DE19537158C2 - Prüfstand für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prüfstand für Kraft­ fahrzeuge mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Mit Hilfe solcher Prüfstände wird die Straßenfahrt von Kraftfahrzeugen simuliert, wobei insbesondere die Auswirkung von Kräften und Drehmomenten, die über Räder und Radaufhängungen auf das Fahrgestell wirken, überprüft wird. Zur realitätsnahen Simulation ei­ ner Straßenfahrt werden Prüfkräfte und -bewegungen in al­ len drei Raumebenen auf Radersatzkörper aufgebracht, wo­ bei diese jeweils mit einem Radnaben-Adapter des Fahr­ zeugs verbunden sind. Auf vergleichbare Weise werden auch im Prüfstand gelagerte Fahrzeugachsen getestet.

Zusätzliche Kräfte wirken bei Bremsmanövern auf die Rad­ aufhängungen von Fahrzeugen. Im Praxisbetrieb belasten Bremskräfte und Bremsmomente die mechanischen Elemente der Bremsanlage. Je nach Bremsenausführung (Trommel- oder Scheibenbremse) wirken die Kräfte zwischen der Brems­ scheibe (bzw. -trommel) und dem Bremssattel, der an einer Fahrgestellkomponente (stationär) befestigt ist (bzw. der Bremsankerplatte bei Trommelbremsen). Bei Fahrzeugen auf modernen Prüfständen werden auch Bremsmanöver simuliert.

Ein Prüfstand der oben genannten Art ist aus der DE-OS 43 20 107 bekannt. Über ein Betätigungselement und ein Pleu­ el werden Bremskräfte simuliert. Das Betätigungselement ist als Hydraulikzylinder ausgeführt und einerseits am Radersatzkörper gelagert. Der Kolben ist über ein Pleuel mit dem stationären Teil (Bremssattel) der Bremseneinheit verbunden. Somit kann eine Verdrehung zwischen dem Rader­ satzkörper und dem Bremssattel erzeugt werden, wenn das Betätigungselement mit Druckmittel beaufschlagt wird. Dies entspricht jedoch nicht den wahren Verhältnissen bei Bremsvorgängen. Das Betätigungselement und die von ihm ausgehenden Kräfte liegen nicht in der Ebene der Brems­ kräfte beim praktischen Fahrzeugbetrieb und somit werden Meßergebnisse verfälscht. Zusätzliche Störungen bei dyna­ mischer Belastung des Radersatzkörpers verursacht die weit außen am Radersatzkörper angeordnete Masse der Betä­ tigungselemente.

Die Betätigungselemente nach der DE-OS 43 20 107 sind über jeweils ein Pleuel mit dem Bremssattel verbunden. Beim Verschwenken des Radersatzkörpers unter Last wird auch der das Betätigungselement bildende Hydraulikzylin­ der verschwenkt und damit ist das zugehörige Pleuel nicht mehr senkrecht zur Kolbenfläche ausgerichtet. Es werden Reibungskräfte wirksam (zwischen Kolben und Zylinder), die nur ungenau kalkulierbar sind und damit die Simula­ tionsgüte negativ beeinflussen.

Der Prüfstand ist nur bei quasi-statischer Bremsbelastung nutzbar, da die Druckmittelversorgung des Betätigungsele­ mentes über lange Leitungen erfolgt. ABS-Bremsungen sind somit nicht stimulierbar.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Prüfstand für Kraft­ fahrzeuge bzw. deren Achsen zu schaffen, bei dem Rader­ satzkörper sowohl in den drei Raumebenen belastbar, als auch Bremskräfte simulierbar sind, wobei eine besonders realitätsnahe Simulation aller, auch dynamischer Bela­ stungen möglich sein soll. Es soll weiterhin ein mög­ lichst geringer Aufwand bei Nutzung vorhandener Rader­ satzkörper betrieben werden und realitätsnahe Belastungs­ situationen sollen automatisiert auf dem Prüfstand durch­ führbar sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich der Prüfstand nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale aus. Die in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegebenen zu­ sätzlichen Merkmale tragen zur Lösung von Teilaufgaben und zur besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung bei.

