Prüfstand mit bewertet werden können, oder auf ein gesamtes Fahrzeug ziehen zu können, da das Zusammenwirken bisher nicht oder nur unbefriedigend berücksichtigt werden kann, da üblicherweise Prüfstände genutzt werden, mit denen lediglich die Prüfung an einem einzelnen Subsystem möglich ist.
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Bei Prüfstandsuntersuchungen an Achsen von Kraftfahrzeugen wird ausgehend von einer Radseite die Wechselwirkung mit der gesamten Radaufhängung an der anderen Seite entweder nicht berücksichtigt, nicht realitätsgetreu abgebildet oder der Bewegungsraum für vollständige Manöver steht nicht zur Verfügung. Eine aktive Ansteuerung bzw. Berücksichtigung der anderen Radseite erfolgt nicht. Die Einflüsse des gesamten Fahrzeugs auf eine Seite einer Achse können bisher überhaupt nicht bzw. nur mittels Simulationsberechnungen berücksichtigt werden, die stark fehlerbehaftet sind. Es sind Halbachsprüfstände ohne Berücksichtigung der anderen Radseite oder Vollachsprüfstände mit zwei Antriebstrommeln, bei denen lediglich ein Rad richtig geführt bewegt werden kann, bekannt. Bei Vollachsprüfständen mit einem Flachbandantrieb steht kein ausreichender Bewegungsraum für die Untersuchungen zur Verfügung.
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Üblicherweise werden bisher Prüfstände eingesetzt, bei denen ein Rad von einer rotierenden Trommel oder mittels Flachbahn angetrieben und dabei wirkende Kräfte und Momente an der entsprechenden Radaufhängung ermittelt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, in vertikaler Richtung wirkende Veränderungen durch ein entsprechendes Anheben und Absenken der Radaufhängung herbeizuführen, um bei der Prüfung auch dieser Einfluss neben wechselnden Antriebsgeschwindigkeiten, Antriebsmomenten und Lenkwinkeln zu berücksichtigen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für Prüfstandsuntersuchungen anzugeben, bei denen zumindest ein Einfluss vollständiger Achsen von Kraftfahrzeugen berücksichtigt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Prüfstandsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Prüfstandsystem ist eine Seite einer Achse eines jeweiligen Kraftfahrzeuges mit allen dazu erforderlichen Komponenten und Bauteilen für eine jeweils zu untersuchende Achse gegenständlich vorhanden. Dies können sämtliche Elemente der Radaufhängung mit Lenkerarmen, Feder(n), Dämpfer(n), dem Lenkgetriebe, Stabilisator(en) sein, die an einem Hilfsrahmen und/oder an einem Radträger (3.1), der jeweils anderen Seite der jeweiligen Achse, befestigt. Der Reifen des Rades berührt mit seiner Aufstandsfläche ein translatorisch oder rotatorisch wirkendes Antriebselement, insbesondere die Oberfläche einer rotierenden Trommel. Die Geschwindigkeit und wirkende Antriebsmomente des rotierenden Rades werden mittels einer elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit gesteuert.
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Es kann/können auch ein Hilfsrahmen und/oder ein Radträger mit einem Rahmengestell, als Karosserieersatz genutzt werden.
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Der Hilfsrahmen ist auf einer Plattform angeordnet, die mittels eines mehrdimensionalen Bewegungssystems, mit dem mehrere Freiheitsgrade realisierbar sind, bewegbar ist. Es kann sich dabei um einen an sich bekannten Hexapodantrieb handeln, mit dem sechs Freiheitsgrade realisierbar sind.
