DE3612599C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des auf ein Fahrzeug wirkenden Luftwiderstandes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Ein solches Verfahren und ein solches Fahrzeug sind aus "Automobil-Industrie" 5/85, Seiten 643 bis 649, bekannt.

Bei dem aus diesem Artikel bekannten Verfahren der gattungsgemäßen Art werden Drehmoment-Meßnaben verwendet, mit denen der aus Rollwiderstand und Luftwiderstand zusammengesetzte Fahrwiderstand sowie Roll- und Luftwiderstand einzeln ermittelt werden. Hierbei wird eine Mehrzahl von Messungen bei möglichst eng gestuften, jeweils konstanten Geschwindigkeiten durchgeführt. Fehler entstehen hierbei dadurch, daß eine Vielzahl aufeinanderfolgender Meßfahrten unter identischen Wetter- und Fahrbahnverhältnissen notwendig ist, um die für die Errechnung der Fahrwiderstände notwendigen Konstanten zu ermitteln. Schließlich ist es schwierig, die Drehmoment-Meßnaben mit großer Genauigkeit und der erforderlichen hohen Meßwertauflösung zu kalibrieren.

Aus der Firmenschrift der Firma Kistler Instrumente AG "Multicomponent Wheel Dynamometers", Winterthur, April 1983, sind zur Messung der auf ein Rad wirkenden Kräfte und Momente Piezo-Kraftmeßnaben bekannt, deren vier Dreikomponenten-Piezowandler 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 Piezoelemente sind dabei jeweils mit ihrer x-, y- und z-Richtung in Längs-, Quer- bzw. Vertikalrichtung eingebaut. In einem angetriebenen Rad ist die oben genannte Piezo-Kraftmeßnabe der Firma Kistler mit ihrem fahrzeugfesten Flansch an dem Achslagerschenkel angeflanscht, in dem die Antriebswelle gelagert ist. Mit diesen Meßnaben werden die dynamischen Radkräfte bestimmt, wie die dynamischen Seitenkräfte beim Kurvenfahren sowie senkrechte und horizontale Beschleunigungskräfte, wobei die statischen Kräfte, die aus dem anteiligen Gewicht des Fahrzeugs herrühren, mit berücksichtigt werden. Derartige Meßnaben werden normalerweise nur für ein Rad vorgesehen, wobei die dynamischen Radkräfte aller Räder jeweils nacheinander als Einzelmessungen erhalten werden. Die gemessenen dynamischen Radkräfte sind dabei im wesentlichen von der gleichen Größenordnung wie die statischen Gewichtskräfte, die auf das Rad wirken.

Aus "Technisches Messen tm", 52. Jahrgang, Heft 12/1985, Seiten 459 bis 464, ist bekannt, zwei Raddynamometer (Piezo-Kraftmeßnaben) in einem Fahrzeug zu verwenden. Weiter ist aus dieser Druckschrift bekannt, die Seitenkraft am Rad zu messen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Fahrzeug zu schaffen, so daß an dem mit eigenem Antrieb fahrenden Fahrzeug der Luftwiderstand während einer einzigen Meßfahrt direkt ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wid gemäß der Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren gelöst durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 herausgestellten Merkmale. Die Aufgabe wird weiter durch die Merkmale nach dem Anspruch 4 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es ist möglich, neben den statischen auch dynamische Luftkräfte wie Auftriebs-, Widerstands- und Seitenkräfte sowie Roll-, Gier- und Nickmomente aus ein und demselben Meßprotokoll zu ermitteln.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sowohl bei Straßenfahrzeugen als auch bei Schienenfahrzeugen anwendbar, und zwar dabei sowohl bei Einzelfahrzeugen als auch bei Fahrzeuggespannen, und zwar unabhängig von der Zahl der angetriebenen und der freilaufenden Achsen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch ein zweiachsiges, vierrädriges Fahrzeug mit den einzelnen Rädern zugeordneten Kräften und der Anordnung der Kraftmeßelemente.

Fig. 2 zeigt die Anordnung und Verschaltung der Kraftmeßelemente in den vier Rädern.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Meßanordnung.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch ein mit Kraftmeßelementen ausgerüstetes freilaufendes Rad.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein mit Kraftmeßelementen versehenes angetriebenes Rad.

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 Dreikomponenten-Piezo-Kraftmeßelemente, z. B. 18, 20, 22 verbunden. Hierbei wirken die positiven Kräfte F. in der Ebene der Radachsen entgegengesetzt zur Fahrtrichtung. Die Seitenkräfte F der Kraftmeßnaben 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 Kraftmeßelemente, so erhält man die resultierenden Kräfte, die auf das Fahrzeug wirken, in den drei orthogonalen Richtungen.