Betätigungselemente zur Erzeugung von Bremskräften an Radaufhängungen eines auf einem Prüfstand befindlichen Fahrzeugs (bzw. einer Achse) werden anstelle von serien­ mäßig vorgesehenen Elementen der Bremsanlage angeordnet. Damit können die realen Bremskräfte durch Kräfte ersetzt werden, die nahezu exakt in der Original-Bremskraftwir­ kungsebene und -richtung wirken. Bei Fahrzeugen (bzw. Achsen) mit Scheibenbremsen werden die Betätigungselemen­ te zwischen jeweils einem eine Bremsscheibe ersetzenden ersten Hebel und einem anstelle eines Bremssattels ange­ ordneten zweiten Hebel gelenkig gelagert. Bei Trommel­ bremsen wird ein Betätigungselement zwischen einem die Bremstrommel ersetzenden Adapter und einem Adapter, der anstelle einer Ankerplatte gehaltert ist, gelagert. Der erste Hebel bzw. Adapter, der die Bremsscheibe oder -trommel ersetzt, ist fest mit einer Radnabe verbunden, wobei diese in Verbindung mit einem Radersatzkörper steht. Damit vollzieht der erste Hebel auch die Bewegun­ gen des Radersatzkörpers im Raum, die durch dort angrei­ fende Prüfkräfte hervorgerufen werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Betätigungsele­ mente und die zugehörigen Hebel bzw. Adapter annähernd die gleiche Masse aufweisen und den gleichen Bauraum ein­ nehmen wie die mechanischen Elemente der Bremsanlage, die sie ersetzen. Dadurch gleichen die Bedingungen bei dyna­ mischen Prüfvorgängen annähernd den realen Gegebenheiten, und es sind Radersatzkörper einsetzbar, die denen bei Fahrzeugprüfungen ohne Bremsbelastung gleichen.

Bevorzugt kommen als Betätigungselement mit Druckmittel beaufschlagbare Kolben-Zylinder-Anordnungen zur Anwen­ dung. Diese werden ohne Zwischenschaltung eines Pleuels oder anderer Gestänge gelenkig zwischen den beiden oben genannten Hebeln (bzw. Adaptern) gelagert. Damit wirkt die Kolbenkraft immer senkrecht zur Kolbenfläche zwischen den Anlenkpunkten der Hebel, und sich über den Kolbenweg verändernde Reibkräfte werden vermieden.

Es sind Kolben-Zylinder-Anordnungen mit linearem Kolben­ weg, aber auch mit einer kreisbogenförmigen Relativbewe­ gung zwischen Kolben und Zylinder (servohydraulische Ver­ dreher), einsetzbar.

Zur Messung der vom Betätigungselement ausgehenden bzw. der auf dieses einwirkenden Kräfte ist ein Meßelement vorgesehen. Durch Feststellung von Dehnungen eines Bau­ teils innerhalb des Bremskraftflusses sind eindeutige Rückschlüsse auf die wirkenden Kräfte möglich. Von Vor­ teil ist die Verwendung eines Kraftmeßbolzens, der gleichzeitig zur gelenkigen Verbindung des Betätigungs­ elementes mit einem der Hebel dient. Der Kraftmeßbolzen ist mit geringem Aufwand montierbar.

Um auch dynamische Prüfstandsversuche durchführen zu kön­ nen ist neben der nahezu originalgetreuen Anordnung und Ausbildung der Betätigungselemente (anstelle der mechani­ schen Elemente der Bremsen) auch zu gewährleisten, daß sie sehr schnell reagieren, also Bremskräfte schnell auf neue Sollwerte umsteuerbar sind. Somit sind beispielswei­ se ABS-Bremsungen realitätsnah simulierbar. Zur Errei­ chung dieses Ziels sind Servoventile zur Ansteuerung der einzelnen Kolben-Zylinder-Anordnungen sehr dicht bei die­ sen oder im unmittelbaren Kontakt zu diesen anzuordnen. Die dadurch entstehenden kurzen Leitungsverbindungen er­ möglichen extrem schnelle Umsteuervorgänge, die bei lan­ gen Leitungen aufgrund von Totvolumen und Druckwellenver­ lusten nicht möglich sind. Durch automatisierte Ansteue­ rung der Servoventile sind Belastungen am Fahrwerk, die bei Bremsvorgängen entstehen, optimal simulierbar.