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Die Plattform und die darauf angeordneten Elemente können mit dem mehrdimensionalen Bewegungssystems, entsprechend bewegt werden, wodurch diese Bewegungen auf die am Hilfsrahmen, einem Radträger und/oder einem Rahmenelement befestigten Elemente, insbesondere von Elementen der jeweiligen Radaufhängung der zu untersuchenden Achse und somit auch die entsprechenden Kräfte und Momente übertragen werden.; Außerdem sind mehrere weitere in ihrer Länge und/oder Ausrichtung veränderbare Antriebselemente, als Bestandteil einer Radaktuatorik, am Hilfsrahmen und/oder an einem Radträger, der jeweils anderen Seite der jeweiligen Achse, befestigt, mit denen die Wirkung von Kräften und Momenten, die von der jeweils gegenüberliegend angeordneten Radaufhängung der Achse und/oder die Wirkung von Kräften und Momenten des gesamten Kraftfahrzeugs durch eine Simulation oder vorgebbare Werte nachempfunden werden, indem die Länge von Antriebselementen und/oder die Ausrichtung von rotatorisch wirkenden Antriebselementen der Radaktuatorik mittels der elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit je nach jeweils eingestellter Fahr- und Lenksituation veränderbar ist, und zur Erfassung von wirkenden Kräften und Momenten sowie der Geschwindigkeit entsprechende Sensoren an Elementen der Radaufhängung, dem Antrieb für das Rad, dem Hilfsrahmen, dem Radträger, den in ihrer Länge und/oder Ausrichtung veränderbaren Antriebselementen der Radaktuatorik und den Antriebselementen des mehrdimensionalen Bewegungssystems vorhanden und an die elektronische Steuer- und Auswerteeinheit angeschlossen sind.
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Zur Erfassung von wirkenden Kräften und Momenten sowie der Geschwindigkeit sind entsprechende Sensoren vorhanden. Dabei kann es sich um Sensoren zur Bestimmung der an den Befestigungspunkten von Federn, Dämpfern, Lenkerarmen, des Stabilisators, der in ihrer Länge veränderbaren und/oder Ausrichtung veränderbaren Antriebselemente, Sensoren an den Antriebselementen des mehrdimensionalen Bewegungssystems, die bevorzugt, wie beispielsweise auch die in ihrer Länge oder Ausrichtung verstellbaren Antriebselemente der Radaktuatorik, die Hydraulik- und/oder Pneumatikzylinder oder auch elektrische Stellmotoren, an deren Antriebswellen damit drehbare Hebel vorhanden sind, sein können, Sensoren zur Bestimmung des momentanen Einfederwegs, des jeweiligen Lenkwinkels, des am Lenkgetriebe wirkenden Lenkmoments, Sensoren zur Bestimmung von weiteren Radstellgrößen, wie Spurwinkel und Sturz handeln.
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Mit dem an Hilfsrahmen oder gegenüberliegenden Radträger befestigten in ihrer Länge und/oder Ausrichtung veränderbaren Antriebselementen der Radaktuatorik kann der Einfluss der anderen Radaufhängung der Achse und ggf. auch der Einfluss der Bewegung am gesamten Fahrzeug simuliert und entsprechender Einfluss aktiv auf die tatsächlich am Prüfstandsystem vorhanden Komponenten der untersuchten Radaufhängung ausgeübt werden. Dabei können mit dem mehrdimensionalen Bewegungssystem (Hexapodantrieb) durchführbare Bewegungen unterstützend mit genutzt werden. Das Bewegungssystem kann aber überwiegend zur Durchführung von Bewegungen, die ein Kraftfahrzeug bei verschiedenen Betriebszuständen und Fahrmanövern durchführen würde, genutzt werden.
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Bei der Erfindung können verschiedene Sensortypen, wie Kraftmessdosen, Dehnungsmessstreifen, Weg-, Drehwinkelsensoren, Beschleunigungssensoren und Drehzahlmesser eingesetzt werden. Sämtliche an einem erfindungsgemäßen System eingesetzten Sensoren sollten mit der elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit verbunden sein. Ihre Messsignale können für die Auswertung und Regelung, insbesondere die Regelung, des Antriebs für das Rad der Radaufhängung, der Antriebselemente der Radaktuatorik und des Bewegungssystems genutzt werden.
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Wirkende Momente können mit die wirkenden Kräfte erfassenden Sensoren bestimmt werden, da die Länge der jeweiligen Hebelarme bekannt ist.
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Mit Beschleunigungssensoren kann das Schwingungsverhalten des Fahrwerks an verschiedenen Positionen und insbesondere die Wirkung von Feder-Dämpfersystemen erfasst und charakterisiert werden.
