DE3612599A1 - Verfahren zur bestimmung der auf ein fahrzeug wirkenden luftkraefte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der auf ein Fahrzeug wirkenden Luftkräfte.

Die erforderliche Antriebsleistung und die Fahreigenschaften eines schnell fahrenden Fahrzeuges sind in entscheidendem Maße von den wirkenden Luftkräften abhängig. Der Energieverbrauch ist dabei bei einem Verbrennungsmotor der Kraftstoffverbrauch und bei einem Elektromotor die verbrauchte elektrische Leistung.

Zur Bestimmung der auf das Fahrzeug wirkenden Luftkräfte sind einmal Windkanaluntersuchungen mit realen Fahrzeugen bzw. Modell­ fahrzeugen und Ausrollversuche auf einer Fahrbahn üblich.

Windkanalversuche finden unter idealisierten Strömungszuständen statt, die im realen Fahrbetrieb nicht existieren. Seitenwinde und Windböen können nur bedingt und mit erheblichem experimen­ tellen Aufwand im Windkanal erzeugt werden. Besondere Schwierig­ keiten macht dabei die relative Bewegung zwischen Fahrzeug und Straße, die im Windkanal nur mit dem Einsatz von speziellen und kostspieligen Einrichtungen annähernd realisiert werden kann. Weiter ist die Simulation von drehenden Rädern im Windkanal problematisch. Wegen der endlichen Abmessungen des Windkanal­ strahls und der Entstehung einer Grenzschicht an der Bodenplatte müssen Windkanalergebnisse korrigiert werden. Die Zuverlässigkeit und Allgemeingültigkeit der Korrekturverfahren ist nicht voll abgesichert. Windkanalergebnisse liefern im allgemeinen nur Auskunft über statische Luftkräfte.

Ausrollversuche finden zwar unter realen Verhältnissen statt, sie ermöglichen aber nur die Bestimmung des Luftwiderstandes. Das Fahrzeug wird hierbei auf eine bestimmte Geschwindigkeit be­ schleunigt und rollt dann ohne Antrieb aus. Die Verzögerung beim Ausrollen ist hierbei ein Maß für die auf das Fahrzeug einwir­ kenden Luft- und Rollwiderstandskräfte. Die Trennung zwischen der Roll- und Luftwiderstandskraft geschieht durch einen zusätzlichen Versuch. Hierbei wird der Rollreibungswiderstand bestimmt. Dieser Zusatzversuch kann z.B. auf einem Rollenprüfstand durchgeführt werden, oder aber als Schleppversuch, bei dem die Karosserie von der Luft abgeschirmt wird. Fehler entstehen dadurch, daß die Bestimmung von Luft- bzw. Rollreibungswiderstandskräften nach­ einander geschieht, und damit nicht identische Wetter- und Straßenverhältnisse gegeben sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem die statischen und dynamischen Luftkräfte - das sind Auftriebs-, Widerstands- und Seitenkraft sowie Roll-, Gier- und Nickmoment, an bodengebundenen Fahrzeugen während der Fahrt ermittelt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch die im Kenn­ zeichen des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung des Verfahrens und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, unter realen Fahrbedingungen, die auf das Fahrzeug wirkenden statischen und dynamischen Luftkräfte zu bestimmen.

Eine Meßanordnung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, ist für die Mehrkomponenten-Radkraft-Messung bekannt (Raddynamometer der Fa. Kistler Instrumente AG, Winterthur, Schweiz). Bei den bekannten Anwendungsfällen werden mit dieser Vorrichtung die dynamischen Radkräfte bestimmt, wie die dyna­ mischen Seitenkräfte beim Kurvenfahren sowie senkrechte und horizontale Beschleunigungskräfte, wobei die statischen Kräfte, die aus dem anteiligen Gewicht des Fahrzeuges herrühren, mit berücksichtigt werden. Bei Benutzung nur eines Raddynamometers werden die dynamischen Radkräfte aller vier Räder jeweils nach­ einander als Einzelmessung erhalten.