Die Erfindung wird detaillierter anhand zweier Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben. Von den zugehörigen Zeichnun­ gen zeigt:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht auf Fahrge­ stellkomponenten eines auf einem erfindungs­ gemäßen Prüfstand befindlichen Kraftfahr­ zeugs in teilweise geschnittener, schemati­ scher Darstellungsweise;

Fig. 2: eine Ansicht nach Fig. 1 mit einem gegenüber Fig. 1 abgewandelt ausgeführtem Betätigungs­ element.

Die in Fig. 1 gezeigten Fahrgestellkomponenten eines Kraftfahrzeugs sind Teil eines Prüfstandaufbaus, wobei ein gesamtes Fahrzeug (vier solcher Radaufhängungen) oder auch eine Achse des Fahrzeugs (zwei Radaufhängungen) auf dem Prüfstand praxisnahen Belastungen ausgesetzt wird. Diverse, für die Erfindung unwesentliche Details des Prüfstandes sind in der Abbildung nicht gezeigt.

An einem Achsschenkel 1 ist ein Stützrohr 2 eines Feder­ beines befestigt. Der Radantrieb erfolgt im Praxisbetrieb über eine Antriebswelle, wobei in der Zeichnung ein homo­ kinetisches Gelenk 3 als Komponente der Antriebswelle ge­ zeigt ist. Eine normalerweise vorgesehene Bremsscheibe ist durch einen ersten Hebel 4 ersetzt worden, der über eine Radnabe 5 um eine Radachse 6 verschwenkbar mit der Antriebswelle in Verbindung steht. Der erste Hebel 4 (Bremsscheibenersatz) ist über die Radnabe 5 und einen Radnaben-Adapter 7 mit einer an sich bekannten 6-Kompo­ nenten-Meßnabe 8 verbunden, an der wiederum ein Rader­ satzkörper 9 verschraubt ist. An dem Radersatzkörper 9 sind zumindest drei nicht in der Figur gezeigte Kolben- Zylinder-Anordnungen gelagert, die sich andererseits an einem Prüfstandsrahmen abstützen. Somit sind die Rader­ satzkörper 9 mit Prüfkräften in Längs-, Quer- und/oder Höhenrichtung, also in allen drei Raumebenen belastbar. Die Belastungszustände werden von der 6-Komponenten-Meß­ nabe 8 erfaßt. Insbesondere werden die Kräfte in den drei Raumebenen und Drehmomente um alle drei Raumachsen gemes­ sen. Die gleiche Meßnabe 8 sollte auch bei Meßfahrten von Fahrzeugen auf der Straße zum Einsatz kommen. Dort werden die Fahrwerksbelastungen bei realem Betrieb erfaßt. Auf dem Prüfstand können die Kolben-Zylinder-Anordnungen zur Belastung der Radersatzkörper 9 dann derart angesteuert werden, daß die Lasten den realen Verhältnissen entspre­ chen. Nach der Sollwert-Programmgenerierung für die An­ steuerung der Kolben-Zylinder-Anordnungen, kann die Meß­ nabe 8 durch einen Ersatzkörper ersetzt werden, um sie zu schonen.

Eine zusätzliche Belastung von Radaufhängungen erfolgt im Praxisbetrieb bei Bremsmanövern. Diese Belastungen konn­ ten bisher nicht realitätsnah nachgebildet werden. Erfin­ dungsgemäß ist ein Betätigungselement in Form einer hy­ draulischen Kolben-Zylinder-Anordnung 10 im freien Bau­ raum innerhalb des Radersatzkörpers 9 angeordnet, wobei ein Kolben 11 mit dem ersten Hebel 4, der als Bremsschei­ benersatz vorgesehen ist, in gelenkiger Verbindung steht. Ein Zylinder 12 der Kolben-Zylinder-Anordnung 10 ist ge­ lenkig an einem zweiten Hebel 13 gelagert. Dieser Hebel 13 ist anstelle eines serienmäßig vorgesehenen Bremssat­ tels an dem Achsschenkel 1 verschraubt. Der erste Hebel 4, die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 und der zweite Hebel 13 ersetzen damit mechanische Elemente der Bremsanlage. Durch das Betätigungselement (= Kolben-Zylinder-Anordnung 10) können bei Druckmittelbeaufschlagung Kräfte erzeugt werden, die nahezu exakt in der Ebene tatsächlicher Bremskräfte liegen. Dabei erfolgt keine unmittelbare Be­ lastung des Radersatzkörpers 9, wie dies im Stand der Technik der Fall ist. Die Elemente zur Bremskraftsimula­ tion haben annähernd die gleiche Masse und befinden sich in annähernd dem gleichen Bauraum wie die entnommenen Elemente der Bremsanlage.

