DE3744631C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich­ tung, mit der Lebensdaueruntersuchungen an Fahrzeugen aller Art durchgeführt werden können. Insbesondere sind Betriebsfestig­ keitsprüfungen von Fahrwerken und Aufbauten, Verschleißunter­ suchungen und Funktionsprüfungen sowie Fahrkomfortanalysen denk­ bar.

Solche Untersuchungen werden entweder bei Fahrversuchen oder auf ortsfesten Prüfständen durchgeführt. Fahrversuche mit Kraft­ fahrzeugen oder muskelkraftgetriebenen Fahrzeugen auf Straßen bringen Nachteile mit sich:

• - bei höherer Geschwindigkeit sind sie gefährlich,
• - sie sind schwer reproduzierbar,
• - durch Unfälle können wertvolle Prototypen verloren gehen,
• - sie sind sehr kostspielig.

Es wurden daher eine Reihe verschiedener ortsfester Prüfstände entwickelt z. B.

• - Bremsprüfstände,
• - Leistungsprüfstände,
• - Betriebsfestigkeitsprüfstände.

Ein ortsfester Bremsenprüfstand ist zum Beispiel in DT 16 98 157 C 3 beschrieben. Mit ihm lassen sich die Fahrzustände auf der Straße weitgehend wirklichkeitsnah simulieren, wobei die Fahr­ zeugräder auf angetriebenen Rollen abgestützt werden und der Schwerpunkt des Fahrzeuges in Längsrichtung fixiert bleibt, in allen anderen Freiheitsgraden aber beweglich bleibt. Mit sol­ chen Prüfständen lassen sich Brems- und Fahrmanöver simulieren.

Die Hauptbeanspruchungen im Fahrwerk entstehen jedoch durch dynamische Radlastschwankungen beim Überfahren von unebenen Fahrbahnen. Zur Simulation unebener Fahrbahnen sind Rollen mit Fahrbahnprofilen versehen worden, die jedoch nicht die notwen­ dige statistische Verteilung der Belastungen gewährleisten kön­ nen, weil sich die Profile dem Trommelumfang entsprechend nach wenigen Metern wiederholen.

In der DE 33 25 240 C2 wird ein Trommelprüfstand beschrieben, auf dem der Fahrbetrieb von Motorrädern simuliert werden kann. Auf der Trommelmantelfläche sind verschiedene Fahrbahnprofile nebeneinander angeordnet, auf denen die Räder des Fahrzeuges abrollen. Durch seitliches Verschieben des Fahrzeuges können so programmgesteuert verschiedene kurze Straßenprofilabschnitte gemischt werden.

Dieser Prüfstand ist jedoch wegen der geringen Anzahl sehr kurzer, fest vorgegebener Straßenprofile wenig geeignet, betriebsgleiche Mischungen unterschiedlichster Fahrbahnoberfläche zu simulieren. Weiter ist dieser Prüfstand nur für Einspurfahrzeuge sinnvoll einsatzfähig. Er läßt auch keine horizontalen Bewegungen des Fahrzeuges zu, mit denen Tätigkeitskräfte aus Beschleunigungen und Verzögerungen simuliert werden können.

Auch sind Prüfstände vorgeschlagen worden, bei denen angetrie­ bene Rollen oder Bänder mit Hilfe von hydraulischen Zylindern bewegt werden können, um vertikale Betriebsbeanspruchungen über die Räder einzuleiten. Ein solcher Prüfstand ist in DE 30 40 355 A1 beschrieben. Dieser Prüfstand hat zur Aufgabe, möglichst realistische Betriebsfestigkeitsprüfungen von Fahrzeugen da­ durch zu ermöglichen, daß jedes Rad auf einem Band abrollt, dessen Lage im Raum durch mehrere hydraulische Zylinder unab­ hängig von der Lage der anderen Bänder frei definiert werden kann. Dieser Prüfstand läßt statische und niederfrequente dy­ namische Radlastschwankungen zu. Die beim schnellen Überfahren von Schlaglöchern auftretenden dynamischen vertikalen Fahrwerks­ beanspruchungen, insbesondere die dabei auftretenden Horizontal­ komponenten lassen sich jedoch auf diesem Prüfstand nicht nach­ bilden.

