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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfstand und ein Verfahren zum Betrieb eines Prüfstands, um Reibungsverluste in Komponenten eines Kraftfahrzeugs zu messen.
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Um Kraftfahrzeuge sparsamer zu machen, ist es wesentlich, sämtliche Komponenten zu betrachten. Der Wirkungsgrad des Fahrzeugs wird, neben dem Wirkungsgrad des Motors, auch wesentlich von der Reibung von sämtlichen relativ zueinander beweglichen Teilen bestimmt. Um das Potential von Verbesserungen und den Effekt von durchgeführten Veränderungen bzw. Verbesserungen zu erkennen, ist es folglich notwendig, die Reibung zu kennen. Es ist bereits bekannt, dass jeder Hersteller der betrachteten Komponenten, wie Radlager, Bremsen, Getriebe, usw. für seine Komponente individuelle Versuche durchführt. In einer ersten Näherung entsprechen die so gemessenen Werte auch den Zuständen während des Einbaus im Fahrzeug. Allerdings ist es nicht sicher auszuschließen, dass durch Einbau, Verschleiß sowie Einlaufeffekte manche Parameter verändert sein könnten und so die genannte erste Näherung nicht oder nicht mehr zutrifft. So besteht Bedarf an einem Verfahren zum Messen von Reibungswerten von unterschiedlichen bewegten Teilen am Fahrzeug.
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Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Prüfstand zur Reibungsmessung in Fahrzeugen und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Prüfstand zur Bestimmung von Reibungsverlusten im Antriebsstrang und/oder in einem Radlager und/oder in einer Bremse eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Referenzmotor, der eingerichtet ist, mit einer Radachse eines Fahrzeugs, in welchem die Radachse eingebaut ist, gekoppelt zu werden. Eine Steuereinheit ist eingerichtet, über den Referenzmotor unterschiedliche Drehzahl-Zeitverläufe auf die Radachse aufzubringen und eine Auswerteeinheit ist eingerichtet, einen zeitlichen Drehmomentverlauf der Drehmomentübertragung auf die Radachse zu messen. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Prüfstand mit einem damit verbundenen Kraftfahrzeug. Der Referenzmotor unterscheidet sich von dem Motor, der für den Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen ist. So ist es möglich, bspw. einen Elektromotor als Referenzmotor zu verwenden. Die Leistungswerte dieses Motors sind exakt bekannt.
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Die aufgebrachte Arbeit wird gemessen, wie dies über einen Drehmomentsensor möglich ist. Stattdessen kann diese auch innerhalb des Motors über die elektrischen Werte (Strom Spannung) und Drehgeschwindigkeit bestimmt werden. So ist es möglich, wenn die Drehung des jeweiligen Rades nicht blockiert ist, einen geschwindigkeitsabhängigen Reibwert zu ermitteln. Der Vorteil ist, dass die Messung unter Einbaubedingungen stattfindet und so systematische Fehler weitestgehend ausgeschlossen werden können. Wenn die Messungen bei einem genormten bzw. vorgeschriebenen Messzyklus durchgeführt werden, ist es unmittelbar möglich, diese Werte mit den allgemeinen Verbrauchswerten des Fahrzeugs zu vergleichen.
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Bei einem Verfahren zur Bestimmung von Reibungsverlusten im Antriebsstrang und/oder in einem Radlager und/oder in einer Bremse eines Kraftfahrzeugs, wobei an einer Radachse, die in dem Fahrzeug verbaut ist, mittels eines Adapters eine bestimmte Drehzahl auf die Radachse aufgebracht und das Drehmoment der Übertragung gemessen wird, um so Reibwerte in einer oder mehreren Komponenten zu bestimmen. Der Adapter kann bspw. als eine einfache Verschraubung realisiert werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Radachse, die mit dem Adapter versehen ist, von weiteren Komponenten des Antriebsstrangs entkoppelt wird, um so die Reibwerte innerhalb des Achslagers und eines ggf. an dieser Radachse vorgesehenen Bremssystems isoliert zu messen. Das Achslager bezeichnet insbesondere das Radlager.
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Insbesondere wird in einem ersten Messschritt eine erste Anzahl von Komponenten mit der durch die Messvorrichtung angetriebenen Achse gekoppelt und in einem zweiten Messschritt wird eine zweite Anzahl von Komponenten mit der durch die Messvorrichtung angetriebenen Achse gekoppelt. Dabei unterscheidet sich die erste Anzahl von der zweiten Anzahl und so kann die Reibung in der sich ergebenden Komponentendifferenz bestimmt werden. Es können auch Gruppen von Komponenten gemeinsam betrachtet werden, wie z.B. eine Baugruppe einer Radlagerung mit einer in diesem Bereich gelagerten Bremse. Diese Betrachtung fällt unter die vorstehend genannte allgemeine Definition der Erfindung (siehe die unabhängigen Ansprüche), wenn die erste oder zweite Anzahl auf Null gesetzt wird.
