DE3507957A1

DE3507957A1 - Einrichtung zum bestimmen von auf ein messobjekt wirkenden momenten

Info

Publication number: DE3507957A1
Application number: DE19853507957
Authority: DE
Inventors: Hans W. Dipl.-Ing. Häfner (FH), 8890 Aichach
Original assignee: Pfister GmbH
Current assignee: Pfister GmbH
Priority date: 1985-03-06
Filing date: 1985-03-06
Publication date: 1986-09-11
Also published as: US4662217A; EP0193857A2; EP0193857A3; DE3507957C2; EP0193857B1; CA1264020A; DE3673841D1

Description

Einrichtung zum Bestimmen von auf ein Meßobjekt wirkenden

Momenten

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen von auf ein Meßobjekt wirkenden Momenten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der Zeitschrift "SENSE", Band 8, Nr. 5, September/ Oktober 82, Seiten 2/3 ist eine derartige auch als Windkanalwaage bezeichnete Einrichtung bekannt, bei der neben den vier vertikalen an den Rädern eines Kraftfahrzeugs wirkenden Kräften unter Verwendung des Achsabstandes al und d r Spurweite a2 auch das Kipp- und Rollmoment Mx, My bestimmt werden können. Derartige Windkanalwaagen werden von der Anmelderin bereits hergestellt und vertrieben. Bei der bekannten Einrichtung erfolgt die Krafteinleitung vom Rad des Kraftfahrzeugs über einen Doppelexzenterarm und ein Kraftübertragungsglied direkt auf eine Kraftmeßeinrichtung. Nachteilig ist dabei, daß der Achsabstand und die Spurweite wegen der Reifenaufstandsfläche und wegen Fertigungstoleranzen nicht genau bestimmt sind.

Insbesondere kann der tatsächliche Krafteinleitungspunkt unter jedem Rad mit dem durch die Einstellung des Kraftübertragungsgliedes vorgegebenen Krafteinleitungspunkt nicht übereinstimmen. Hinzukommt, daß die Anwendung von Kräften auf das Meßobjekt eine Verschiebung desselben bewirken kann, was den Abstand zwischen dem tatsächlichen Krafteinleitungspunkt und dem eingestellten Krafteinleitungspunkt weiter verändert. Derartige Verschiebungen verfälschen die Messungen für das Kipp- und Rollmoment Mx, My.

Andererseits besteht die Möglichkeit, die Messung waagenbezogen durchzuführen, wobei im Falle des Beispieles der Windkanalwaage für Kraftfahrzeuge pro Rad je eine Säule in den Ecken eines Rechtecks angeordnet ist, an deren oberen Enden jeweils ein Doppelexzenter sitzt. Für die Bestimmung des Kipp- und Rollmoments Mx, My wird dann als Momentenarm der jeweilige Abstand zweier Säulen bl bzw. b2 verwendet (vgl. Fig. 1). Hierbei können zwar die Einflüsse eine Verschiebung der Krafteinleitungspunkte zumindest teilweise eliminiert werden; es tritt jedoch bei Kraftanwendung auf das Kraftfahrzeug eine Verschiebung der Karosserie gegenüber dem Untergestell mit Motor und Rädern auf, die zu einer Verschiebung des tatsächlichen Schwerpunkts führt , was wiederum die Meßergebnisse verfälschen kann.

In der Deutschen Patentanmeldung P 34 42 005.3 ist eine Einrichtung gemäß der eingangs genannten Art beschrieben, die sowohl eine objektbezogene, als auch eine waagenbezogene Messung ermöglicht. Die Offenbarung dieser Patentanmeldung wird hiermit vollständig zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht. Die Einrichtung gemäß dieser Patentanmeldung berücksichtigt jedoch nicht eine Fahrzeugverschiebung bei der objektbezogenen Messung und auch nicht die Schwerpunktsverschiebung bei der waagenbezogenen Messung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der genannten Art anzugeben, mit der bei der Bestimmung des Kipp- und Rollmoments Mx, My eine Verschiebung des Meßobjekts bezüglich der Meßanordnung kompensiert wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es auf einfache Weise, den Abstand zwischen dem tatsächlichen und dem eingestellten Krafteinleitungspunkt festzustellen und für eine Kompensation bei der Momentenbildung zu berücksichtigen.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung und ein Verfahren zum Kompensieren von Fehlern bei der Kipp- und Rollmomentenbildung sind in den ünteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen

Fig. 1 eine Seitenansicht der Gesamtanordnung

einer Windkanalwaage für Kraftfahrzeuge, die das Ausführungsbeispiel darstellt,

Fig. 2 und 3 jeweils um 90° verdrehte Teilschnittseitenansichten der Vorrichtungen zum Kompensieren von Fahrzeugverschiebungen bei der Bestimmung des RoIlg₅ und Kippmoments.