Die Kraftmeßelemente sind dreikomponenten-piezoelektrischen Elemente. Von diesen Kraftmeßelementen sind (Fig. 2) 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 Kraftmeßelemente sind dabei in den jeweiligen Achsen so angeordnet, daß auf den beiden Achsen in den Kraftmeßelementen jeweils die y-Achsen entgegengesetzt gerichtet sind. Die drei Kraftmeßelemente 18, 20 und 22 in den einzelnen Rädern sind dabei weiter additiv verschaltet, so daß am Ausgang 24 die Signale in x-, y- und z-Richtung jeweils addiert vorliegen.

In dem Blockschaltbild nach Fig. 3 ist die Anordnung der Kraftmeßelemente der vier Räder als 10, 12, 14, 16 schematisch dargestellt. Sie sind mit ihren Ausgängen x, y und z an einen Vielfachumschalter 26 angeschlossen. 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 Kraftmeßelementen definierte Ladungen auf die Ladungsverstärker 28 aufgegeben. Die Ausgangsspannung der Ladungsverstärker wird einem A/D-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 42 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 Ausgangsspannung von 220 V aufweist, die als Speisespannung dem Ladungskalibrator 46 aufgegeben wird.

Mit den jeweils wenigstens drei in einem Rad angeordneten piezoelektrischen Kraftaufnehmern werden die an den Naben wirkenden 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 freilaufenden Vorderrädern als Fahrtwiderstand nur der Rollreibungswiderstand dieser Räder. Die an der Vorderachse gemessenen Kraftkomponenten in Fahrtrichtung, also in x-Richtung, sind damit proportional dem Rollreibungswiderstand des jeweiligen Vorderrades. An der Hinterachse wirkt in Fahrtrichtung die Antriebskraft, die zur Überwindung der Rollreibungswiderstände aller vier Räder, des Luftwiderstandes des Fahrzeugs und der Massenkräfte benötigt wird. Von den Kraftaufnehmern der Räder an der Hinterachse wird als Kraftkomponente F_x bereits die Antriebskraft abzüglich der Rollwiderstandskräfte der angetriebenen Räder gemessen. Zur Bestimmung des Luftwiderstandes 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 Geschwindigkeit, 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 lediglich die statischen Gewichtskräfte in z-Richtung. Bei bekannter Neigung der Fahrbahn und bei Messung der Beschleunigung des Fahrzeugs lassen sich die Massenkräfte zusätzlich berücksichtigen. Die Versuche sollten bei möglichst geringen Luftbewegungen, im Idealfall bei Windstille, stattfinden.

Bei Fahrzeugen mit mehr als zwei Achsen werden die Komponenten der Kraftmaßelemente aller nicht angetriebenen Räder in x-Richtung, also F_x, von den Kraftkomponenten F_x der angetriebenen Räder subtrahiert. Bei mehr als einer angetriebenen Achse werden an allen angetriebenen Rädern die darauf wirkenden Antriebskräfte gemessen und von diesen die dem Rollwiderstand der nicht angetriebenen Räder entsprechenden F_x-Werte der Kraftmeßelemente an den nicht angetriebenen Rädern abgezogen.

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

Wie ohne weiteres ersichtlich, läßt sich auf diese Weise beispielsweise auch der kombinierte Luftwiderstand eines Fahrzeuggespanns bestimmen, vorausgesetzt, daß alle Räder des Gespanns mit Kraftmeßelemente 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 vermessen werden konnten.

Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich auch gezielt Seitenkraftmessungen 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 Korrelationsuntersuchungen zwischen Windkanal- und Straßenversuchen verwenden.

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

Bei der Radausbildung nach Fig. 4 handelt es sich um ein nicht angetriebenes Rad, das ein Vorder- oder Hinterrad sein kann. Auf dem Achsschenkel 50 ist hier eine Buchse 52 befestigt, an die ein Flansch 54 der Kraftmeßelemente 62 angeflanscht ist. Der zweite Flansch 58 der Kraftmeßelemente ist über Spannschrauben 60 mit dem ersten Flansch verspannt. Zwischen den beiden Flanschen 54 und 58 sind in der Fig. 2 gezeigten Weise piezoelektrischen Dreikomponenten-Kraftaufnehmer 62 verspannt, deren Anordnung oben unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben 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 Gewindebohrung in dem Flansch 54 eingeschraubt ist und am gegenüberliegenden 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. Gleichzeitig 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 die Kraftaufnehmer 62 in x-Richtung gegen den karosseriefesten Flansch 54 abgestützt. In x-Richtung wird damit über die Kraftaufnehmer 62 die Rollwiderstandskraft gemessen.