Bei Messung der dynamischen Radkräfte sind diese dynamischen Kräfte von der gleichen Größenordnung, wie die statischen Gewichtskräfte, die auf das Rad wirken. Demgegenüber sind die beim erfindungsgemäßen Verfahren zu ermittelnden Kräfte, insbesondere der Rollreibungswiderstand, um zwei Größenordnungen kleiner als die statischen Gewichtskräfte.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielshaft veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrie­ ben.

Fig. 1 zeigt schematisch ein zweiachsiges Fahrzeug mit den einzelnen Rädern zugeordneten Radkraftdynamometern.

Fig. 2 zeigt die Anordnung und Verschaltung der Kraftaufnehmer in den vier Radkraftdynamometern.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßanordnung.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein mit einem Radkraftdynamo­ meter ausgerüstetes freilaufendes Rad.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein angetriebenes Rad, das mit einem Radkraftdynamometer versehen ist.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Fahrzeug weist vier Räder auf, und zwar ein linkes Vorderrad 2, ein rechtes Vorderrad 4, ein linkes Hinterrad 6 und ein rechtes Hinterrad 8. Mit den Rädern sind jeweils Radkraftdynamometer 10, 12, 14, 16 verbunden. Hierbei wirken die positiven Kräfte F _x in der Ebene der Radachsen entgegengesetzt zur Fahrtrichtung. Die Seitenkräfte F _y der Rad­ kraftdynamometer sind auf den beiden Achsen jeweils paarweise entgegengesetzt angeordnet, so daß bei idealen Verhältnissen bei Geradeausfahrt ohne Seitenwind keine resultierenden Seitenkräfte gemessen werden. Die Vertikalkräfte F _z sind senkrecht von der Fahrbahn weg gerichtet. Summiert man die Kräfte F _x, F _y bzw. F _z der einzelnen Radkraftdynamometer, so erhält man die resultieren­ den Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken in den drei orthogonalen Richtungen.

Bei den Kraftaufnehmern handelt es sich um Drei-Komponenten- piezoelektrische-Kraftaufnehmer. Von diesen Kraftaufnehmern sind an jedem Rad drei angeordnet, und zwar symmetrisch zur z-Achse. Die Anordnung ist so, daß die Kräfte F _x in der Horizontalen, die Kräfte F _z in der Vertikalen und die Kräfte F _y in Achsrichtung gemessen werden. Die einzelnen Kraftaufnehmer sind dabei in den Radkraftdynamometern der jeweiligen Achsen so angeordnet, daß auf den beiden Achsen in den Dynamometern jeweils die y-Achsen entgegengesetzt gerichtet sind. Die drei Kraftaufnehmer 18, 20 und 22 in den einzelnen Dynamometern 10, 12, 14, 16 sind dabei weiter additiv verschaltet, so daß am Ausgang 24 die Signale in x-, y- und z-Richtung jeweils addiert vorliegen. Als Kraftauf­ nehmer sind die Kraftaufnehmer 9067 und 9068 der Firma Kistler Instrumente AG verwendbar.

In dem Blockschaltbild nach Fig. 3 sind die vier Radkraftdynamo­ meter 10, 12, 14, 16 schematisch dargestellt, die mit ihren Ausgängen x, y und z an einen Vielfachumschalter 26 angeschlossen sind. Diesem Vielfachumschalter 26 ist eine Verstärkereinheit 28, bestehend aus zwölf jeweils den einzelnen Ausgängen zugeordneten Ladungsverstärkern, nachgeschaltet, mit denen die Ladung der Piezoelemente in eine proportionale Spannung umgewandelt wird. Mit Hilfe des Ladungskalibrators 46 werden zu Beginn einer Messung über den Vielfachumschalter 26 bei abgeschalteten Rad­ dynamometern 10, 12, 14 und 16 definierte Ladungen auf die Ladungsverstärker 28 aufgegeben. Die Ausgangsspannung der Ladungsverstärker wird einem AD-Wandler 30 aufgegeben, der mit einem Codierer 32 kombiniert ist. Dieser Codierer kann beispiels­ weise eine Codierung nach einem PCM-System vornehmen. Die codierten Informationen können einem Bandgerät 34 aufgegeben und darin aufgezeichnet werden. Es ist auch möglich, die codierten Daten einem Telemetriesender 36 aufzugeben, von dem sie vom Fahrzeug abgestrahlt und drahtlos auf eine Empfängerstation übertragen werden.