-4-

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht einer sogenannten Windkanalwaage, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung darstellt. Auf einer Basis 16 sind an den Ecken eines Rechtecks vier Säulen 50 vorgesehen, die jeweils einen Doppelexzenter 14 aufweisen. Die vier Säulen 50 sind durch einen Momentenrahmen 52 miteinander verbunden, so daß ihre Abstände voneinander, nämlich bl in der Zeichnungsebene der Fig. 1 und b2 senkrecht zur Zeichnungsebene exakt festgelegt sind.

über die Exzenter 14 können Krafteinleitungsstützen 10 (vgl. auch Fig. 2 und 3) entsprechend dem Spur- und Achsabstand der Räder 70 eines Kraftfahrzeugs eingestellt werden. Der Achsabstand ist mit al und der Spurabstand mit a2 bezeichnet.

Das Kippmoment Mx ergibt sich aufgrund der über die einzelnen Räder wirkenden vertikalen Kraft- oder Auftriebskomponenten Zl, Z2, Z3, Z4 wie folgt:

Mx = ((Z₁ + Z₂) - (Z₃ + Z₄)) χ S₁

Das Rollmoment My ergibt sich wie folgt: My = ((Z₁ + Z₃) - (Z₂ + Z₄)) χ a₂

Hierbei wurde von der objektbezogenen Messung ausgegangen, nämlich von der Spurweite und dem Achsabstand des Fahrzeugs.

Mit einer anderen Anordnung, wie sie auch in der genannten Deutschen Patentanmeldung P 34 42 005.3 beschrieben ist, läßt sich eine waagenbezogene Bestimmung der Momente Mx, My unter Verwendung der Abstände b,, b₂ durchführen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Ausbildung einer der vier Krafteinleitungsstützen 10 zur Feststellung des Ausmaßes der Verschiebung zwischen dem tatsächlichen Krafteinleitungspunkt und dem eingestellten Krafteinleitungspunkt, dessen Position in an sich bekannten Recheneinrichtungen für die Berechnung der Kräfte und Momente gespeichert ist. Im einzelnen zeigen die Fig. 2 und 3 zueinander um 90° versetzte Ansichten einer Abstützung 10 (Fig. 1). Auf einer Krafteinleitungsplatte 20 steht das Rad 70 auf, und zwar mit einem angenommenen Krafteinleitungspunkt 42. Die Krafteinleitungsplatte 20 ist auf der ebenen Fläche eines Zylinderabschnitts 22 befestigt, dessen virtuelle Achse durch den Krafteinleitungspunkt 42 verläuft. Die nach unten durchgewölbte Zylinderfläche ist in einem weiteren Zylinderabschnitt 26 über hydrostatischer Lager 28 reibungsfrei gelagert, wobei die virtuelle zentrale Achse des Zylinderabschnitts 26 senkrecht zur Achse des Zylinderabschnitts 22 durch den angenommenen Krafteinleitungspunkt 42 verläuft. Die nach unten durchgewölbte Zylinderfläche des Zylinderabschnitts 26 ist wiederum im Inneren einer Kugelkalotte 30 über hydrostatische Lager 28 reibungsfrei gelagert. Die Kugelkalotte 30 stützt sich nach unten in einer rohrförmigen Halterung 32 der Abstützung 10 ab und ist andererseits auf ihrer nach unten durchgewölbten Kugelfläche mit tuNfctlPostatischen Lagern 34 versehen, gegen die ein Vorspannelement 36 drückt.

Der Zylinderabschnitt 26, die Kugelkalotte 30 und das Vorspannelement 36 besitzen eine zentrale Bohrung längs einer senkrechten Achse durch den Krafteinleitungspunkt 42, wobei durch die Bohrung längs dieser zentralen Achse eine Säule 40 geführt ist, die an der Unterseite des Zylinderabschnitts 22 befestigt ist. Das untere Ende der Säule 40 ist über je ein Gelenk mit einer Kraftmeßzelle 46 und 48 verbunden, die unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind und sich an der Innenseite des Rohres 32 abstützen. Mittels einer Befestigungsvor-

richtung 42, etwa eines Schraub- oder Klemmringes, werden die übereinander angeordneten Elemente 22, 26, 30 und 36 gegeneinander spielfrei vorgespannt.

Die mit ihren virtuellen Zentrumsachsen zueinander senkrecht verlaufenden Zylinderabschnitte ergebenen eine reibungs- und rückwirkungsfreie Lagerung mit kardanischen Freiheitsgraden in X- und Y-Richtung. Die Säule 40 weist genügend Spiel in der durch die Lagerelemente laufenden Bohrung auf, um maximal mögliche Verschiebungen des Krafteinleitungspunktes um die Abstände dx und dy rückwirkungsfrei an die Kraftmeßzellen 46 und 48 weitergeben zu können.

