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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Untersuchung der Betriebsfestigkeit einer Kraftfahrzeug-Einrichtung
auf einem Prüfstand.
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Die Schädigung eines Bauteiles resultiert aus
mikroskopischen Verformungen, d.h. Dehnungen des Werkstoffes infolge äußerer und
innerer Belastung. Bei genügender
Stärke
und/oder Wiederholung der Dehnungen kommt es zur Zerrüttung des Werkstoffes
und schließlich
zum Bruch. Für
zahlreiche Werkstoffe ist dieser Zusammenhang bekannt und kann daher
durch Zählen
der Dehnungen und durch Messen der Dehnungs-Amplituden in Belastungstests
vorausgesagt werden, wann der Werkstoff versagen wird.
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Neben Praxis-Tests unter realen Bedingungen,
d.h. insbesondere durch Probefahren eines Kraftfahrzeuges, sind
Belastungstests auf Prüfständen bekannt,
bei denen die Belastung unter realen Bedingungen simuliert wird.
Häufig
werden hierbei nur Teile oder Teilsysteme, d.h. Einrichtungen eines Kraftfahrzeuges
auf dem Prüfstand
getestet. Einflussgrößen, die
eine Belastung der Einrichtung bewirken können, sind z.B. der Drosselklappenwinkel einer
Kraftstoff-Zuführungseinrichtung,
die Motordrehzahl, die Fahrgeschwindigkeit, die Betätigung der
Kupplung und/oder des Getriebes sowie die Bewegung des Fahrzeug-Fahrwerks.
Für die
Simulation auf dem Prüfstand
stehen als Eingangsgrößen in der Regel
Zeitreihen der Einflussgrößen bzw.
von daraus resultierenden Größen zur
Ansteuerung des Prüfstandes
zu Verfügung.
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Die Materialprüfung auf dem Prüfstand ist wegen
der Komplexität
der mechanischen Kopplungen in Kraftfahrzeugen aufwändig. Ohne
lang andauernde Tests kann in der Regel nicht vorausgesagt werden,
wann ein Bauteil oder eine Einrichtung versagt.
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Es wurde bereits versucht, die Dauer
der Belastungstests durch Raffung der Zeitreihen zu verkürzen. Die
DE 44 18 599 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Raffung gemessener, mehraxialer Belastungszeitfunktionen.
Das Verfahren ist jedoch nur dann anwendbar, wenn die zwischen den
Referenzmessstellen im Prüfstand
und den schwingbruchkritischen Stellen eines zu untersuchenden Bauteiles
wirkenden dynamischen Massen- oder Dämpferkräfte im Frequenzbereich der
eingeleiteten Belastungszeitfunktionen vernachlässigbar klein sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, kurze und/oder besonders aussagekräftige Belastungstests auch
bei komplexen Kraftfahrzeug-Einrichtungen zu ermöglichen.
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Es wird vorgeschlagen, zur Raffung
zumindest einer Zeitreihe eine Messung einer durch den Prüfstand erzeugten
mechanischen Schwingung der Einrichtung durchzuführen.
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Hierfür kommen grundsätzlich sogenannte Dehnungsmessstreifen
(DMS) in Frage, die an bruchgefährdeten
Stellen befestigt, insbesondere aufgeklebt werden. Jeder DMS ist
insbesondere mit einem geeigneten Messverstärker (z.B. einer Trägerfrequenzmessbrücke) verbunden,
der ein der Dehnung des DMS bzw. der Einrichtung proportionales Messsignal
liefert. Insbesondere bei Einrichtungen, deren Temperatur während des
Betriebes eines Kraftfahrzeuges ansteigt, (z.B. der Abgasanlage), müssen spezielle
Hochtemperatur-DMS verwendet werden, die nicht wiederverwendbar
sind und deren Anschaffung mit hohen Kosten verbunden ist.
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Daher wird vorgeschlagen, die erzeugte
mechanische Schwingung der Kraftfahrzeug-Einrichtung durch zumindest einen Beschleunigungsaufnehmer
zu messen. Beschleunigungsaufnehmer sind wiederverwendbar und können erforderlichenfalls
aktiv gekühlt
werden, um eine Verfälschung
der Messergebnisse zu vermeiden und/oder um den Beschleunigungsaufnehmer
vor einer Beschädigung
zu schützen.