Zusätzlich wird die Geschwindigkeit des Fahrzeuges registriert, die über die Meßstrecke konstant sein soll. Nach dem Versuch stehen die so aufgezeichneten Daten zur Auswertung zur Verfügung.

Die fahrzeugeigene Stromversorgung weist zwei 12 V Batterien 38 und 40 auf, die in Reihe geschaltet über einen Schalter 42 als Betriebsspannung von 24 V den AD-Wandler 30 mit dem Codierer 32 und dem Bandgerät 34 aufgegeben werden. Über den Schalter 24 können die Batterien 38 und 40 von einem externen Ladegerät 43 aufgeladen werden. Von der Batterie 38 wird mit einer Spannung von 12 V ein Spannungswandler 44 gespeist, der eine Ausgangs­ spannung von 220 V aufweist, die als Speisespannung dem Ladungs­ kalibrator 46 aufgegeben wird.

Mit den jeweils wenigstens drei in einer Radnabe angeordneten piezoelektrischen Kraftaufnehmern werden die an den Naben wir­ kenden statischen und dynamischen Kräfte ermittelt. Jeder dieser Kraftaufnehmer ist in der Lage, eine angreifende Kraft in ihren drei orthogonalen Komponenten zu erfassen. Bei einem Fahrzeug mit Hinterradantrieb wirkt an den Vorderrädern als Fahrtwiderstand nur der Rollreibungswiderstand dieser Räder. Die an der Vorder­ achse gemessenen Kraftkomponenten in Fahrtrichtung, also in x-Richtung, sind damit proportional dem Rollreibungswiderstand des jeweiligen Vorderrades. An der Hinterachse wirkt in Fahrt­ richtung die Antriebskraft, die zur Überwindung der Rollreibungs­ widerstände aller vier Räder, des Luftwiderstandes des Fahrzeugs und der Massenkräfte benötigt wird. Von den Kraftaufnehmern der Radkraftdynamometer an der Hinterachse wird als Kraftkomponente F _x bereits die Antriebskraft abzüglich der Rollwiderstandskräfte der angetriebenen Räder gemessen. Zur Bestimmung des Luftwider­ standes wird der an den Vorderrädern gemessene Rollwiderstand von der von den Kraftaufnehmern an den Hinterrädern gemessenen Antriebskraft abgezogen. So gelangt man zu der Kraft, die allein zur Überwindung des Luftwiderstandes benötigt wird und damit zum Luftwiderstand des Fahrzeuges bei einer vorgegebenen Geschwindig­ keit, für die beispielsweise V=100 km/h gewählt werden kann.

Die eben geschilderte Verfahrensweise setzt voraus, daß die Massenkräfte null sind bzw. zusätzlich bestimmt werden können. Bei ebener Fahrbahn und konstanter Geschwindigkeit des Fahrzeuges sind keine Massenkräfte in x-Richtung vorhanden, es wirken ledig­ lich die stätischen Gewichtskräfte in z-Richtung. Bei bekannter Neigung der Fahrbahn und bei Messung der Beschleunigung des Fahrzeugs lassen sich die Massenkräfte zusätzlich berück­ sichtigen. Die Versuche sollten bei möglichst geringen Luft­ bewegungen, im Idealfall bei Windstille, stattfinden.

Bei Fahrzeugen mit mehr als zwei Achsen werden die Komponenten der Radkraftdynamometer aller nicht angetriebenen Räder in x-Richtung, also F _x, von den Kraftkomponenten F _x der angetriebe­ nen Räder subtrahiert. Bei mehr als einer angetriebenen Achse werden an allen angetriebenen Rädern die darauf wirkenden An­ triebskräfte gemessen und von diesen die dem Rollwiderstand der nicht angetriebenen Räder entsprechenden F _x-Werte der Radkraft­ dynamometer an den nicht angetriebenen Rädern abgezogen.