Es sind daher eine Reihe unterschiedlicher Betriebsfestigkeits­ prüfstände entwickelt worden, die mit Hilfe von schnellen hy­ draulischen Zylindern alle wichtigen Beanspruchungen in ein Fahrwerk einleiten können. Ein Prüfstand dieser Art ist in DE 22 01 590C3 beschrieben. Einen Überblick über mehraxiale servohydraulische Prüfstände für Schwingfestigkeits-Untersu­ chungen an Kraftfahrzeugen ist in der Automobiltechnischen Zeitschrift ATZ 74 (1972) 4, S. 139-145 gegeben.

Bei diesen Prüfständen ist eine Übertragung der Radlasten über abrollende Reifen nicht mehr möglich, vielmehr werden statt der Reifen Adapter an den Radnaben angebracht, an denen Kraftkomponenten über Gestänge eingeleitet werden. Ein solches, besonders leistungsfähiges Krafteinleitungssystem ist z.B. in DE 26 42 155 C3 beschrieben, das bis zu 5 Kraftkomponenten je Rad vorsieht und alle Freiheitsgrade des Rades einschließlich der Lenkbewegung berücksichtigt.

Obwohl Prüfstände dieser Art in Verbindung mit leistungsfähi­ gen Prozeßrechneranlagen erfolgreich in der Automobilindustrie eingesetzt werden, haben sie prinzipielle Nachteile:

• 1. Durch das Fehlen der Reifen und das Anbringen von komplizier­ ten Krafteinleitungsmechanismen wird die Massenverteilung des Fahrzeuges völlig verändert.
• 2. Die Beschaffung der Signale, mit denen die Erreger-Zylinder angesteuert werden ist äußerst aufwendig und kompliziert. So müssen zunächst Fahrversuche mit einem Fahrzeug durchgeführt werden und Beanspruchungen an wichtigen Fahrwerksstellen auf­ gezeichnet werden. Dies setzt wiederum leichte und empfind­ liche Meßaufnehmer und aufwendige Meßdatenverarbeitung voraus. Auf dem Prüfstand müssen dann die Übertragungsfunktionen von jedem Erregerzylinder zu jedem Meßaufnehmer bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Übertragungsfunktionen wird dann aus den im Fahrversuch gemessenen Beanspruchungen auf die dazu notwen­ digen Erregersignale zurückgeschlossen. Iterativ werden die Erregersignale dann so lange korrigiert, bis die so erhal­ tenen Antwortsignale den gemessenen Beanspruchungen genügend genau entsprechen. Dieses als Remote-Parameter-Control (RPC) ITFC bezeichnete Verfahren ist in der Automobiltechnischen Zeit­ schrift ATZ, 82. Jahrgang, Heft 9/1980 beschrieben. Anwen­ dungsergebnisse sind zum Beispiel in SAE Technical Paper Series 820094, Feb. 1982 dargestellt. Bei der Anwendung sol­ cher Verfahren müssen mehrjährige Erfahrung in der Meßdaten­ analyse und -verarbeitung vorausgesetzt werden. Schon aus Kosten- und Personalgründen sind solche Verfahren nicht für kleinere Motor-Fahrzeuge, Anhänger oder muskelkraftbetrie­ bene Fahrzeuge einsetzbar.
• 3. Da unterschiedliche Fahrzeuge beim Überfahren der gleichen Fahrbahnunebenheit unterschiedlich reagieren, also unter­ schiedliche Schwingungsantworten bzw. Beanspruchungen er­ zeugen, muß auch das Verfahren zum Errechnen der Erregersig­ nale für jede Fahrzeugvariante wiederholt werden.
• 4. Die Teststrecke zur Aufnahme der Beanspruchungen im Fahr­ versuch muß kurz gehalten werden, da die Menge der speicher­ baren Daten begrenzt ist. Die daraus gewonnenen Erregerdaten, also die Sollwerte für die hydraulischen Zylinder an den orts­ festen Prüfständen werden daher mehrfach hintereinander wiederbenutzt, obwohl die Übertragungsfunktionen des Fahr­ zeuges sich in der Zwischenzeit verändert haben; so werden Gummielemente des Fahrwerkes härter, die Stoßdämpfereigen­ schaften ändern sich kurzfristig mit der Temperatur und langfristig mit dem Verschleißzustand usw.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu ermög­ lichen, das ähnlich funktioniert wie der Fahrtest auf Straßen oder Teststrecken und das sich auf einem ortsfesten Prüfstand anwenden läßt.