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Eine Alternative ist ein berührungslos
arbeitendes Vibrometer, insbesondere ein Laser-Vibrometer, das den Vorteil hat, nicht
an der Einrichtung befestigt werden zu müssen. Daher kann das Messergebnis
nicht verfälscht
werden und ist der Montageaufwand gering.
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In beiden Fällen wird unter Verwendung
der Messergebnisse eine Korrelation zwischen zumindest einer zeitabhängigen Eingangsgröße des Prüfstandes
und einer Stärke
einer mechanischen Belastung an zumindest einer bruchgefährdeten
Stelle der Kraftfahrzeug-Einrichtung
ermittelt. Nun kann unter Verwendung der Korrelation festgestellt
werden, ob Zeitabschnitte der Zeitreihe oder der Zeitreihen der zumindest
einen Eingangsgröße vorliegen,
in denen die Stärke
der mechanischen Belastung der Einrichtung gering ist.
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Bei der Ermittlung der Korrelation,
insbesondere zwischen der gemessenen Beschleunigung als Funktion
der Zeit und allen Eingangsgrößen des Prüfstandes,
können
an sich bekannte mathematische Verfahren angewendet werden und/oder
Simulationsrechnungen unter Verwendung physikalischer Rechenmodelle
der zu untersuchenden Einrichtung durchgeführt werden.
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Bei der Feststellung, ob die Stärke der
mechanischen Belastung der Einrichtung in einem Zeitabschnitt gering
ist, wird beispielsweise auf die oben erwähnten Zusammenhänge zwischen
der Zahl und Amplitude von Dehnungen des Materials und/oder der
Materialien der Einrichtung zurückgegriffen.
Insbesondere können
erfahrungsgemäß Dehnungen
mit Amplituden unterhalb eines Grenzwertes unberücksichtigt bleiben – und die
entsprechenden Zeitabschnitte ausgeschnitten werden -, da auch eine
sehr große
Anzahl solcher Dehnungen nicht zu einer Zerrüttung des Materials führt. Der
Grenzwert kann z.B. aus dem annähernd
horizontal verlaufenden Bereich einer für das Material bekannten Wöhlerlinie
ermittelt werden.
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Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ist
es, dass aus der gemessenen Beschleunigung keine absoluten Werte
der Schwingungs- bzw. Dehnungsamplituden ermittelt werden müssen. Es
reicht aus, die an der jeweiligen Stelle gemessenen Werte miteinander
zu vergleichen und die Zeitabschnitte mit geringen Beschleunigungswerten
wegzulassen. Daher ist es auch nicht erforderlich, dass der oder
die Beschleunigungsaufnehmer an der Stelle mit der größten Schwingungsamplitude
angebracht werden. Gleichwohl wird insbesondere aus messtechnischen Gründen bevorzugt,
an Steilen mit möglichst
großer Schwingungsamplitude
zu messen.
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Bevorzugtermaßen wird für einen Übergangs-Zeitbereich, in dem
nach dem Weglassen des zumindest einen Zeitabschnittes verbleibende
Zeitabschnitte miteinander verbunden werden und ineinander übergehen,
geprüft,
ob durch die Verbindung eine starke mechanische Belastung der Kraftfahrzeug-Einrichtung
auftreten würde.
Gegebenenfalls wird die Eingangsgröße (oder die Kombination von Eingangsgrößen) in
dem Übergangs-Zeitbereich
derart angepasst und/oder wird der Übergangs-Zeitbereich durch
Einsetzen derartiger Werte der Eingangsgröße vergrößert, dass die mechanische
Belastung an dem. Übergang
der verbleibenden Zeitabschnitte geringer wird. Dadurch wird vermieden,
dass durch das Verbinden der verbleibenden Zeitabschnitte tatsächlich nicht
vorkommende Belastungen auf dem Prüfstand simuliert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die
in der beigefügten
Zeichnung schematisch dargestellt sind. Die einzelnen Figuren der
Zeichnung zeigen:
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1 eine
Kraftfahrzeug-Einrichtung mit daran angebrachten Beschleunigungsaufnehmern,
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2 einen
Ausschnitt aus 1 mit
weiteren Details und
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3 bis 5 Zeitreihen einer Eingangsgröße zum Ansteuern
eines Prüfstandes.