Die Ermittlung der vertikalen (Auftriebs-) und lateralen (Seiten-) Kraftkomponenten geschieht durch Aufsummierung der entsprechenden Kraftkomponenten der einzelnen Radkraftdynamometer. Durch Momentenbildung können auch Roll-, Gier- und Nickmomente am Fahrzeug während der Fahrt ermittelt werden.

Wie ohne weiteres ersichtlich, läßt sich auf diese Weise bei­ spielsweise auch der kombinierte Luftwiderstand eines Fahrzeug­ gespanns bestimmen, vorausgesetzt, daß alle Räder des Gespanns mit Radkraftaufnehmern versehen sind. Das Meßverfahren läßt sich auf alle Radfahrzeuge anwenden, also auch auf Schienenfahrzeuge. Damit lassen sich auch die Luftwiderstände großer Fahrzeuge bestimmen, die bisher im Windkanal nur anhand von Modellen ver­ messen werden konnten.

Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich auch gezielt Seiten­ kraftmessungen von Fahrzeugen durchführen, indem das Fahrzeug an einer Seitenwindanlage vorbeifährt. Die an der Karosserie wirkenden aerodynamischen Kräfte wirken sich insbesondere als Änderungen der Kräfte F _y aus.

Das Verfahren läßt sich schließlich auch zur Kalibrierung von Windkanälen der Fahrzeugindustrie und zu Korrelationsunter­ suchungen zwischen Windkanal- und Straßenversuchen verwenden.

Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei zur Durchführung des Verfahrens modifizierte Radausbildungen mit Radkraftdynamometern.

Bei dem Rad nach Fig. 4 handelt es sich um ein nicht angetrie­ benes Rad, das ein Vorder- oder Hinterrad sein kann. Auf dem Achsschenkelbolzen 50 ist hier eine Buchse 52 befestigt, an die ein Flansch 54 des Radkraftdynamometers 56 angeflanscht ist. Der zweite Flansch 58 des Radkraftdynamometers ist über Spann­ schrauben 60 mit dem ersten Flansch verspannt. Zwischen den beiden Flanschen 54 und 58 sind in der in Fig. 2 gezeigten Weise piezoelektrische Dreikomponenten-Kraftaufnehmer 62 verspannt, deren Anordnung oben unter Bezug auf Fig. 2 beschreiben ist. Statt der dort verwendeten drei Kraftaufnehmer können auch vier Kraftaufnehmer verwendet werden. Das Spannen erfolgt hier über die Spannbolzen 60, die mit dem einen Ende 64 in eine Gewinde­ bohrung in dem Flansch 54 eingeschraubt ist und am gegenüber­ liegenden Ende über eine in dem Flansch 58 versenkt liegende Ringmutter 66 verspannt wird. Der Flansch 58 trägt in einer Bohrung 68 Kugellager 70, mit denen eine Hohlwelle 72 gelagert ist, an der stirnseitig ein Radflansch 74 befestigt ist, der mit Bohrungen 76 zum Befestigen der Radfelge versehen ist. Gleich­ zeitig ist auf dem Flansch 74 eine Bremstrommel 78 befestigt. In dem Zwischenraum ist die Bremsanordnung 80 mit dem Bremszylinder und den Bremsbacken angeordnet, die sich gegen den Flansch 58 abstützt. Im Betrieb wirkt der Rollreibungswiderstand des frei laufenden Rades als nach rückwärts gerichtete Kraft auf den Flansch 58. Die dabei in den Flansch 58 übertragenen Kräfte werden über den Kraftaufnehmer 62 in x-Richtung gegen den karosseriefesten Flansch 54 abgestützt. In x-Richtung wird damit über den Kraftaufnehmer 62 die Rollwiderstandskraft gemessen.