Der wesentliche Unterschied zu den vorgenannten Betriebsfestig­ keitsprüfständen besteht darin, daß nicht die vielfältigen Schwingungsantworten bzw. Beanspruchungen im Fahrzeug gemessen und dann reproduziert werden, sondern daß die diese Beanspru­ chungen auslösenden Eingangs- oder Erregersignale reproduziert werden. Diese entstehen aus der Kombination von Unebenheiten der Fahrbahn, also aus dem überfahrenen Profil, und von Fahrma­ növern, also von der vom Fahrer getroffenen Wahl für Beschleu­ nigung, Geschwindigkeit und Richtung. Werden diese Erregersig­ nale an den abrollenden Reifen eines Fahrzeuges mit den gleichen Frequenzen eingeleitet, so entstehen die Antwortschwingungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen des Fahrwerkes, der Karosserie, des Antriebsstranges oder des Fahrers ganz von selbst und sie verändern sich auch ohne Zutun, wenn sich Steifigkeits­ oder Dämpfungseigenschaften am Fahrzeug während des Prüflaufes ändern.

Ähnlich wie beim Fahrversuch sind keine Beanspruchungsmessungen notwendig, auch dann nicht, wenn sich das Fahrzeug in seinen Eigenschaften völlig geändert hat.

Als Meßwerte werden lediglich repräsentative Straßenprofile und Fahrmanöver benötigt, die sich für besondere Betriebsfestigkeits­ tests auch noch entsprechend kombinieren lassen. Diese Meßwerte brauchen nur einmal beschafft zu werden, sind vom Typ des zu prüfenden Fahrzeuges unabhängig und können daher immer wieder verwendet werden, solange sich die Art der Fahrbahn oder die z. B. gesetzlich zugelassenen Fahrmanöver nicht ändern.

Das vorgeschlagene Testverfahren kann daher auch dann zur An­ wendung kommen, wenn die entsprechende Erfahrung in der Meßdaten­ verarbeitung und Analyse fehlt. Lebensdaueruntersuchungen können damit im Prinzip genau so einfach durchgeführt werden, wie Fahr­ versuche mit Fahrern auf Teststrecken oder Straßen. Andererseits bleiben die Vorteile des ortsfesten Prüfstandes, der genau repro­ duzierbare Erregersignale in das Fahrzeug einleitet. Der Prüf­ stand kann dabei voll automatisiert sein und die Prüfung ist ohne Testfahrer durchführbar, was zu erheblicher Kosteneinsparung führt. Auch kann ein normales Serienfahrzeug oder ein Prototyp verwendet werden, der nicht mit aufwendigen Meßaufnehmern bestückt sein muß. Damit können die Meßaufnehmer, die oft die empfindlichsten Stel­ len des Prüfsystems darstellen, und die bei Prüfständen mit hydrau­ lischen Zylindern innerhalb des Regelkreises liegen, nicht ausfal­ len, weil sie nicht vorhanden sind.

Das vorgeschlagene Verfahren bringt für den Prüflauf bei Fahr­ zeugherstellern auch erhebliche Zeitvorteile. Das erwähnte RPC- Verfahren macht es erforderlich, daß ein Fahrzeug mit Meßaufneh­ mern ausgestattet wird und daß damit repräsentative Strecken abzu­ fahren sind. Die dabei aufgenommenen Daten müssen danach auf ihre Brauchbarkeit hin überprüft werden. Es werden Daten auf bis zu 16 Datenkanäle synchron aufgezeichnet. Bei Ausfall eines Meßver­ stärkers oder Meßaufnehmers sind die entsprechenden Meßfahrten zu wiederholen, die oft auch im Ausland durchgeführt werden.

Im Labor sind dann die Übertragungsfunktionen an genau diesem Fahrzeug mit identischen Aufnehmern zu messen. Auch hier besteht das Problem, daß die Aufnehmer überlastet oder die Fahrzeugstruk­ tur überbeansprucht wird. Schließlich sind mit den hier bestimm­ ten Übertragungsfunktionen die Erregersignale für die Prüfzylin­ der zu errechnen und iterativ zu verbessern, bis genau die vorher bei der Meßfahrt aufgezeichneten Beanspruchungen auf dem Prüf­ stand wieder entstehen.

Bis dann ein Dauerversuch mit diesen Erregersignalen beginnen kann, können allein für die Versuchsvorbereitung und Datenauf­ nahme mehrere Monate vergangen sein.