Fig. 5 zeigt ein angetriebenes Rad, das wiederum ein Vorderrad oder ein Hinterrad sein kann. In einem fahrzeugfesten Achslagerschenkel 82 ist hier über Kegelrollenlager 84 die Antriebswelle 86 gelagert. Mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist ein balgenförmiger Drehmomentenübertrager 88, der als Entkopplungsglied zwischen dem Antrieb und den Kraftmeßelementen 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 Gewindebohrungen zur Befestigung der Radfelge versehen ist. Auf dem Radflanschlager 90 ist über Kugellager 96 ein Flansch 98 der Kraftmeßelemente 104 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 entgegen wirkenden Rollreibungswiderstandskraft des angetriebenen Rades gemessen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung des auf ein Fahrzeug mit eigenem Antrieb bei konstanter Geschwindigkeit und ebener Fahrbahn wirkenden Luftwiderstandes unter Verwendung von an wenigstens einem Rad des Fahrzeuges angeordneten Meßelementen, wobei der Luftwiderstand als Differenz von Gesamtfahrwiderstand und Rollwiderstand bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung des Fahrzeuges wirkenden Kräfte mittels in allen Rädern des Fahrzeuges eingebauten Kraftmeßelementen gemessen werden, wobei in jeder Radnabe wenigstens drei Dreikomponenten-Piezo-Meßelemente, die mit ihrer x-, y- und z-Richtung in Längs-, Quer- bzw. Vertikalrichtung unter achsparalleler Vorspannung zwischen zwei koaxialen Flanschen, von denen einer drehfest mit der Karosserie verbunden ist und der andere das Radlager trägt, eingebaut sind und die an den nicht angetriebenen Rädern in x-Richtung gemessenen Kräfte von den an den angetriebenen Rädern in x-Richtung gemessenen Kräften subtrahiert und die Restkraft als Luftwiderstand bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeichnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der mindestens drei in jeder Radnabe eingebauten Dreikomponenten-Piezo-Meßelemente zusätzlich die Kräfte in y- und/oder z-Richtung gemessen und daraus die Querkräfte bzw. die Auftriebskräfte bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeichnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Berechnung der um den Fahrzeugschwerpunkt wirkenden Momente der mittels der mindestens drei in jeder Radnabe eingebauten Dreikomponenten-Piezo-Meßelemente in der y- und z-Richtung gemessenen Kräfte die am Fahrzeug während der Fahrt auftretenden Roll-, Gier- und Nickmomente bestimmt, angezeigt und/oder aufgezeigt werden.

4. Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit an wenigstens einem Rad des Fahrzeuges angeordneten Meßelementen, wobei der Luftwiderstand bei Fahrt mit eigenem Antrieb bei konstanter Geschwindigkeit und ebener Fahrbahn als Differenz von Gesamtfahrwiderstand und Rollwiderstand bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der in Längsrichtung des Fahrzeuges wirkenden Kräfte in der Radnabe jedes angetriebenen und frei laufenden Rades des Fahrzeuges Kraftmeßelemente, nämlich jeweils wenigstens drei Dreikomponenten-Piezo-Meßelemente (62, 104) vorhanden sind, die mit ihrer x-, y- und z-Richtung in Längs-, Quer- bzw. Vertikalrichtung ausgerichtet sind und unter achsparalleler Vorspannung zwischen zwei koaxialen Flanschen (54, 98; 98, 102) angeordnet sind, von denen einer (54; 102) drehfest mit der Karosserie des Fahrzeuges verbunden ist und der andere (58; 98) das Radlager (70; 96) trägt,
und daß eine Schaltung vorhanden ist, mit der die an den nicht angetriebenen Rädern in x-Richtung gemessenen Kräfte von den an den angetriebenen Rädern in x-Richtung gemessenen Kräften subtrahiert werden und die Restkraft als Luftwiderstand bestimmt wird, und daß Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgeräte für den Luftwiderstand vorhanden sind.

5. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem freilaufenden Rad der drehfest mit dem Fahrzeug verbundenen Flansch (54) der Kraftmeßelemente (62) an einer auf dem Achsschenkelbolzen (50) des Fahrzeuges befestigten Buchse (52) angeflanscht ist.

6. Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem angetriebenen Rad der drehfest mit dem Fahrzeug verbundene Flansch (102) der Kraftmeßelemente (104) am Achslagerschenkel (82) angeflanscht ist, in dem die Antriebswelle (86) gelagert ist, und daß zwischen der Antriebswelle und einer im anderen Flansch (98) der Kraftmeßelemente (104) gelagerten Radflanschbuchse (90) ein Drehmomentübertrager (88) mit einem balgenförmigen Entkopplungsabschnitt zwischen seinem Antriebs- und seinem Abtriebsende vorgesehen ist.