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Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen eines Drehmomenterzeugers Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Drehmomenterzeugers mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1 (DE-A1-32 25 035), sowie eine Vorrichtung hierzu.
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In der Deutschen Offenlegungsschrift 32 25 035 ist eine Anordnung
zum Prüfen eines Drehmomenterzeugers beschrieben, der im realen Einsatz ("Normalzustand")
an eine Last mit vorgegebenem Last-Trägheitsmoment und vorgegebenem Last-Drehmoment
angeschlossen ist. Insbesondere kann es sich beim Drehmomenterzeuger um einen Verbrennungsmotor
handeln, der im Normalzustand z.B. ein Fahrzeug antreibt, dessen Masse auf den Motor
als Last-Trägheitsmoment wirkt, während ein auf das Fahrzeug wirkendes Gegenmoment
(z.B. der Fahrwiderstand und/oder ein Hangabtrieb bei Schrägfahrt) das Last-Drehmoment
darstellt.
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Es ist nun üblich, derartige Motoren nicht im "Normalzustand" zu prüfen,
d.h. nicht in einer realen Prüffahrt mit dem tatsächlichen Fahrzeug. Vielmehr wird
das Fahrzeug in einem stationären Prüfstand durch einen elektrischen Antrieb simuliert,
wobei das Trägheitsmoment dieses Antriebs aus technischen Gründen häufig um Größenordnungen
von dem Trägheitsmoment der zu simulierenden Last abweicht. Um z.B. einen Beschleunigungsvorgang
zu simulieren, muß somit der elektrische Antrieb nicht nur das im realen Fall zwischen
Motor und Fahrzeug wirkende Austauschmoment, sondern auch das erforderliche Drehmoment
zur Beschleunigung des Antriebs-Trägheitsmomentes des elektrischen Antriebs selbst
aufbringen.
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Daher ist in dieser Offenlegungsschrift vorgesehen, zur Simulation
eines realen Lastzustandes des Drehmomenterzeugers vorprogrammierte Werte für das
Last-Drehmoment und das Last-Trägheitsmoment vorzugeben und im Prüfstand, in dem
der Drehmomenterzeuger an den elektrischen Antrieb gekoppelt ist, ein dem Drehmomenterzeuger
zugeordnetes momentanes Prüflings-Drehmoment zu messen. Als momentanes Prüflings-Drehmoment
könnte z.B. das Beschleunigungsmoment des Motors gemessen werden; insbesondere kann,
wie in dieser Offenlegungsschrift vorgeschlagen ist, das durch die Verbrennungsvorgänge
hervorgerufene innere Drehmoment des Motors oder das zwischen Motor und Antrieb
ausgetauschte Austauschmoment gemessen oder aus geeigneten Meßwerten berechnet werden.
Aus den momentanen Prüflings-Drehmoment und den für die Simulation vorgegebenen
Momenten wird dann der Sollwert für die Steuerung bzw. vorzugsweise für eine Momentenregelung
des elektrischen Antriebs errechnet.
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Dadurch ist es möglich, Betriebszustände zu simulieren, bei denen
der Drehmomenterzeuger (Motor) starr an eine ebenso starre Schwungmasse der Last
gekoppelt ist. Figur 1 zeigt somit das nach dem bekannten Verfahren simulierbare
System, bei dem der Drehmomenterzeuger als Prüfling 1 mit dem Trägheitsmoment T1
(in diesem Fall dem Trägheitsmoment TV des Verbrennungsmotors) über eine starre
Welle mit der Last 2' gekoppelt ist, die das bekannte Trägheitsmoment T2' (in diesem
Fall das Trägheitsmoment TF des Fahrzeugs) gekoppelt ist. Der Verbrennungsmotor
bringt das Drehmoment MV auf, z.B. das innere Drehmoment Ml, das der Prüfling auch
im Prüfstand liefert. Entsprechend dem zu simulierenden Betriebs zustand ist im
Fahrzeug das Fahrmoment MF durch ein entsprechendes Last-Moment M2' zu simulieren.
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Bild 2 zeigt den bekannten Prüfstand in einem Strukturbild. Der Prüfling
1 ist dabei als Integrator mit der
Integrationskonstruktanten 1/(T1
+ T2) dargestellt, da im Prüfstand die gemeinsame Schwungmasse von Prüfling (Trägheitsmoment
Tl) und Antrieb (Trägheitsmoment T2) mit einem Beschleunigungsmoment MB beschleunigt
wird, das nur durch den über das innere Moment Ml des Prüflings überschießenden
Teil des elektrischen Antriebsmoments M2 gegeben ist, also durch die Differenz M2
- Ml. Der simulierende elektrische Antrieb 2 ist einschließlich seiner Regelung
dargestellt durch eine Vergleichsstelle 3 für Sollwert M2* und Istwert M2 des elektrischen
Antriebsmomentes, wobei ein nachgeordneter Momentenregler 4 den elektrischen Antrieb
steuert, der als Dynamikglied 5 symbolisch dargestellt ist.