Fig. 5 zeigt ein angetriebenes Rad, das wiederum ein Vorderrad oder ein Hinterrad sein kann. In einem fahrzeugfesten Achslager­ schenkel 82 ist hier über Kegelrollenlager 84 die Antriebswelle 86 gelagert. Mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist ein balgenförmiger Drehmomentenübertrager 88, der als Entkopplungs­ glied zwischen dem Antrieb und dem Radkraftdynamometer dient. Auf das buchsenförmige Abtriebsende des Drehmomentenübertragers 88 ist ein Radflanschträger 90 über eine Keilverzahnung aufgesteckt, an den stirnseitig der Radflansch 92 angeschraubt ist, der seinerseits wiederum die Bremstrommel 94 trägt und mit Gewinde­ bohrungen zur Befestigung der Radfelge versehen ist. Auf dem Radflanschträger 90 ist über Kugellager 96 ein Flansch 98 des Radkraftdynamometers 100 gelagert. Der zweite Flansch 102 ist an den Achslagerschenkel 82 angeflanscht. Zwischen diesen beiden Flanschen 98, 102 sind wiederum in der oben beschriebenen Weise die Kraftaufnehmer 104 angeordnet und über Zugschrauben 106 verspannt. Von den Kraftaufnehmern 104 wird hier, wie oben angegeben, in x-Richtung die Differenz zwischen der Antriebskraft abzüglich der dieser Kraft entgegenwirkenden Rollreibungswider­ standskraft des angetriebenen Rades gemessen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung der auf ein Fahrzeug wirkenden Luftkräfte, dadurch gekennzeichnet, daß mittels an allen Rädern des Fahrzeuges angeordneten Dreikomponenten-Piezo- Kraftmeßelementen, die unter achsparalleler Vorspannung zwischen zwei koaxialen Flanschen angeordnet sind, von denen einer drehfest mit der Karosserie verbunden ist und der andere das Radlager trägt, die während der Fahrt bei konstanter Geschwindigkeit und ebener Fahrbahn in Längs­ richtung des Fahrzeuges wirkenden Kräfte gemessen und die an den nicht angetriebenen Rädern gemessenen horizontalen Kräfte von den an den angetriebenen Rädern gemessenen Kräften subtrahiert und die Restkraft als Luftwiderstand bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeichnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dreikomponenten-Piezo-Kraftmeßelemente verwendet werden, die mit ihrer x-, y- und z-Richtung in Längs-, Quer- bzw. Vertikalrichtung eingebaut sind und daß zusätzlich die senkrechten aerodynamischen Auftriebskräfte und die Quer­ kräfte bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeichnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Momentenbildung die am Fahrzeug während der Fahrt auftretenden Roll-, Gier- und Nickmomente bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei unebener Fahrbahn und nicht konstanter Geschwindig­ keit des Fahrzeuges die sämtlichen aerodynamischen Kräfte und Momente ermittelt werden durch zusätzliche Bestimmung der Massenkräfte.

5. Radlagerausbildung eines freilaufenden Rades mit einem Radkraftdynamometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fahrzeugfeste Flansch des Radkraftdynamometers an einer auf dem Achsschenkelbolzen befestigten Buchse ange­ flanscht ist.

6. Radlagerausbildung eines angetriebenen Rades zur Durch­ führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Radkraftdynamometer, dadurch gekennzeichnet, daß der Radkraftdynamometer mit seinem fahrzeugfesten Flansch am Achslagerschenkel angeflanscht ist, in dem die Antriebswelle gelagert ist und daß zwischen der Antriebswelle und einer im zweiten Flansch des Radkraftdynamometers gelagerten Rad­ flanschbuchse ein Drehmomentenübertrager mit einem balgen­ förmigen Entkopplungsabschnitt zwischen seinem Antriebs- und seinem Abtriebsende vorgesehen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch seine Anwendung für die Messung der aerodynamischen Kräfte und Momente an Fahrzeugen bzw. Fahrzeuggespannkonfigurationen mit mehr als zwei Achsen und/oder mit mehr als einer An­ triebsachse.