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Soll bei einer Untersuchung auch der Einfluss des gesamten Kraftfahrzeuges auf die eine vollständige Radaufhängung berücksichtigt werden, was insbesondere für eine simulierte Kurvenfahrt zutrifft, kann auf in einem elektronischen Speicher gespeicherte Daten, die für eine solche Simulation durch Simulationsrechnung und/oder durch Erfassung entsprechender Daten bei real durchgeführten Fahrten mit einem vergleichbaren Kraftfahrzeug erhalten worden sind, zurück gegriffen werden. Damit kann das veränderte Verhalten nach Einlenken eines Fahrzeugs in Abhängigkeit der jeweiligen momentanen Geschwindigkeit und des jeweiligen Lenkwinkels mittels der Antriebselemente der Radaktuatorik berücksichtigt und kompensiert werden, so ist es möglich, auch größere Lenkwinkel bei größeren Geschwindigkeiten bei den Prüfstandsuntersuchungen durchzuführen und dabei korrekte, der Realität zumindest sehr nahe kommende Messergebnisse, erhalten zu können.
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Werden die Untersuchungen mit vorgebbaren Werten, mit denen die Radaktuatorik und/oder das Bewegungssystem angesteuert werden können, genutzt, kann es sich dabei auch um Erfahrungswerte handeln, die konstante Verhältnisse in einem oder mehreren Freiheitsgrad/-graden darstellen können. Selbstverständlich ist auch eine Variation der Steuersignale mit denen die Antriebselemente entsprechend manipuliert werden können, möglich.
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Am Hilfsrahmen oder gegenüberliegenden Radträger und der jeweiligen Radaufhängung sollte(n) mindestens ein, bevorzugt mehr als ein Freiheitgrad durch eine Veränderung an Antriebselementen der Radaktuatorik berücksichtigt werden können. Bevorzugt sollten jedoch ebenfalls sechs in ihrer Länge verstellbare Antriebselemente für eine am Hilfsrahmen befestigte Radaktuatorik eingesetzt sein.
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Für den Antrieb eines Rades, kann in an sich bekannter Weise, eine Trommel mit ausreichend großem Durchmesser, bei der der Reifen auf der Außen- oder Innenseite der Trommel mit seiner Aufstandsfläche aufgesetzt werden kann, eingesetzt werden. Dabei kann an der Trommel die jeweilige Geschwindigkeit mittels eines Drehzahlmessers und das Antriebsmoment mit einem geeigneten an der Radaufhängung oder einem anderen geeigneten Ort befestigten Kraftsensor bestimmt werden.
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Für den Antrieb kann aber auch ein translatorisch bewegtes Band, auf dem der Reifen aufgesetzt ist, eingesetzt werden.
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Durch die Kombination der bei der Erfindung eingesetzten Elemente können verschiedenste Fahrdynamik- und Fahrtmanöver auf den Radaufstandspunkt des Rades reduziert werden, so dass realitätsgetreue, zumindest sehr realitätsnahe Zustände bei verschiedenen Fahrmanövern berücksichtigt werden können. Dies ist mit bisher bekannten Prüfständen aber nicht möglich.
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Außerdem kann ein Fahrwerksystem mit Hilfe der eingesetzten Sensoren und Antriebselemente gezielt analysiert werden, wodurch Kräfte und Momente, die auf Fahrwerk und Karosserie wirken, ermittelt werden können. Es können auch vergleichende Untersuchungen an modifizierten Radaufhängungen sehr einfach durchgeführt und die Wirkung durch Veränderungen oder den Austausch einzelner Komponenten oder Bauelemente durchgeführt werden. So kann beispielsweise in einem einfachen Fall die Wirkung eines anderen Reifens oder einer anderen Felge erkannt werden. Es können aber auch Wirkungen, die bei einer Veränderung an den Lenkerarmen, wie beispielsweise deren veränderte Länge oder der Veränderung ihrer Befestigungspositionen erkannt werden.
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Für die Ansteuerung sämtlicher Antriebselemente, der Lenkung und des jeweils eingesetzten Antriebselements für das jeweilige Rad können Simulationsmodelle genutzt werden. Bei der Kopplung von Simulationsmodellen und einer real ausgeführten Radaufhängung mit den Antriebselementen eines erfindungsgemäßen Prüfstandsystems ist der Einsatz einer X-in-the Loop-Steuerung vorteilhaft, da damit die Reaktionszeiten mit denen auf Veränderungen, die während eines Prüflaufs auftreten, reagiert werden muss, sehr stark verkleinert werden können und so eine noch weiter verbesserte Realitätsnähe erreichbar ist.