Auch das vorgeschlagene Verfahren kommt nicht ohne Meßdatener­ fassung aus. Der Unterschied besteht aber darin, daß die hier aufzunehmenden Daten wie Straßenprofile allgemein gültigen Charakter haben und für alle Arten und Varianten von Fahrzeu­ gen immer wieder verwendbar sind. Das gleiche gilt für Daten, die die möglichen Fahrmanöver einer Fahrzeugklasse (Lkw, Fahrrad) beschreiben. Auch sie sind für eine Klasse von Fahrzeugen allge­ mein gültig. Auch werden erheblich weniger Daten benötigt, z.B. 2 Kanäle für Fahrbahnprofile bei 2spurigen Fahrzeugen und drei oder vier Kanäle zur Beschreibung von Lenkmanöver, Geschwindigkeit, Bremsmanöver oder Beschleunigung.

Diese Daten sind daher nur einmal zu erfassen und können als Datensatz mit dem Prüfstand vom Hersteller des Prüfstandes an­ geboten werden. Der Anwender braucht nur noch eine Datenaus­ wahl und Kombination von Straßenprofilen und dazu passende Fahr­ manöver zu treffen und kann seine Lebensdauer-, Funktions- oder Betriebsfestigkeitsprüfung nach wenigen Tagen Vorbereitung begin­ nen. Selbstverständlich können auch an einigen Kontrollpunkten im Fahrzeug auf dem Prüfstand Beanspruchungen als Antwort auf die - eingeleitete Erregung mitgemessen werden. Diese Datenaufnahme ist aber nur als Überwachung zu sehen und für den sicheren Be­ trieb des Prüfvorganges nicht notwendig.

Ein weiterer prinzipieller Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, daß sich die Beanspruchungen während des Prüfab­ laufes automatisch ändern, wenn sich die Fahrzeugeigenschaften ändern. Insofern ist das Verfahren dem Fahrversuch auf der Test­ strecke ebenbürtig und den üblichen Betriebsfestigkeitsversuchen weit überlegen. Dort wird ein einmal bei der Meßfahrt aufgetre­ tener Beanspruchungsverlauf auf dem Prüfstand vielfach exakt wie­ derholt, obwohl sich die Steifigkeiten und Dämpfereigenschaften z.B. von Stoßdämpfern nach längeren Testfahrten erheblich ver­ ändert haben können.

Das Prinzip des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, daß auf einem ortsfesten Prüfstand Erregersignale benutzt werden, die den Erregersignalen des echten Fahrbetriebes sehr ähnlich sind - z.B. Weganregung der drehenden Reifen durch das Straßen­ profil - und daß dabei exakt die gleichen Übertragungswege benutzt werden wie im Fahrtest.

Damit wird das komplexe Schwingungssystem Fahrzeug an allen Stellen auch Beanspruchungen erleiden, die denen des Fahrbe­ triebes weitgehend entsprechen. Es ist weder eine Messung der Übertragungsfunktion von jeder Erregerstelle zu jedem Meßpunkt im Fahrzeug notwendig, noch ist die exakte Reproduktion der an diesen Meßpunkten im Fahrbetrieb ermittelten Beanspruchungen notwendig. Das Verfahren reproduziert die richtigen Beanspru­ chungen auch dann noch von selbst, wenn sich die Übertragungs­ funktionen im Laufe der Prüfung verändern z.B. durch härter werdende Gummielemente im Fahrwerk oder Veränderung der Dämpfer­ eigenschaften.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen mögliche Prüfstandsvarianten, Fig. 5 stellt Varianten zur Gestaltung der Testoberfläche dar. Fig. 6 zeigt einen Verstellantrieb für die Fahrbahnelemente, während in Fig. 7 eine Möglichkeit aufgezeigt wird, die Elemente in einem umlaufenden Band durch Verstellantriebe in einer Umlenktrommel zu positionieren. In den Fig. 8 bis 12 werden Methoden zur Kombination von Reibkräften und Straßenunebenheiten beschrie­ ben.