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Bei einem vorteilhaften Verfahren kann die Radachse, die der mit dem Adapter versehenen Radachse gegenüber liegt, blockiert werden und die mechanische Kopplung von diesen Radachsen zum Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs kann entkoppelt werden, um so die Reibung der durch den Referenzmotor bewegten Komponenten zu messen. Entsprechend ist es möglich, dass der Prüfstand einen von einer externen Behörde oder Organisation vorgegebenen Fahrablauf, wie insbesondere NEFZ, also neuer europäischer Fahrzyklus, simuliert.
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Es ist somit möglich, prozentuale Anteile des Leistungsverlusts mehrerer Komponenten eines Kraftfahrzeugs, die jeweils einen Reibverlust verursachen, in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Fahrzyklus zu bestimmen. Dies war mit bestehenden Vorrichtungen und Verfahren nicht möglich. Diese Komponenten, an welchen die gemeinsame Reibung bzw. Reibleistung gemessen wird, können bspw. auch eine Radlagerung in Verbindung mit einer dort angeordneten Bremse sein.
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Auch ist es bevorzugt möglich, Reibwerte in Abhängigkeit von der Raddrehwinkelstellung des Rades aufzunehmen, mit dem der Referenzmotor gekoppelt ist. So können auch Ungleichmäßigkeiten aufgedeckt und anschließend korrigiert werden.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung eines Antriebstrangs eines Fahrzeugs, bei der auch die nicht angetriebenen Räder gezeigt sind,
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2 einen zeitlichen Fahrgeschwindigkeitsverlauf in Abhängigkeit von einer simulierten Fahrgeschwindigkeit und
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3 ein gemessenes Reibprofil bei dem Fahrgeschwindigkeitsverlauf, der in 2 gezeigt ist.
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei auch nicht angetriebene Räder 10‘‘ gezeigt sind. Diese Räder 10‘‘ sind die Vorderräder und der Antriebsmotor 20 des Kraftfahrzeugs ist frontseitig verbaut. In Drehmomentabtriebseite hinter dem Antriebsmotor 20 ist ein Getriebe 22 angeordnet, das in unterschiedliche Schaltstellungen verbracht werden kann. Das Getriebe 22 kann insbesondere ein Automatik- oder ein Schaltgetriebe sein. In Richtung des Flusses des Drehmoments ist hinter dem Getriebe 22 eine Antriebswelle 24 angeordnet. Die Antriebswelle 24 mündet in ein Differenzial 26, welches eingerichtet ist, das durch die Antriebswelle 24 übertragene Drehmoment über Radachsen 28, 29 auf entsprechende Räder 10, 10‘ zu übertragen. Auf diese Weise ist es möglich, mit dem Antriebsmotor 20 die entsprechenden Räder 10, 10‘ anzutreiben. Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf diesen Fahrzeugaufbau, sondern auch auf frontangetriebene sowie Allradfahrzeuge. In 1 sind an der Radachse 28 Komponenten eines Prüfstands angebracht, an dem das vorstehend beschriebene Fahrzeug lösbar angekoppelt ist. Zunächst kommt hier ein optionaler und nicht zwingend notwendiger Adapter 12 zum Einsatz, der im einfachsten Fall über die Verschraubung, mit der das Rad 10 befestigt ist, ausgeführt sein kann. Anders ausgedrückt: Die Radachse 28 ist (insbesondere über den Adapter 12) mit einem Referenzmotor 18 gekoppelt. Bei dieser Kopplung kann eine optionale Wellenkupplung 14 verwendet werden. Bei der Wellenkupplung 14 ist eine Rotationsachse des Adapters in Form zweier Achsstummel getrennt und zwei Halteteile der Wellenkupplung sind drehsteif mit den Achsstummeln verbunden und dabei über eine elastische Komponente drehsteif miteinander verbunden. Auf diese Weise können kleinere Unterschiede der Winkellage der Achsstummel ausgeglichen werden. Zudem kommt ein Drehmomentsensor zum Einsatz, über den ein durch den Referenzmotor 18 auf die Radachse 28 übertragbares Drehmoment gemessen werden kann.
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Diese Prüfvorrichtung kann auf unterschiedliche Arten betrieben werden. In einer ersten Anwendung der Prüfvorrichtung wird die Verbindung von der Radachse 28 zu dem Differenzial 26 getrennt, wie dies schematisch durch die Schere 32 dargestellt ist. Konstruktiv lässt sich diese Trennung dadurch erreichen, dass das Differenzial 26 ausgebaut wird. So ist die Radachse 28 frei drehbar. Wenn nun der Referenzmotor 18 angetrieben wird, so kann mit dem Drehmomentsensor 16 ein Drehmoment gemessen werden, das dem Reibwiderstand in der Lagerung des Rades 10 zusammen mit der Reibung einer ggf. vorhandenen Bremse entspricht. Es ist unmittelbar verständlich, dass die Lagerung des Rades 10 einen Widerstand, insbesondere Rollwiderstand aufweist. Aber auch die Bremse hat im nicht gebremsten Zustand eine gewisse geringe Reibung, die dafür sorgt, dass die Bremsfunktion dauerhaft erhalten bleibt. Diese Bremsreibung kann bspw. bis 6 oder 7 Nm betragen.
