DE19527742A1

DE19527742A1 - Verfahren und Windkanalwaage bei aerodynamischen Messungen an Fahrzeugen

Info

Publication number: DE19527742A1
Application number: DE1995127742
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr Wiedemann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1995-07-28
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 1997-01-30
Also published as: WO1997005465A1; DE59604610D1; EP0842407B1; JP3625480B2; EP0842407A1; JPH11509926A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung der Kräfte und Momente, die während der Anströmung durch ein Fluid an einem Fahrzeug auftreten sowie auf eine für die Durchführung des Verfahrens verwendete Windkanalwaage.

Entsprechende Verfahren sowie zu deren Durchführung geeignete Windkanalwaagen sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Hinzuweisen ist insoweit beispielsweise auf die europäischen Patentschriften 0 168 527 B1 und 0 504 437 B1. In der jeweiligen Beschreibungseinleitung dieser Patentdokumente wird auf den grundsätzlichen Aufbau sogenannter 6- oder 7-Komponenten-Windkanalwaagen eingegangen.

Während der Schwerpunkt des erstgenannten Patentes darin liegt, bei der Momentenermittlung Lageänderungen des Fahrzeugs auf der Waage, die sich durch die Einwirkung von Luftkräften infolge von Elastizitäten im Fahr werk, nämlich von Radaufhängung und Reifen, ergeben, zu berücksichtigen, ist es das Ziel des zweitgenannten Patentes, eine besonders hohe Präzision, bei der Bestimmung aerodynamischer Kräfte und Momente zu er zielen; insbesondere soll das elastische Verhalten von Reifen und Fahrwer kaufhängung berücksichtigt werden und die tatsächlichen Krafteinleitungs punkte korrekt in die Messung und Berechnung eingehen.

Bei im Stand der Technik beschriebenen Windkanalwaagen werden die Kräfte über die Fahrzeugräder in Waagenplatinen eingeleitet. Diese sind jeweils mit einer kleinen Antriebseinheit versehen, die aus einer Doppelrolle, aber auch aus einer Einzelrolle oder einer Mini-Laufbandeinheit bestehen kann. Um jeglichen Kraftschluß nach außen zu verhindern, befindet sich der Antriebsmotor ebenfalls in der Platine. Somit ist die gesamte Einheit Teil des gewogenen Systems. Die Fesselung des Fahrzeugs kann über geeignete Stützen erfolgen, die beispielsweise vorne und hinten am Fahrzeugschweller (Wagenheberaufnahme) oder auch an ungefederten Fahrwerkselementen befestigt werden. Die hier übertragenen Kräfte werden ebenfalls in die Waagenplatine eingeleitet. Momente dürfen von den Stützen eigentlich nicht in die Platinen eingeleitet werden, weil es sonst zu einer Verfälschung der Radaufstandskräfte gegenüber der Realität (Fahrt auf der Straße) kommt.

Vom bekannten Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Auf gabe zugrunde, das Verfahren zur Ermittlung der Kräfte und Momente auf einer Windkanalwaage so zu optimieren, daß eine weitgehende Überein stimmung mit tatsächlichen Fahrversuchen auf der Straße hergestellt ist.

Dies gelingt nach der Erfindung durch das kennzeichnende Merkmal des Patentanspruches 1. Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders ge eignete Windkanalwaage ist mit Patentanspruch 3 beansprucht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die im Stand der Technik bekannten Versuchsanordnungen den wesentlichen Nachteil haben, daß die ermittelten Kräfte und Momente nicht die aufzubringende Antriebsleistung für die Räder, d. h. deren Lüfterleistung (ergibt sich daraus, daß die Radfelge bei rotierendem Rad und bei zusätzlichem Fahrtwindeinfluß wie ein Radial-/Axiallüfter wirkt, was z. B. zur Bremsenkühlung genutzt wird), enthalten, da sich die (elektrischen) Antriebsmotoren der Waagenplatinen-Antriebseinheiten im gewogenen Teil der Versuchsanordnung befinden und von daher das Antriebsmoment als innere Stützkraft nicht bestimmt wird. Die Bestimmung der Lüfterleistung der Fahrzeugräder ist aber sinnvoll, damit schlüssige Vergleiche mit beispielsweise Höchstgeschwindigkeits- oder Ausrollmessungen hergestellt werden können.

Vorfeilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in Patentanspruch 2 dargelegt.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels nachstehend erläutert und in der zugehörigen Zeichnung dargestellt. Diese zeigt als Teil einer Windkanalwaage 10 eine einem Fahrzeugrad 1 eines Personenkraftfahrzeuges 2 zugeordnete und es abstützende Waagenplatine 3. Diese ist in ihrem wesentlichen Aufbau dem Fachmann bekannt und daher hier nur schematisch dargestellt. Zur unmittelbaren Abstützung und zum Antreiben des Fahrzeugrades 1 dient eine Laufbandeinheit, bestehend aus einem Rollenpaar 4, 5, wobei die Rollen 4, 5 von einem nur dieses Fahrzeugrad 1 beaufschlagenden Laufband 6 umschlungen sind und wobei eine 4 der Rollen 4, 5 mittels Treibriemen 7 von einem Elektromotor 8 angetrieben wird. Letzterer ist über geeignete Wägezellen 9 innerhalb der Waagenplatine 3 aufgenommen, so daß es möglich ist, während der Versuchsdurchführung das Reaktionsmoment des Antriebsmotors (Elektromotor 8) zu bestimmen.

Innerhalb der Windkanalwaage 10 ist die Waagenplatine 3 ihrerseits wiederum von Wägezellen 11, 12, 13 aufgenommen, so daß in bekannter Weise die auftretenden Kräfte (Auftrieb, Luftwiderstand, Seitenkraft) und Momente (Nick, Gier- und Wankmoment) während der Ver suchsdurchführung ermittelt werden können.

Die Fesselung des Kraftfahrzeuges 2 erfolgt durch je eine jedem Fahrzeug rad 1 zugeordnete Stützeinheit 14, die am Fahrzeugschweller 15 angreift (Angriffspunkt könnte auch am Fahrwerk sein) und wobei die übertragenen Kräfte am Angriffspunkt 16 in die Waagenplatine 3 eingeleitet werden. Dabei ist es nicht erforderlich, daß diese Fahrzeugfesselung momentenfrei ist. Vielmehr können fälschlicherweise in die Waagenplatine 3 eingeleitet Momente aufgrund der 24-Komponenten-Charakteristik des Gesamtsystems ermittelt und zur Korrektur der gemessenen Radaufstandskräfte benutzt werden.

Durch die bereits erwähnte Ermittlung des Reaktionsmomentes des Elektromotors 8 ist es in erfindungsgemäßer Weise möglich, den Lüftereffekt einer Felge 17 zu bestimmen. Dazu muß zunächst eine sog. Nullmessung, also eine Messung ohne Wind (Pfeil 18) und bei inaktivem Radantrieb erfolgen. Sie dient der Bestimmung der Tarakräfte und -momente, die aus dem Gewichtseinfluß des Kraftfahrzeuges 2 resultieren.

Danach erfolgt eine weitere Messung ohne Wind, allerdings diesmal mit eingeschaltetem Radantrieb (Laufband 6). Sie liefert das Null-Lüftermoment M_lü0. Das ebenfalls von der Antriebseinheit zu überwindende Radlager- Reibmoment M_reib wird von der Waageneinheit nicht gemessen, weil die entsprechende Kraft F_reib in der Radaufstandsebene 19 angreift, auf die alle Momente bezogen werden. Die Antriebskraft zur Überwindung der Lüfterkraft F_lü0 dagegen greift im Radlager 20 des Kraftfahrzeuges 2 an und wird als Lüftermoment M_lü0 über die Stützeinheit 14 in die Waagenplatine 3 zurückgeführt und dort gemessen. Parallel dazu wird durch die Wägezellen 9 das Reaktionsmoment M_reak0 des Elektromotors 8 bestimmt, das sich aus der Summe

M_reak0 = M_lü0 + M_reib (1)

zusammensetzt. Durch Differenzbildung zwischen den Signalen der einzel nen 6-Komponenten-Waagen (M_lü0) und der Wägezellen 9 an den Antriebs motoren(M_reak0) erhält man also das an jedem Fahrzeugrad 1 übertragene Reibmoment M_reib

M_reib = M_reak0 - M_lü0. (2)

Im Anschluß daran werden bei der Messung mit Wind (Pfeil 18) zunächst an jedem Fahrzeugrad 1 sechs aerodynamische Kräfte und Momente (ohne Index -0-, wie in der Zeichnung dargestellt), also, wie an sich bekannt, insgesamt 24 Komponenten bestimmt. Diese werden zu den bekannten aerodynamischen Fahrzeug-Kenngrößen Widerstand, Auftrieb, Seitenkraft, Nick-, Gier- und Rollmoment umgerechnet. Statt der Momente können natürlich in bekannter Weise auch die Auftriebs- und Seitenkräfte jeweils für die Vorder- und die Hinterachse getrennt angegeben werden. Allerdings enthält das so gemessene Nickmoment M_N′ noch zusätzlich das Lüftermoment M_lü der im Radmittelpunkt angreifenden Kraft F_lü. Es gilt also