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In der Offenlegungsschrift ist abgeleitet, daß für den Simulationsbetrieb
das vom elektrischen Antrieb aufzubringende Moment M2 gegeben ist durch M2 = M2'
+ (M2 - M1) . (T2 - T2')/(T1 + T2).
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Setzt man für M2 in dieser Beziehung den entsprechenden Sollwert M2*
ein, so folgt daraus M2* = M2' . (T1 + T2)/(Tl + T2') - M1 . (T2 - T2'/(Tl+T2'),
und es ergibt sich, daß aus einem als Prüfprogramm-Geber dienenden Rechner 6 aus
dem vorgegebenen Last-Drehmoment M2' und dem vorgegebenen Last-Trägheitsmoment T2',
die im Prüfprogramm den jeweiligen Lastzustand (Fahrzeug-Gegenmoment MF, Fahrzeug-Trägheitsmoment
TF) beschreiben, in einem Sollwertgeber 7 der Drehmoment-Sollwert M2* nach der angegebenen
Rechenstruktur ermittelt wird. Die Offenlegungsschrift gibt dabei verschiedene vorteilhafte
Ausbildungen des Sollwertgebers an. Diesen verschiedenen Varianten ist gemeinsam,
daß der Sollwertgeber aus dem im Prüfprogramm vorgegebenen, dem jeweils zu simulierenden
Lastzustand entsprechenden Last-Drehmoment M2' und aus dem entsprechenden Last-Trägheitsmoment
T2' einen zum momentanen Prüflings-Drehmoment Ml gehörenden Drehmomentsollwert M2*
berechnet. Die endliche Schwungmasse des Fahrzeugs (T2'* 0) wird durch eine von
den Trägheiten
bestimmte Gewichtung der Drehmomente berücksichtigt,
in die jeweils das Last-Trägheitsmoment T2' eingeht.
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Es hat sich aber gezeigt, daß diese Simulation, bei der die Last als
eine starre Schwungmasse und die Ankopplung der Last an den Drehmomenterzeuger als
starre Verbindung angenommen wird, das tatsächliche Verhalten des Drehmomenterzeugers
im Realbetrieb nur unvollständig zu simulieren gestattet.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Prüfung des Drehmomenterzeugers
auch in den Fällen zu ermöglichen, in denen in der Last dynamische Vorgänge, die
z.B. durch eine elastische Verkopplung mehrerer Teil-Lastträgheitsmomente untereinander
und mit dem Drehmomenterzeuger bedingt sind, berücksichtigt werden müssen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2. Anhand von
drei weiteren Figuren und einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.
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Figur 3 zeigt in einer Prinzipdarstellung das im Prüfstand zu simulierende
System, Figur 4 dient zur Erläuterung der der Simulation zugrunde liegenden Betrachtungsweise,
und Figur 5 zeigt eine von Figur 2 ausgehende, erfindungsgemäße erweiterte Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Im einfachsten Fall handelt es sich darum, daß im realen Betriebszustand
der Drehmomenterzeuger (Prüfling 1, Trägheitsmoment T1) über eine elastische Kopplung
an eine starre Last-Schwungmasse, deren Trägheitsmoment im Prüfprogramm-Geber durch
das entsprechende Trägheitsmoment TF gegeben ist, gekoppelt ist. Die elastische
Kopplung ist
durch eine Feder mit der Federkonstanten CF dargestellt.
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Dem normalen Betriebs zustand entspricht dabei das Drehmoment MV des
Drehmomenterzeugers (Verbrennungsmotor, bekanntes Trägheitsmoment TV = T1) und das
Last-Drehmoment MF, das ebenfalls im Prüfprogramm-Geber enthalten ist.
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Während das Moment MV z.B. durch einen Drehmomentaufnehmer 10 (Fig.
4) als Meßwert M1 erfaßt werden kann, kann nun der im Prüfprogrammgeber gespeicherte,
von M1 unabhängige Wert MF nicht mehr gleich dem Wert M2' gesetzt werden, der an
der Nahtstelle zwischen Last und Prüfling auftritt und den Lastzustand dynamisch
richtig beschreibt.
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Um daher im Prüfstand den realen Lastzustand dynamisch richtig simulieren
zu können, ist nach Figur 4 ein Lastmodell 11 vorgesehen, das Last und Drehmomenterzeuger
einschließlich der dynamsichen Kopplung zwischen dem Drehmomenterzeuger und dem
Last-Trägheitsmoment bzw. bei einem komplizierteren Aufbau der Last einschließlich
der wechselseitigen dynamischen Kopplungen zwischen Drehmomenterzeuger und den Teilträgheitsmomenten
der Last nachbildet.
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Ein derartiges Lastmodell kann z.B. mechanisch aufgebaut sein. Mit
nV und nF ist jeweils die Drehzahl des Drehmomenterzeugers und der Last (bzw. der
die Last nachbildenden Schwungmasse mit dem gegebenen Last-Trägheitsmoment TF) bezeichnet.
Drehmomenterzeuger und Last werden dabei mit unterschiedlichen Drehmomenten MF und
MV beschleunigt.