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1 zeigt
einen Teil einer Abgasanlage eines Straßenkraftfahrzeuges. Ein Abgasrohr 1 geht an
einer gegen Knickbelastung empfindlichen Verbindungsstelle 6 in
einen Schalldämpfer 3 über. An insgesamt
drei Stellen dieser Kombination von Bauteilen sind Messanordnungen 5, 7 angebracht,
und zwar an dem Abgasrohr 1 in Längsrichtung von der Verbindungsstelle 6 beabstandet,
an dem Schalldämpfer 3 nahe
der Verbindungsstelle 6 und an dem Schalldämpfer 3 weiter
entfernt von der Verbindungsstelle 6. Die drei Stellen
liegen in derselben sich durch die Verbindungsstelle 6 hindurch
erstreckenden Ebene. Weiterhin sind in den Messanordnungen 5, 7 Beschleunigungsaufnehmer 7 jeweils
so angeordnet, dass quer (insbesondere senkrecht) zur Längsrichtung
des Abgasrohres 1 auftretende Beschleunigungen gemessen
werden können.
Auf diese Weise ist es möglich,
aus den Beschleunigungen an den drei Stellen die an der Verbindungsstelle 6 wirkende
Knickbeschleunigung in der genannten Ebene oder eine andere die
Knickbelastung an der Verbindungsstelle 6 beschreibende
Größe zu ermitteln.
Z.B. wird die Auslenkung des Abgasrohres 1 quer zu seiner
Längsrichtung
in einem Koordinatensystem ermittelt, in dem der Schalldämpfer 3 ruht. Die
Auslenkung des Abgasrohres 1 bzw. die Krümmung des
Systems aus Abgasrohr 1 und Schalldämpfer 3 ist ein Maß für die an
der Verbindungsstelle 6 auftretende Dehnung, sodass die
Korrelation zwischen den Eingangsgrößen bzw. Ansteuergrößen eines
Prüfstandes
und der Dehnung ermittelt werden kann.
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Die anhand von 1 beschriebene Konfiguration ist lediglich
ein Beispiel. Knickbelastungen und/oder Krümmungen können in entsprechender Weise
an anderen Stellen der Einrichtung und/oder an anderen Einrichtungen
eines Kraftfahrzeuges ermittelt und in Korrelation zu den Eingangsgrößen des Prüfstandes
gesetzt werden.
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Weiterhin kann in entsprechender
Weise mit anderen Belastungen als Krümmungen, z.B. mit Torsionsbelastungen
und Zugbelastungen verfahren werden. Bei Torsionen kann beispielsweise
mit zwei voneinander beabstandeten Beschleunigungsaufnehmern die
Verdrillung einer Einrichtung gemessen werden, wobei die Beschleunigungsaufnehmer insbesondere
so orientiert sind, dass sie tangential zu einem Kreisbogen um die
Torsionsachse auftretende Beschleunigungen messen. Bei Zugbelastungen
reichen zwei in Zugrichtung orientierte, voneinander beanstandet
angeordnete Beschleunigungsaufnehmer aus. Insbesondere bei komplizierteren
Belastungen kann der Zusammenhang zwischen Bewegung und Belastung
bzw. zwischen Belastung und Dehnung berechnet werden, z.B. numerisch
mit Hilfe von finite Elemente Berechnungen.
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Bei einer besonders einfachen Methode
zur Raffung von Zeitreihen bei Knickbelastungen wird pro bruchgefährdeter
Stelle nur ein Beschleunigungsaufnehmer verwendet. Der Beschleunigungsaufnehmer
wird so angeordnet, dass er im Bereich der bruchgefährdeten
Stelle auftretende Beschleunigungen, die mit einer Knickbelastung
verbunden sind, gut erfasst. Z.B. wird der Beschleunigungsaufnehmer
dort angeordnet, wo große
Beschleunigungswerte auftreten. Die Stelle kann beispielsweise durch
Anschlagen der zu prüfenden
Einrichtung und Messen der Beschleunigung an verschiedenen Stellen,
durch Modellrechnungen und/oder auf Grund bestehender Erfahrungen
ermittelt werden. Dieser aus Kostengründen besonders bevorzugten
Methode liegt der oben beschriebene Gedanke zugrunde, dass für die Raffung
von Zeitreihen nicht unbedingt absolute Messwerte der Dehnungen
vorliegen müssen.