Die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 ist doppelt-wirkend aus­ geführt. Der Kolben 11 kann also lineare Bewegungen in beiden Richtungen senkrecht zur Kolbenfläche ausführen. Die Bewegungen des Kolbens 11 werden über ein Servoventil 14 gesteuert, das unmittelbar am Zylinder 12 angeflanscht ist, so daß sehr kurze Leitungsverbindungen zwischen dem Servoventil 14 und dem Zylinder 12 bestehen. Das Servo­ ventil 14 wird über Leitungen 15, 16 mit Drucköl versorgt und es ist eine Steuerleitung 17 angeschlossen. Die von der Kolben-Zylinder-Anordnung 10 abgegebene bzw. auf die­ se einwirkende Kraft ist von einem Meßelement, insbeson­ dere von einem auf Abscherung belasteten Meßbolzen 18 er­ faßbar. Der Meßbolzen 18 dient gleichzeitig zur gelenki­ gen Lagerung des Zylinders 12 an dem zweiten Hebel 13. Meßsignale, die beispielsweise von Dehnmeßstreifen des Meßbolzens 18 erzeugt werden, werden über eine Meßleitung 19 an eine nicht gezeigte elektronische Regelungseinrich­ tung weitergeleitet. Die im folgenden beschriebene Funk­ tionsweise gewährleistet die Möglichkeit einer äußerst realitätsnahen Simulation von Belastungszuständen:

• 1. Belastung ohne Einwirkung einer simulierten Brems­ kraft: Auf den Radersatzkörper 9 werden von außen Kräfte aufgebracht, die in allen drei Raumebenen wirken können und zur Auslenkung des Radersatzkörpers 9 führen. Die Kräfte werden derart gesteuert, daß über die 5-Komponenten-Meßnabe 8 realitätsnahe Kräfte und Momente erfaßt werden. Dabei kann auch der erste He­ bel 4 (Bremsscheibenersatz) um die Radachse 6 ver­ schwenken, was zur Folge hat, daß eine Kraft (Zug oder Druck) auf die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 und den Meßbolzen 18 wirkt. Die vom Meßbolzen 18 erfaßte Kraft muß den Wert 0 haben, wenn keine Bremsmomente simuliert werden sollen. Dazu wird das Servoventil 14 in Echtzeit angesteuert, so daß der Kolben 11 der Bewegung des ersten Hebels 4 praktisch kraftlos folgt. Diese Prüfstandsversuche können nahezu so er­ folgen, als wäre die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 nicht vorhanden. Beim Prüfstandsbetrieb läuft ein Programm zur Ansteuerung des Servoventils 14 ab, das gewährleistet, daß die vom Meßbolzen 18 gemessene Kraft 0 ist.
• 2. Belastung mit Bremskraftsimulation: Die Belastung des Radersatzkörpers 9 von außen er­ folgt in gleicher Weise wie vorab beschrieben. Jetzt wird das Servoventil 14 jedoch derart angesteuert, daß vom Meßbolzen 18 definierte Bremskräfte erfaßt werden. Diese Bremskräfte führen zu einer Momenten­ belastung exakt dort, wo normalerweise Bremsmomente wirken (zwischen der Befestigung-Bremsscheibe und der Halterung-Bremssattel). Die Steuerung kann der­ art erfolgen, daß eine konstante Bremskraft wirkt. Es können aber auch Bremskräfte, die sich dynamisch verändern, simuliert werden. Somit können auch ABS- Bremsungen nachvollzogen werden. Eine Voraussetzung dafür ist die schnelle Umsteuerbarkeit und die zy­ lindernahe Anordnung des Servoventils 14.

Die Prüfstandsversuche sind besonders kostengünstig rea­ lisierbar, da vorhandene Radersatzkörper 9 und Meßnaben 8 Anwendung finden können. Die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 in Verbindung mit dem Servoventil 14 kann mit geringem Aufwand in den Versuchsaufbau integriert werden, wobei eine gelenkige Verbindung zwischen dem Radersatzkörper 9 und einer Abstützung 20 zu schaffen ist. Damit sind alle Voraussetzungen für eine realitätsnahe Simulation aller, auch dynamischer Belastungen an Radaufhängungen von Kraftfahrzeugen oder deren Achsen gegeben.