Bei dem in Fig. 1 im Prinzip dargestellten Versuchsaufbau wird das Fahrzeug 1 in seinem Schwerpunkt 12 über Lenker 13 so gehalten, daß seine Längs- und Querbewegung behindert, Bewegun­ gen in allen anderen Freiheitsgraden jedoch möglich sind. Die Testoberfläche 2 bewegt sich relativ zum Fahrzeug in Richtung 14, wobei die Fahrzeugräder auf der Testoberfläche abrollen und diese in den Punkten 4 und 6 berühren. Dadurch entsteht am Vorderrad die Reifenkraft F_V, die vom Berührungspunkt 4 zum Radmittelpunkt 3 gerichtet ist und deren Größe und Lage im Raum sich zeitlich schnell verändert. Zum gleichen Zeitpunkt wirkt eine Reifenkraft F_H vom Berührungspunkt 6 zum Mittelpunkt 5 des Hinterrades. Wird das Hinterrad zusätzlich gebremst, so wirkt im Berührungspunkt 6 eine Bremskraft F_B am Radumfang. Nimmt man weiterhin an, daß das Vorderrad angetrieben wird, so wirkt im Be­ rührungspunkt 4 eine Antriebskraft F_A in Umfangrichtung des Rades. F_B und F_A sind Reibkräfte, deren Größe von den jeweils vom Fahrer eingeleiteten Fahrmanövern abhängen und deren Höchstwert durch die zugehörigen Normalkräfte F_H und F_V und die Reibungszahlen zwischen Testoberfläche und Reifen gegeben sind.

Die Fahrmanöver werden durch bekannte Simulatoren 15 ausgeführt, die zum Bremsen den Bremshebel 9 betätigen und zum Antreiben den Gashebel 10 und den Schalthebel 11.

Zur Simulation von Seitenkräften F_S z.B. an den Berührungspunk­ ten 4 und 7 der Vorderräder mit der Testoberfläche wird am Lenk­ rad 8 eine Lenkbewegung eingeleitet. Das Profil der Testoberfläche kann gezielt verändert werden, ist jedoch in dem Abschnitt, der sich jeweils unter den Fahrzeugrädern bewegt, als starr zu be­ trachten. Dadurch wird das Hinterrad nach einer von der Fahrge­ schwindigkeit abhängigen Verzögerungszeit über das gleiche Fahr­ bahnprofil rollen wie zuvor das Vorderrad.

Fig. 2 zeigt verschiedene Möglichkeiten, die Testoberfläche 2 auf der Außenseite 21 oder der Innenseite 22 eines Zylinderman­ tels oder auf der Stirnseite 23 anzuordnen. Lagerung und Antrieb 25 der Trommel sind so ausgeführt, daß unterschiedliche Trommel­ drehzahlen programmiert werden können.

In Fig. 3 wird die Testoberfläche 2 auf einem umlaufenden Band 31 verwirklicht. Das Band kann z.B. als glattes Stahlband ausgeführt sein, auf dessen Außenseite verstellbare Fahrbahnelemente aufge­ bracht sind. Das Band wird über die Antriebstrommel 32 und die Umlenktrommel 33 geführt. Zur Abstützung der Radlasten der Fahr­ zeuge 1 sind Abstützeinrichtungen 34 vorgesehen, die das auf der Unterseite glatte Band tragen. Bekannt sind Gleitführungen, Luft- und Wasserlager und Rollenlager, die die Radlasten aufnehmen und die Reibung zwischen Band und Abstützeinrichtung 34 klein halten.

Das Band kann beliebig lang ausgebildet werden, so daß auch mehrere Fahrzeuge darauf Platz finden. So ist eine Vergleichsprüfung unterschiedlicher Fahrzeugtypen möglich.

Schließlich ist in Fig. 4 ein Prüfstand angedeutet, bei dem für jedes Rad des Fahrzeuges 1 eine Trommel 41 vorgesehen ist, auf der die Testoberfläche 2 ausgebildet werden kann. Die La­ gereinheiten 42 für die Trommeln sind dazu in Fahrzeuglängs- und -querrichtung so verschiebbar, daß sie auf den Radstand und die Spurweite der Testfahrzeuge eingestellt werden können. Wie bei Bremsprüfständen üblich, wird die träge Masse der Trommeln den Massen des Fahrzeuges angepaßt, insbesondere dann, wenn Beschleunigungs- und Bremssimulationen auf dem Prüfstand durchgeführt werden sollen.

Die Fig. 5 zeigt Beispiele zur Gestaltung einer variablen Testoberfläche, wie sie auf einer rotierenden Trommel oder einem umlaufenden Band vorgesehen ist. Die Fahrbahnelemente 51, 52, 53 können als prismatische, zylindrische oder platten­ förmige Körper ausgebildet und verschiebbar angeordnet sein, um damit eine Fahrbahnoberfläche nachzubilden. Diese als Test­ oberfläche 2 bezeichnete programmierbare Oberflächenstruktur bewegt sich in Richtung 54 unter den Fahrzeugrädern hindurch und stellt so eine Wegerregung für das schwingungsfähige Fahr­ zeug dar.