Ein geeignet positionierter Beschleunigungsaufnehmer lässt bereits
Rückschlüsse auf
die verzichtbaren Zeitabschnitte der Zeitreihen zu, indem er einen
Vergleich der jeweiligen Belastungen erlaubt. Ferner kann davon
ausgegangen werden, dass die gemessene Beschleunigungsamplitude
bzw. die daraus abgeleitete Belastungsgröße proportional zu der Dehnung
ist, die sie hervorruft.
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2 zeigt
einen beispielhaften Aufbau einer Messanordnung mit einem Beschleunigungsaufnehmer 7,
der z.B. für
die Anordnung nach 1 eingesetzt
wird. Das Abgasrohr 1 (oder ein anderes Bauteil) ist über einen
Klebstoff 9 (z.B. ein Haftklebstoff, insbesondere ein Haftwachs)
mit einer Gewindestange 5 verbunden. Die Gewindestange 5 ist
in eine Aufnahme mit Innengewinde eines Kühlkörpers 11 (z.B. ein
quader- oder würfelförmiger Körper) eingeschraubt.
Der Kühlkörper 11 weist
eine sich durch ihn hindurch erstreckende Leitung 13 auf,
die während
der Messung von einem Kühlmittel
(z.B. Wasser) durchströmt
wird, wie durch Pfeile angedeutet ist. Mit dem Kühlkörper 11 ist wiederum über eine stangenartige
Verbindung 15 ein Beschleunigungssensor 17 verbunden,
der im Betrieb über
eine nicht gezeigte Signalleitung ein Messsignal abgibt. Derartige
Beschleunigungssensoren sind an sich bekannt und werden z.B. bei
der Fahrwerkssteuerung während
des Betriebes eines Kraftfahrzeuges verwendet.
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Die Orientierung der Stange 15 und
damit die Richtung der von dem Beschleunigungssensor messbaren Beschleunigung
hängt davon
ab, welche Art Belastung erfasst werden soll. Im gezeigten Beispiel
handelt es sich um eine quer zur Längsrichtung des Abgasrohres 1 auftretende
Beschleunigung, sodass insbesondere Knickbelastungen messbar sind.
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3 bis 5 zeigen Zeitreihen einer
Eingangsgröße eines
Prüfstandes.
Die folgenden Ausführungen
gelten entsprechend für
eine Mehrzahl bzw. Kombinationen von Eingangsgrößen.
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Die Eingangsgröße X ist als Zeitreihe bzw. Funktion
der Zeit t z.B. aus Probefahrten eines Straßenkraftfahrzeuges bekannt
und gibt z.B. die Vertikalbeschleunigung eines Fahrwerkes des Kraftfahrzeuges
wieder. In 3 ist die
ungekürzte
Zeitreihe dargestellt.
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Durch eine Vorab-Messung auf einem
Prüfstand
werden aus der Eingangsgröße X die
Belastungen bzw. Dehnungen an bruchgefährdeten Stellen einer zu prüfenden Kraftfahrzeug-Einrichtung
und die Korrelation zu der Eingangsgröße X ermittelt. Daraus wiederum
wird bestimmt, welche Zeitabschnitte der ungekürzte Zeitreihe zu relevanten
Belastungen der Einrichtung führen
(im Beispiel die Abschnitte a, c) und/oder welche Zeitabschnitte
weggelassen werden können,
da sie nicht zu relevanten Belastungen führen (im Beispiel die Abschnitte
b1, b2).
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4 zeigt
eine modifizierte Zeitreihe der Eingangsgröße X als Funktion der Zeit
t', bei der die Zeitabschnitte
a, c unmittelbar aneinander anschließen und bei der die Zeitabschnitte
b1, b2 weggelassen sind. Es wird nun geprüft, ob in einem Übergangs-Zeitbereich
d, in dem nach dem Weglassen des Zeitabschnittes b2 die verbleibenden
Zeitabschnitte a, c miteinander verbunden werden und ineinander übergehen,
durch die Verbindung eine starke mechanische Belastung der Kraftfahrzeug-Einrichtung
auftreten würde.