In Fig. 2 ist ein gegenüber der Fig. 1 abgewandeltes Aus­ führungsbeispiel gezeigt, wobei jedoch eine vergleichbare Funktionsweise gegeben ist. Als Betätigungselement ist eine Kolben-Zylinder-Anordnung 21 vorgesehen, die als servohydraulischer Verdreher ausgebildet ist. Ein Kolben (Rotor) 22 bewegt sich auf einer Kreisbahn relativ zu ei­ nem Zylinder (Stator) 23. Der Zylinder 23 ist wiederum "stationär" anstelle des Bremssattels am Achsschenkel 1 zu haltern (was nicht gezeigt ist) und der Kolben 22 steht in gelenkiger Verbindung mit einem die Bremsscheibe ersetzenden Hebel. Der Kolben 22 kann auch selbst direkt anstelle der Bremsscheibe in Verbindung mit der Radnabe 5 stehen, wie dies ausgeführt ist. In dieser Ausführung der Erfindung ist die Masse der Kolben-Zylinder-Anordnung 21 zwar etwas höher als im ersten Beispiel, jedoch ist diese Masse sehr gleichmäßig um die Radachse 6 verteilt, was von Vorteil sein kann. Ein Servoventil ist im zweiten Ausführungsbeispiel nicht dargestellt. Es sollte aber, wie in Fig. 1 gezeigt, dicht am Zylinder 23 angeordnet sein. Das Servoventil könnte gemeinsam mit dem Zylinder 23 am Achsschenkel 1 verschraubt werden.

Claims (7)

1. Prüfstand für Kraftfahrzeuge bzw. für Achsen von Kraftfahrzeugen, bei dem Prüfkräfte und -bewegungen in Längs-, Quer- und/oder Höhenrichtung über Rad­ ersatzkörper (9) in das Kraftfahrzeug bzw. die Achse eingeleitet werden und bei dem über Betätigungsele­ mente Bremskräfte erzeugbar und damit Bremsmomente simulierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungselemente als Ersatz von serienmäßig vor­ gesehenen mechanischen Elementen einer Bremsanlage insbesondere gelenkig jeweils zwischen einem eine Bremsscheibe bzw. eine Bremstrommel ersetzenden er­ sten Hebel (4) und einem zweiten Hebel (13), der an­ stelle eines Bremssattels bzw. einer Ankerplatte an einer Fahrgestellkomponente gehaltert ist, derart angelenkt sind, daß Bremskräfte annähernd in einer Original-Bremskraftwirkungsebene und annähernd in einer Original-Bremskraftwirkungsrichtung simulier­ bar sind.

2. Prüfstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Bremsscheibe bzw. -trommel ersetzende erste Hebel (4) indirekt mit dem Radersatzkörper (9) verbunden ist.

3. Prüfstand nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Betätigungselement und der zu­ gehörige erste Hebel (4) und zweite Hebel (13) in der Summe etwa die gleiche Masse haben und etwa in dem gleichen Bauraum angeordnet sind, wie die ent­ nommenen serienmäßig vorgesehenen Elemente der Bremsanlage.

4. Prüfstand nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsele­ ment eine doppelt-wirkende Kolben-Zylinder-Anordnung (10; 21) ist, deren Kolben (11; 22) sich bei Beauf­ schlagung mit Druckmittel relativ zum Zylinder (12; 23) auf einer Geraden oder auf einer Kreisbahn be­ wegt.

5. Prüfstand nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Meßelement, über welches die vom Betätigungselement ausgehenden sowie die auf das Betätigungselement einwirkenden Kräfte meßbar sind.

6. Prüfstand nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ei­ nen Meßbolzen (18) als Meßelement, der gleichzeitig zur gelenkigen Lagerung des Betätigungselementes an dem ersten Hebel (4) oder dem zweiten Hebel (13) dient.

7. Prüfstand nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder- Anordnung (10; 21) über ein unmittelbar in ihrer Nä­ he angeordnetes Servoventil (14) mit Druckmittel be­ aufschlagbar ist, wobei die vom Meßelement erfaßte Kraft durch Ansteuerung des Servoventils (14) in ei­ nem Regelkreis an vorgebbare Sollwerte annäherbar ist.