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Die zur Nachbildung der elastischen Kopplung verwendete Feder wirkt
auf die Last mit einem Feder-Drehmoment MFe, das gleich dem Torsionsmoment der Feder
und damit gleich dem Reaktionsmoment des Drehmomenterzeugers ist. Die Feder selbst
kann als masselos angenommen werden, so daß auf das an der Feder angreifende Wellenende
des Drehmomenterzeugers das entsprechende Moment MFe = M2' wirkt, das
im
Prüfstand vom elektrischen Antrieb zu simulieren ist.
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Entsprechend der verschwindenden Trägheit der Feder ist dieser Feder
aber jetzt das zu simulierende Trägheitsmoment T2' = 0 zuzuordnen.
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Das Lastmodell bildet also aus den vorprogrammierten Werten MF und
TF sowie dem Meßwert M1 unter Berücksichtigung des bekannten Trägheitsmomentes TV
des Drehmomenterzeugers einen Modellwert M2', der an einem geeigneten Abgriff 12
erfaßt und dem bekannten Sollwertgeber als Wert für das zu simulierende Last-Drehmoment
zugeführt werden kann.
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In diesem Sollwertgeber wird dann auch der vorgegebene Wert TF nicht
mehr berücksichtigt, wie Figur 5 zeigt.
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Dabei ist zunächst der Drehmomenterzeuger 1 und der elektrische Antrieb
2 entsprechend der Strukturdarstellung der Figur 2, sowie der als Prüfprogramm-Geber
dienende Rechner 6 zur Vorgabe der dem Prüfprogramm entsprechenden Werte TF und
MF wiedergegeben. Ferner kann der Sollwertgeber 7 ohne schaltungstechnische Veränderung
übernommen werden, wobei aber jetzt zu berücksichtigen ist, daß anstelle des Last-Trägheitsmomentes
nach Fig. 2 (d.h. anstelle T2' = TF) der Parameter T2'=0 zu setzen ist. Außerdem
ist der Eingang des Sollwertgebers 7 für den Wert M2' nicht mehr direkt mit dem
Prüfprogramm-Geber 6 zu verbinden, vielmehr ist hier ein elektronisches Modell 12
zwischengeschaltet, das den durch die vorprogrammierten Werte TF und MF beschriebenen
Lastzustand entsprechend dem im Prüfbetrieb gemessenen momentanen Prüflings-Drehmoment
M1 berechnet und somit den Wert M2' als Modellwert liefert. Dieser ist einerseits
dem durch MF und TV im Prüfprogramm erfaßten und im Prüfstand zu simulierenden realen
Betriebszustand zugeordnet, erfaßt jedoch gleichzeitig über den Meßwert Ml auch
den jeweiligen Zustand des im Prüfstand laufenden Drehmomenterzeugers.
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Daher gibt M2' an, welches Drehmoment jeweils beim tatsächlichen Betrieb
des Prüfstandes von dem elektrischen Antrieb simuliert werden muß.
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Der Aufbau des elektronischen Modells 12 kann den jeweiligen Verhältnissen
entsprechend verändert werden. Das Ziel der Simulation ist, daß die Drehzahl des
elektrischen Antriebs gleich der Drehzahl nF des Fahrzeugs (Last) im realen, durch
MF und TF bestimmten Betrieb wird. In dem gewählten einfachen Beispiel wird daher
aus dem vorprogrammierten Last-Drehmoment MF und dem (vom elektronischen Modell
12 gebildeten und zu simulierenden) Drehmoment M2' = MFe das Beschleunigungsmoment
für den elektrischen Antrieb gebildet. Daraus wird durch Integration mit der Integrationskonstanten
TF, die dem Prüfprogramm-Geber 6 entnommen ist, die Drehzahl nF ermittelt. Diese
Drehzahl ist gleich der Summe aus der Drehzahl nV des Prüflings und der Relativgeschwindigkeit
zwischen Drehmomenterzeuger und Antrieb (bzw. simuliertem Fahrzeug). Durch Integration
der Drehzahldifferenz nF - nV unter Berücksichtigung der durch die Federkonstanten
CF gegebenen Integrationszeitkonstanten ergibt rdaher das Moment MFe, das im realen
Betrieb auf den Drehmomenterzeuger einwirkt und daher dem Sollwertgeber 7 am Eingang
für M2' zur Bestimmung des vom elektrischen Antrieb zu simulierenden Drehmomentes
eingegeben wird. Aus diesem Moment MFe wird nun unter Berücksichtigung des momentanen
Prüflings-Drehmoments M1 durch Integration mit der Zeitkonstanten 1/TI die Drehzahl
nV des Drehmomenterzeugers gebildet, die zur Bildung der Relativgeschwindigkeit
NF- nV benötigt wird.
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Gemäß der Erfindung ist es somit möglich, auch die Wirkung von Kupplungen,
Getrieben und anderen dynamischen, insbesondere elastischen Kupplungen innerhalb
einer von einem Drehmomenterzeuger angetriebenen Anordnung nachzubilden, wobei z.B.
auch Schaltvorgänge dynamisch geprüft werden können.
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