Die Fahrbahnelemente 51, 52, 53 sind in ihrer jeweiligen Position mindestens solange blockiert, wie das Überrollen eines oder mehrerer Fahrzeugräder dauert. Die in der Test­ oberfläche gespeicherte kinetische Energie, die von der Ge­ samtmasse aller blockierten Fahrbahnelemente und deren Ge­ schwindigkeit in Richtung 54 abhängt, steht zur stoßartigen Anregung der Fahrzeugreifen zur Verfügung und wird nach dem Überrollen zum Teil wieder zurückgewonnen. Gegenüber hydrau­ lischen Prüfständen, deren Zylinder für die höchste vertikale Stoßkraft und Geschwindigkeit gleichzeitig ausgelegt werden müssen, ist das vorgeschlagene Verfahren mit umlaufender vari­ abler Testoberfläche 2 auch energetisch weit im Vorteil.

Hier ist lediglich die Energie aufzuwenden, die notwendig ist, um die Fahrbahnelemente während der Umlaufzeit des Bandes oder der Trommel in ihre neue Position zu verschieben. Bleiben die Fahrbahnelemente für längere Zeit in der gleichen Position, weil die gleichen Fahrbahnabschnitte sich wiederholen sollen, so wird überhaupt keine Verstellenergie benötigt, so daß ledig­ lich die Reibungsverluste der umlaufenden Trommel oder des um­ laufenden Bandes aufzubringen sind. Die Fahrbahnelemente 51, 52, 53 werden mittels Geradführungen 55, Lenkerführungen 56, schiefen Ebenen 57 oder Gewindespindeln 58 geführt und verstellt.

Bei rotierenden Trommeln sind positionsgeregelte hydraulische oder pneumatische Zylinder als Verstellantrieb für die Fahrbahn­ elemente denkbar. In Fig. 6 ist eine Verstelleinrichtung 58 mit Spindel 62 und Elektromotor 63 detailliert dargestellt. Durch Ver­ wendung eines Schrittmotors kann die Wegmessung und der Wegre­ gelkreis entfallen. Über die Zuleitungen 64 werden dem Motor Positionssollwerte in Form von Impulsen vorgegeben, die der Motor in eine entsprechende Zahl von Winkelschritten umwandelt. Über die mit der Motorwelle verbundene Spindel 62 und das im Fahrbahnelement vorgesehene Mutterngewinde 65 werden die Fahr­ bahnelemente 51, 52, 53 verschoben.

In Fig. 7 wird eine Möglichkeit aufgezeigt, die Fahrbahnelemente 53 im umlaufenden Band 31 zu positionieren, ohne daß die dazu er­ forderlichen Verstellantriebe auf dem Band angeordnet sind. Führungen 55 oder 56, wie sie in Bild 5 dargestellt sind, er­ lauben eine Bewegung der Fahrbahnelemente senkrecht zur Band­ oberfläche innerhalb vorgegebener Anschläge. Verstellantriebe 74, ähnlich aufgebaut wie 58 in Fig. 6, sind an der Antriebstrommel 32 befestigt und werden über Schleifring 76 mit Signalen für die Sollpositionen versorgt. Beginnend bei Winkelstellung 73 wer­ den die Verstellantriebe in die nächste Position gebracht. Bei Winkelstellung 71 ist der Positioniervorgang abgeschlossen.

Durch ihr Eigengewicht verschieben sich alle Fahrbahnelemente im unteren geraden Bandteil nach außen. Auf der Trommel 32 glei­ ten sie wieder unter ihrem Eigengewicht ab Winkelstellung 71 auf die Verstellspindelmutter 75, so daß sich die Position der Verstellantriebe auf die Fahrbahnelemente überträgt. Ab der Winkelstellung 72 werden die Fahrbahnelemente durch Druckkräfte im oberen geraden Teil des Bandes 31 eingeklemmt, die dadurch ent­ stehen, daß das Band unter dem Gewicht der Fahrbahnelemente und des Fahrzeuges durchhängt. Im oberen Bandteil entstehen dabei Zugkräfte. Insbesondere entstehen durch die Wechselwirkung zwi­ schen Reifen und Testoberfläche weitere Druckkräfte, die die Rei­ bung zwischen den Fahrbahnelementen vergrößern. Die in Fig. 3 gezeigten Abstützelemente 34 sind daher so angeordnet, daß eine entsprechende Durchbiegung des umlaufenden Bandes möglich ist.