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Es ist bekannt, dass man die Reibwiderstände der einzelnen Komponenten des Antriebsstrangs im ausgebauten Zustand nacheinander und getrennt messen kann und über eine Summenbildung die Gesamtreibung erhalten kann. Ein Vorteil der kombinierten Messung mehrerer Komponenten am Fahrzeug besteht darin, dass systematische oder zufällige Fehler des Messens weitgehend eliminiert sind. Ein Ingenieur mag zwar zu dem Ergebnis kommen, dass die Summe der Einzelreibwiderstände dem Gesamtreibwiderstand entsprechen muss, aber da man nie sicher sein kann, ob alle Wechselwirkungen ausgeschlossen sind, bietet die hier beschriebene Messanordnung die Möglichkeit einer genaueren Messung und zudem einen höheren Grad der Vertrauenswürdigkeit des Messwertes.
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In 2 und 3 sind beispielhaft Messergebnisse angezeigt. So ist in 2 das Antriebsprofil des Referenzmotors 18 gezeigt. Startend vom Stillstand bei dem Zeitpunkt Null steigt die Geschwindigkeit kurvenförmig an, bis eine Maximalgeschwindigkeit erreicht wird. In 3 ist das dazugehörige Reibmoment gezeigt. Es steigt steil an bis zu einem Maximalwert, von dem ausgehend es mit wachsender Geschwindigkeit des Referenzmotors 18 wieder abfällt. Das am Drehmomentsensor 18 gemessene Drehmoment setzt sich zusammen aus zunächst dem Drehmoment, welches zur Beschleunigung der Drehbewegung benötigt wird und sich aus der Massenträgheit ergibt und zudem aus dem bereits beschriebenen Roll- bzw. Reibwiderstand. Die Beschleunigungskräfte der Massenträgheit sind abhängig von der Drehzahländerung und der verbundenen Masse, so dass sie sehr einfach und exakt berechenbar sind. Die in 3 ausgegebenen Werte wurden aus den Messwerten dadurch erhalten, dass die massenträgheitsbedingten Beschleunigungskräfte abgezogen wurden.
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Mit der Vorrichtung lassen sich beliebige Fahrzyklen simulieren, wie z.B. der NEFZ (neuer europäischer Fahrzyklus), bei dem mehrere unterschiedliche Geschwindigkeiten sich in definierten Zeitabständen abwechseln. Es kann bspw. startend mit 15 km/h gefahren werden, dann mit einer erhöhten Geschwindigkeit von 30 km/h und später wieder mit einer reduzierten Geschwindigkeit. Die so gewonnenen Messwerte lassen sich optimal für eine Analyse dahingehend verwenden, welche Komponenten für den Gesamttreibstoffverbrauch über den gewünschten Messzyklus verantwortlich sind.
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Auch lässt sich die Anordnung in einer zweiten Anwendung so verwenden, dass der Antriebsstrang an den Punkten 32 und 34 nicht unterbrochen ist, aber die Verbindung 36 geöffnet ist. Dies lässt sich durch einen Ausbau der Antriebswelle 24 realisieren. Wenn jetzt das Rad 10‘ festgestellt wird, so lässt sich die Kombination der Reibwerte von der Lagerung des Rades 10 und der dortigen Bremsreibung in Kombination mit dem Reibwert im Differenzial 26 messen. Über eine Differenzbildung kann ein Wert für den Reibwiderstand im Differenzial 26 erhalten werden. Der Vorteil dieser Messung ist, dass sie am Fahrzeug durchgeführt wird. Auf diese Weise lassen sich wahlweise die gezeigten Trennungen 32, 34, 36 und 38 durch Öffnen oder Schließen verändern, um so eine Vielzahl vom Messwerten und Reibeigenschaften der unterschiedlichen Komponenten bzw. der jeweils bewegten Teile zu erhalten. Auch kann eine entsprechende Trennung durch ein Auskuppeln des Motors erhalten werden. Wenn man bspw. am Reibwert in Getriebe 22 bei einer speziellen Gangeinstellung interessiert ist, so muss man in einer ersten Messanordnung die Verbindung zwischen dem Getriebe 22 und dem Hauptmotor 20 öffnen (z.B. durch Ausbau des Motors) und in einer zweiten Anordnung die Antriebswelle 24 ausbauen. Im Unterschied der Messergebnisse erhält man ein Maß für die Reibung innerhalb des Getriebes 22 unter Einbaubedingungen.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10‘, 10‘‘
- Räder
- 12
- Adapter
- 14
- Wellenkupplung
- 16
- Drehmomentsensor
- 18
- Referenzmotor
- 20
- Antriebsmotor
- 22
- Getriebe
- 24
- Antriebswelle
- 26
- Differenzial
- 28, 29
- Radachse
- 32, 34, 36, 38
- optionale Trennstellen