Gegebenenfalls wird die Eingangsgröße X in dem Übergangs-Zeitbereich
d derart angepasst, dass die mechanische Belastung an dem Übergang
der verbleibenden Zeitabschnitte a, c geringer wird. Mit anderen
Worten: durch den künstlich
hergestellten, in der Praxis nicht vorkommenden Übergang des Zeitabschnitts
a in den Zeitabschnitt c kann eine zusätzliche Belastung der Einrichtung
auftreten, die es zu beseitigen gilt.
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Im Beispiel würde durch den unmittelbaren Übergang
der Zeitabschnitte a, c eine Stoßanregung der zu prüfenden Einrichtung
auftreten. Daher wird, wie in 5 dargestellt,
ein zusätzlicher
Zeitabschnitt e zwischen die Zeitabschnitte a, c eingesetzt, wobei
in dem Zeitabschnitt e die Eingangsgröße X ausschwingt. Im dargestellten
Fall, in dem die Dauer des Zeitabschnittes e übertrieben groß dargestellt
ist, schwingt die Eingangsgröße X zunächst unter
die modifizierte Zeitachse t" um
sich dann asymptotisch der Zeitachse t" zu nähern, bevor sie kurz vor dem Zeitabschnitt
c wieder ansteigt, um in den Verlauf der Eingangsgröße X in
dem Zeitabschnitt c überzugehen.
Dies ist nur ein Beispiel. Im allgemeinen wird ein Funktionsverlauf
eingefügt,
der einerseits in kürzester
möglicher
Zeit die Funktionsverläufe
in den zu verbindenden Zeitabschnitten verbindet und andererseits
keine relevanten zusätzlichen
Belastungen der Einrichtung erzeugt. In allen solchen Fällen wird
der Übergangszeitbereich
d durch Einschieben des Zeitabschnittes e zu dem Zeitbereich d' vergrößert.
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Alternativ wird der Funktionsverlauf
in den zu verbindenden Zeitabschnitten a, c angepasst, sodass keine
relevanten Belastungen in einem möglichst kurzen Übergangszeitbereich
am Übergang der
zu verbindenden Zeitabschnitte a, c auftreten. Hierzu werden z.B.
die Grenzen der Zeitabschnitte a, c anders gewählt, sodass die Grenzen in
dem wegzulassenden Zeitabschnitt b2 (siehe 1) liegen. Die in dem wegzulassenden
Zeitabschnitt b2 liegenden Werte der Eingangsgröße X können dann modifiziert werden.
Auch ist es möglich,
geringe Anpassungen in den an sich relevanten Zeitabschnitten vorzunehmen.
Dadurch wird die Zeitreihe in der Regel nicht erheblich verfälscht.
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Das beschriebene Verfahren erlaubt
die Ermittlung, in welchen Zeitabschnitten eine relativ niedrige
Schädigung
aus Dehnungen in der Einrichtung auftritt. Damit liegt ein geeignetes
Kriterium vor, um aus Ansteuerdaten des Prüfstandes, die bzw. deren Kombination
nicht oder nicht wesentlich zu einer Schädigung beitragen bzw. beiträgt, nicht
relevante Zeitbereiche zu entfernen.
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Somit können Prüfzeit und daher auch Prüfkosten
gespart werden. Auch kann die Anzahl der Prüfungen auf einem vorhandenen
Prüfstand
deutlich erhöht
werden. Weiterhin kann die Auslegung der zu prüfenden Einrichtungen, z.B.
der Aggregate und Abgasanlagen, verbessert werden, da auf Grund
der gekürzten
Zeitreihen auf dem Prüfstand
bis zu einem Materialbruch gefahren werden kann. Mit ungekürzten Zeitreihen
kann dagegen in der Regel nur ein vorgegebener Zyklus gefahren werden
und danach festgestellt werden, ob das Material der Einrichtung
geschädigt
ist oder den Belastungen standhält.
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Mit dem beschriebenen Verfahren dagegen kann
festgestellt werden, wann ein Materialbruch auftritt, sodass es
möglich
ist, Einrichtungen auf eine angestrebte Haltbarkeit hin auszulegen.
Somit können
unter Umständen
Einrichtungen aus leichterem und/oder kostengünstigeren Material eingesetzt
werden.