Die Verstellantriebe 74 können in einer anderen Ausführungsva­ riante auch in einer Verstelleinheit 77 angeordnet sein. Dabei wird entweder das Band angehalten, um eine Gruppe von Fahrbahn­ elementen zu verstellen, oder die Verstelleinheit macht eine mit der Bandgeschwindigkeit synchronisierte oszillierende Bewegung in Richtung des Bandes.

Bei Verzögerungen und Beschleunigungen des Fahrzeuges oder bei Kurvenfahrt werden Reibkräfte zwischen den Rädern und der Fahr­ bahnoberfläche übertragen.

In Fig. 8 wird eine Anordnung beschrieben, die zur Simulation solcher Reibungskräfte F_S bei Lenkmanövern geeignet ist. Das Fahrzeug 1 stützt sich über seine Räder auf der Testoberfläche 2 ab und ist im Schwerpunkt 12 so befestigt, daß nur vertikale Be­ wegungen des Schwerpunktes und Drehbewegungen um den Schwerpunkt möglich sind. Als Befestigung kann z.B. der Lenker 13 dienen, der an einer Stütze 87 um die Achse 81 drehbar gelagert ist.

Sobald über das Stellglied 84 und das Lenkrad 8 ein kleiner Lenk­ einschlag an den Vorderrädern erzeugt wird, entstehen durch Schräg­ lauf der Reifen die Seitenkräfte F_S in den Radaufstandpunkten 4 und 7. Da das Fahrzeug seitlich nicht ausweichen kann, entsteht eine Reaktionskraft F_GS im Lenker 13, die an einer Meßeinrichtung 82 gemessen wird.

Soll z.B. bei einer Betriebsfestigkeitsuntersuchung die Querbe­ schleunigung des Fahrzeuges simuliert werden, deren zeitlicher Verlauf a_q(t) vorher bei einer Probefahrt aufgezeichnet wurde, so kann man auf dem Prüfstand stattdessen eine der Querbeschleu­ nigung analoge Gesamtseitenkraft F_GS erzeugen.

Dazu wird ein entsprechendes Sollwertsignal F_GS (t) von einer geeigneten Speichereinheit 88 wie z.B. Magnetbandgerät oder digi­ tale Plattenspeicher abgerufen und einer Regeleinrichtung 83 zu­ geführt, die diesen Sollwert mit dem Istwert der Kraft F_GS aus der Kraftmeßeinichtung 82 vergleicht und ein entsprechendes Stellsig­ nal zum Stellglied 84 leitet. Die daraus resultierenden Lenkein­ schläge α erzeugen dann Seitenkräfte F_S, deren Größe und zeitli­ cher Verlauf denen bei der aufgezeichneten Probefahrt mit Quer­ beschleunigungen sehr ähnlich sind.

Wenn die Testoberfläche 2 gleichzeitig so programmiert wird, daß ein bestimmtes Straßenprofil h₁(t) u. h₂(t) für die beiden Fahrspuren simuliert wird, und eine zur Kurvenfahrt passende Fahrgeschwindigkeit v(t) gewählt wird, können Kurvenfahrten mit nur 4 Erregersignalen simuliert werden.

• - rechtes Fahrbahnprofil h₁(t)
• - linkes Fahrbahnprofil h₂(t)
• - Fahrgeschwindigkeit v(t)
• - Querbeschleunigung a_q(t) bzw. Querkraft F_GS(t).

Diese Erregersignale können unabhängig vom jeweils zu prüfen­ den Fahrzeug gespeichert werden und zu Prüfprogrammen zusammen­ gestellt werden.

Die Gesamtseitenkraft F_GS ist von der im Fahrbetrieb gemessenen Querbeschleunigung a_q abhängig : F_GS=a_q×m, wobei m die Fahr­ zeugmasse ist.