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Mittels des mehrdimensionalen Bewegungssystems können alle möglichen bei einer Fahrt vorkommenden Bewegungen in allen möglichen sechs Freiheitsgraden, wie beispielsweise das Gieren, Rollen, Wanken um die verschiedenen Achsen des jeweiligen Fahrzeugs bei den entsprechenden Fahrzuständen und Bewegungsänderungen berücksichtigt werden, da der Hilfsrahmen und damit auch die vollständige jeweilige Radaufhängung entsprechend bewegt werden können
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Mit der Erfindung können vollständige Achsen eines Kraftfahrzeuges, mit den jeweils sämtlichen einzelnen Komponenten und Bauteilen, wie die vollständige Radaufhängung mit Lenkerarmen, Lenkern, Federn, Dämpfern, der Lenkung, Stabilisator und ein vollständiges Rad mit Reifen, Felge und Bremsanlagenkomponenten an dem erfindungsgemäßen Prüfstandsystem untersucht bzw. bei der Untersuchung berücksichtigt werden. Fahrzustände und Fahrmanöver können realitätsnah umgesetzt, analysiert und ggf. für die Weiterentwicklung berücksichtigt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 in schematischer Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Prüfstandsystems.
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Dabei ist ein Rad 2 einer Achse eines Kraftfahrzeuges, bei der sämtliche Teile für den Betrieb erforderlichen Teile der Achse real vorhanden sind. So sind beispielsweise die angedeutete Antriebswelle 9 und zwei Lenkerarme 3 erkennbar.
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Das Rad 2 mit liegt mit seiner Reifenaufstandsfläche auf der äußeren Mantelfläche einer Trommel 1, als Antriebselement für das Rad 2, auf. Durch Drehung der Trommel 1 können Geschwindigkeiten und Beschleunigungen über entsprechend in das Rad 2 eingeleitete Antriebsmomente realisiert werden.
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Die Lenkerarme 3 und andere Elemente der Achse sind an einem Hilfsrahmen 4, der bei diesem Beispiel mittels eines Rahmengestells 5 auf einer Plattform 7 fixiert ist, befestigt, wie es real an einem Kraftfahrzeug auch der Fall wäre.
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Die Plattform 7 wird mit einem schematisch angedeuteten Hexapodantrieb als mehrdimensionales Bewegungssystem 8 in sechs Freiheitsgraden zur Simulation von Fahrzuständen, auch bei Kurvenfahrt, in simulierter Form bewegt.
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Am Hilfsrahmen 4 sind bei dem gezeigten Beispiel zwei Lenkerarme 6.1 und 6.2, die die andere Seite der Achse darstellen, mit einem Radträger 3.1 an der Radaktuatorik 6 befestigt, mit der bei diesem Beispiel eine Manipulation des Hilfsrahmens 4 und/oder des Radträgers 3.1 in ebenfalls sechs Freiheitsgraden möglich ist. Dies kann mit Antriebslementen der Radaktuatorik 6 erreicht werden, die in ihrer Länge oder durch Rotation in ihrer Ausrichtung verändert werden können, um Bewegungen des Hilfsrahmens 4 und/oder Radträgers 3.1, mit denen Reaktionskräfte und -momente der jeweils anderen Seite der Achse, also ebenfalls einer vollständigen Radaufhängung mit Rad, simuliert und auf die Elemente der jeweils untersuchten Achse übertragen werden können.
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In nicht dargestellter können an der Trommel 1 ein Drehzahlmesser zur Bestimmung der Geschwindigkeit und Beschleunigung sowie mindestens ein weiterer Sensor zur Bestimmung des Drehmoments vorhanden sein.
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Weitere Sensoren können an den Lenkerarmen 3, einer Feder, einem Federbein, einem Dämpfer einer Spurstange, einem Stabilisator und/oder einem Lenkhebel, der Antriebswelle 9 vorhanden sein, mit denen Kräfte, Momente oder Wegänderungen bestimmt werden können. Diese Sensoren können an den Befestigungspunkten der jeweiligen Elemente oder auch an den Elementen befestigt sein.
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Dies trifft auch auf entsprechende Sensoren zu die an den Antriebselementen, der Radaktuatorik 6, am Radträger 3.1 und den Antriebselementen des Hexapodantriebs 8 vorhanden sind.
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Am Rad 2 können Sensoren zur Bestimmung der dort wirkenden Kräfte (z. B. die Radaufstandskraft) und Momente sowie zusätzlich die Drehzahl, um den Schlupf bestimmen zu können, und insbesondere bei gelenkten Achsen auch Radstellgrößen, wie z. B. Spurwinkel und Sturz, bei der Untersuchung berücksichtigen zu können.