Nachstehend sei das Funktionsprinzip und die daraus sich ergebende Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung näher erläutert:

Sowohl bei dem Anbringen des Meßobjekts, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, auf den Krafteinleitungsplatten 10 als auch bei der Anwendung von Kräften auf das Meßobjekt, insbesondere eines strömenden Mediums, ergeben sich Verschiebungen von dem im Rechensystem eingestellten Sollkraft-Einleitungspunkt 42. Derartige Verschiebungen ergeben sich bei einem Fahrzeug mit blockiertem Fahrsystem einmal aus den durch das Windprofil gegebenen Störkräften selbst, zum anderen aus der Masse des Fahrzeuges, der Achslastverteilung sowie dem Fahrwerk, wobei letzteres die Einflüsse von Reifen, Lenkelastizität und Federungskennung zusammengefaßt wiedergibt. Soll nun das Kipp- und Rollmoment Mx bzw. My bestimmt werden, dann ergeben sich aus einer Verschiebung des Sollkraft-Einleitungspunktes 42 zu einem Istkraft-Einleitungspunkt 44 Veränderungen in den Momentenarmen, die das Ergebnis verfälschen. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung werden deshalb auf einfache Weise die Ver-

λ A
Schiebungen JPx und Dy festgestellt und bei der Berechnung

berücksichtigt.

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich aus der Gleichung

M=FXd (1) 5

also der üblichen Momentengleichung, aus der sich bestimmen läßt

d = M/F (2)

Durch die Verschiebung des Krafteinleitungspunktes vom Punkt 42 zum Punkt 44 ergibt sich ein Momentenarm dx bzw. dy, der unter Einwirkung der im Ruhezustand feststellbaren, senkrecht nach unten wirkenden Einzelradkraft Z ein Moment Δ Mx bzw. Δ My bildet, welches mittels der Kraftmeßzellen 48 bzw. 46 gemessen wird. Aus der Vertikalkraft Z und den Momenten Δ Mx und Λ My läßt sich dann nach Gleichung (1) auf einfache Weise berechnen,

dx = Δμχ/Ζ (3)

dy = Δ My/Z ( 4 )

Dem Fachmann ist verständlich, daß mittels der Kraftmeßzellen 46 bzw. 48 auf einfache Weise die Momente Δ My und Δ Mx aus dem Hebelarm D zwischen dem Sollkraft-Einleitungspunkt 42 und dem Anlenkpunkt 56 der Kraftmeßzellen und der durch die Kraftmeßzellen 46 und 48 bestimmten Kräfte berechnet werden kann.

Im einzelnen verläuft nun das Verfahren zum Bestimmen des Kipp- und Rollmoments wie folgt:

Das Kraftfahrzeug wird mit seinen Rädern 70 möglichst genau auf die Krafteinleitungsplatten 20 gestellt, so daß dx und dy im unbeeinflußten Zustand möglichst klein sind. Nun wird die Vertikalkraft Z in bekannter Weise für die einzelnen Räder gemessen und mittels der Kraftmeßzellen

46 und 48 ein etwa im Ruhezustand noch vorhandenes Störmoment Λ Mx bzw. Λ My festgestellt und in die an sich bekannte Recheneinrichtung eingegeben.

Nun wird das Kraftfahrzeug den gewünschten Windströmungen ausgesetzt, wodurch sich im allgemeinen die Abstände dx und dy verändern werden. Diese Abstände dx und dy werden dann in vorstehend beschriebener Weise über die Messung der nunmehrigen Störmomente Λ Mx bzw. Δ My ausgerechnet und im Rechensytem bei der Bestimmung des Kipp- und Rollmoments Mx, My berücksichtigt.

Wird die erfindungsgemäße Einrichtung bei einem waagenbezogenen Meßsystem verwendet, dann dient die Feststellung der Verschiebungen dx und dy dazu, die Verschiebung des Schwerpunkts des Kraftfahrzeugs festzustellen und bei den Berechnungen zu berücksichtigen.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden zwei Zylinderabschnitte 22 und 26 mit zueinander senkrechten zentralen Achsen verwendet, um kardanische Freiheitsgrade in X- und Y-Richtung zu erreichen. Bei einer anderen Ausführungsform könnten die beiden Zylinderabschnitte durch ein Kugelkalotte ersetzt werden. Hierbei wäre es sicherzustellen, daß die Kugelkalotte gegen eine Verdrehung um eine vertikale Achse gesichert ist.