M_N′ = M_N + M_lü. (3)

Die Wägezellen 9 unter den vier Elektromotoren 8 liefern jeweils die Momentensumme

M_reak = M_lü + M_reib. (4)

Das Lüftermoment M_lü enthält nun, wie bereits oben angedeutet, nicht mehr den Index -0-, weil es nun aus einer Messung unter Windlast resultiert.

Durch Differenzbildung zwischen den Gleichungen (3) und (4) erhält man

M_N′ - M_reak = M_N - M_reib. (5)

Die Addition der Gleichungen (5) und (2) liefert schließlich das um den Lüftereinfluß (Lüftermoment) korrigierte Nickmoment M_N (unter Berücksichtigung von an sich nicht zulässiger Momenteneinleitung in die Waagenplatine 3).

M_N = M_N′ - M_reak + M_reak0 - M_lü0 (6)

Die Differenz zwischen den Gleichungen (4) und (2) wiederum liefert das ge suchte Lüftermoment M_lü unter Windeinfluß.

M_lü = M_reak - M_reak0 + M_lü0 (7)

Durch Multiplikation mit der Kreisfrequenz ω erhält man die gesuchte Lüfterleistung eines jedes Fahrzeugrades 1, die der aerodynamischen Verlustleistung zuzuschlagen ist. Es ergibt sich somit

P_lü = M_lü·ω (8)

Die Verfahrensweise zur Ermittlung der Lüfterleistung geschieht in analoger Weise, wenn anstelle der vorstehend beschriebenen 24-Komonentenwaage eine sog. Brücken- oder 6-Komponentenwaage verwendet wird. Bei einer solchen alternativen Waage ruhen bekanntermaßen alle Antriebseinheiten auf einem gemeinsamen Rahmen (Waagenbrücke) und alle Kräfte und Momente werden nicht für jedes Einzelrad, sondern gemeinsam für die gesamte Brücke gemessen. Auf diese Weise werden die Werte M_N und M_lü für das komplette Fahrzeug und nicht pro Einzelrad erhalten.

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung von Kräften und Momenten, die während der Anströmung durch ein Fluid an einem Fahrzeug auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß auch das aus der Lüfterwirkung einer Radfelge (17) sich ergebende und aufzubringende Lüftermoment bzw. die sich daraus ableitende Lüfterleistung ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Schritte

- Vornahme einer Nullmessung, also einer Messung ohne Fluid-Anströmung, zur Ermittlung der Tarakräfte und -momente, die aus dem Gewichtseinfluß des Fahrzeuges (2) resultieren,
- nachfolgende Messung wiederum ohne Fluid-Anströmung, allerdings mit eingeschaltetem Radantrieb (Laufband 6) zur jeweiligen Ermittlung eines Null-Lüftermomentes M_lü0 und eines Reaktionsmomentes M_reak0 eines dem Radantrieb dienenden Antriebsmotors (8)
- Messung mit Fluid-Anströmung (Pfeil 18) und Radantrieb (Laufband 6) zur Ermittlung der am Fahrzeugrad (1) auftretenden aerodynamischen Kräfte und Momente und zur Ermittlung des Reaktionsmoments M_reak.

3. Windkanalwaage zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, bestehend aus mindestens einer, den Fahrzeugrädern (1) zugeordneten und mindestens eine Laufbandeinheit (Rollenpaar 4, 5, Laufband 6, Treibriemen 7, Elektromotor 8) aufweisenden Waageneinheit (Waagenplatine 3, Waagenbrücke), welche innerhalb der Windkanalwaage (10) von Wägezellen (11, 12, 13) zur Ermittlung der auftretenden Kräfte und Momente aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch jeder Antriebsmotor (Elektromotor 8) zur Ermittlung seines Reaktionsmomentes von Wägezellen (9) aufgenommen ist.

4. Windkanalwaage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fesselung des Fahrzeuges (2) durch je eine jedem Fahrzeugrad (1) zugeordnete Stützeinheit (14) erfolgt, welche fahrzeugseitig (Fahrzeugschweller 15, Fahrwerk) angreift und wobei die übertragenen Kräfte unmittelbar in die Waagenplatine (3) eingeleitet werden.