Obwohl die erfindungsgemäße Einrichtung anhand einer Windkanalwaage mit Einzelradabstützung beschrieben wurde, kommen auch andere Anwendungsgebiete in Frage, und zwar überall dort, wo entweder eine genaue Ausrichtung eines Meßobjekts auf den Krafteinleitungspunkt nicht oder nur schwer möglich ist und/oder dort, wo die Krafteinwirkung eine Verschiebung des Krafteinleitungspunkts erfolgt.

Die Lagerflächen zwischen den Elementen 22, 26, 30 und sind hochgenau gearbeitet. Die Vorspannung mittels des Vorspannelementes 36 gewährleistet eine Kippsicherheit der Einrichtung und eine hochgenaue Fixierung der Bezugsachsen.

Abschließend sei noch daraufhingewiesen, daß die Kraft Z wie beispielsweise in der deutschen Patentanmelduna P 34 42 005.3 beschrieben, mittels einer Kraftmeßzelle gemessen wird, die in der Säule 50 angeordnet ist.

Al

- Leerseite -

Claims

-IA- Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen eines auf ein Meßobjekt um eine vorbestimmte Achse wirkenden Moments (z. B.

Kippmoment) aus der zu der Achse in Abstand von dieser wirkenden Komponente von am Meßobjekt angreifenden Kräften, wobei die Kraftkomponente an einem Krafteinleitungspunkt in eine Meßeinrichtung eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch eine Verschiebung des Meßobjekts bewirkte Verschiebung des Krafteinleitungspunktes dadurch kompensiert wird, daß die Kraftkomponente (Z) gemessen wird, daß das bezüglich des angenommenen Krafteinleitungspunktes (42) aufgrund _on der Kraftkomponente (Z) und der Verschiebung (dx bzw. dy) wirkende Moment (Λμχ bzw.A My) festgestellt, daraus die Verschiebung (dx, dy) bestimmt und bei der Momentenbildung berücksichtigt wird.

_OK

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Bestimmung von auf das Meßobjekt um zwei zueinander winkelmäßig versetzte Achsen wirkenden Momenten (Kippmoment Mx, Rollmoment My) mit der gleichen Kraftkomponente (Z) die Verschiebungen (dx, dy) des Krafteinleitungspunktes in Richtung beider Achsen

festgestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung (dx, dy) vor Einwirken von

Kräften auf das Meßobjekt anhand des Gewichts bzw. 35

Gewichtsanteil desselben festgestellt wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Krafteinleitungsplatte, auf der das Meßobjekt angeordnet ist, einer Vorrichtung zum Messen der über das Meßobjekt auf die Krafteinleitungsplatte ausgeübten Kraft, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungsplatte (20) um den angenommenen Krafteinleitungspunkt (42) reibungsfrei schwenkbeweglich angeordnet ist und daß die Krafteinleitungsplatte über einen Hebelarm mit mindestens einer Kraftmeßvorrichtung (46, 48) verbunden ist, die senkrecht zur auf die Krafteinleitungsplatte (20) ausgeübten Kraft (Z) an dem Hebelarm (D) angreift.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungsplatte (20) in zwei zueinander versetzten Richtungen schwenkbeweglich ist und zwei in diesen Richtungen angreifende Kraftmeßvorrichtungen (46, 48) vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Krafteinleitungsplatte (20) verdrehungsfei gelagert ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung über eine hydrostatisch gelagerte Kugelkalotte'erfolgt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für eine schwenkbewegliche Lagerung die Krafteinleitungsplatte (20) mittels zwei übereinander angeordneten hydrostatisch gelagerten Zylinderabschnitten (22, 26) reibungsfrei abgestützt ist, deren zentrale Achsen zueinander senkrecht stehen und durch den angenommenen Krafteinleitungspunkt (42) verlaufen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Zylinderabschnitt (26) in einer Kugelkalotte (30) hydrostatisch gelagert ist, deren nach unten gewölbte Kugelfläche in einem Vorspannelement

(36) hydrostatisch gelagert ist, wobei die Kugelkalotte (30) ortsfest bezüglich des Krafteinleitungspunktes (42) angeordnet ist und von dem oberen Zylinderabschnitt (22) ein Verbindungselement zu den Kraftmeßvorrichtungen (46, 48) durch die unter dem oberen Zylinderabschnitt (22) liegenden Elemente verläuft.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß über das Verbindungselement (40) das Vorspannelement (36) die Zylinderabschnitte (22, 26) und die Kugelkalotte (30) spielfrei zusammenhält.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement

(40) mit Spiel durch den unteren Zylinderabschnitt (26) und die Kugelkalotte (30) geführt ist.