In ähnlicher Weise können Fahrbahnunebenheiten mit Bremsmanövern kombiniert werden. Die Fig. 9 stellt die wichtigsten Elemente des Bremsregelkreises vor. Das im Schwerpunkt gefesselte Fahrzeug 1 wird bei Betätigung der Bremse 99 des Rades 5 eine Bremskraft F_B im Radaufstandspunkt 6 erzeugen. Zusammen mit den Brems­ kräften F_B der übrigen Räder entsteht im Lenker 13 eine Gesamt­ bremskraft F_GB, die in einer Kraftmeßeinrichtung 92 gemessen wird. Die in Richtung 54 bewegte Testoberfläche 2 wird dabei abgebremst, die Bremskraft wird über Fahrwerk, Karosse und Lenker 13 auf den Befestigungspunkt 91 an der Stütze 97 übertragen.

Zur Simulation eines Bremsmanövers wird ein entsprechender gespei­ cherter Sollwertverlauf F_GB(t) von einer Speichereinheit 98 abge­ rufen und mit dem jeweiligen Istwert F_GB an der Kraftmeßeinrich­ tung 92 in der Regeleinrichtung 93 verglichen. Aus jeder Abwei­ chung zwischen Ist- und Sollwert wird ein Stellsignal gebildet, das im Stellglied 94 im Simulator 15 eine entsprechende Betäti­ gung der Bremse 9 hervorruft. Durch entsprechende Wahl der Test­ oberfläche, beziehungsweise deren beide Fahrbahnprofile h₁(t) und h₂(t) und der Fahrgeschwindigkeit v(t) und deren Kombina­ tion mit dem zeitlichem Bremskraftverlauf F_GB(t) lassen sich Bremsmanöver bei unebener Straße und konstanter Geschwindigkeit ausführen. Man kann die Geschwindigkeit v(t) auch in Abhängigkeit von der jeweiligen Größe der Gesamtbremskraft F_GB verändern. Die Bremskraft F_GB ist von der beim Fahrversuch gemessenen Ver­ zögerung a_B abhängig:

F_GB = a_B · m

wobei m die Fahrzeugmasse bedeutet.

Anhand von Fig. 10 wird der Regelkreis zur Simulation von An­ triebskräften F_A am Radaufstandpunkt 4 des angetriebenen Rades 3 beschrieben. Die Fesselung des Fahrzeuges an einer Stütze 97 entspricht der von Fig. 9.

Die Gesamtantriebskraft F_GA als Summe der Antriebskräfte F_A aller Antriebsräder wird am gleichen Kraftaufnehmer 92 gemessen wie die Bremskraft F_GB. Durch eine Schaltvorrichtung 110 kann dieser Soll­ wert wahlweise an den Brems- oder den Antriebsregelkreis geführt werden, wobei die Schalterstellung davon abhängt, ob Brems- oder Antriebsmanöver simuliert werden sollen, analog der Ent­ scheidung des Fahrers, den Fuß entweder auf der Bremse oder auf dem Gaspedal zu plazieren. Der Sollwert F_GA(t) aus der Speicher­ einheit 108 wird in der Regeleinrichtung 103 mit dem Istwert ver­ glichen. Abweichungen führen zu einem Stellsignal und einer Betätigung des Stellgliedes 104 im Simulator 15, das seinerseits das Antriebsmoment des Fahrzeugmotors 109 verändert und die Fahr­ zeugräder antreibt.

Durch Kombination von Fahrmanövern wie Bremsen, Antreiben oder Kurvenfahren mit den durch die Testoberfläche 2 simulierten Fahr­ bahnprofilen entstehen in den Radaufstandspunkten gleichzeitig auch die zu den Radmittelpunkten gerichtete, im wesentlichen vertikale Kräfte F_V und F_H, die für eine dynamische Anregung der Radaufhängungen und der Aufbaustruktur sorgen. Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß der wesentliche Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens darin liegt, daß mit einer relativ geringen Zahl von Anregungs-Zeit-Funktionen:

• - rechtes Fahrbahnprofil h₁(t)
• - linkes Fahrbahnprofil h₂(t) nur bei Zweispurfahr­ zeugen
• - Querkraft F_GS(t)
• - Bremskraft F_GB(t)
• - Antriebskraft F_GA(t)
• - Schalterstellung 110

die gesamte Fahrzeugbewegung und Beanspruchung simuliert werden kann. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß diese Anregung-Zeit- Funktionen weitgehend unabhängig voneinander sind und auf unter­ schiedliche Fahrzeuge innerhalb einer Klasse (wie z.B. Pkw) an­ wendbar sind.

Die an der Testoberfläche erzeugten Reibkräfte F_A und F_B müssen von den Trommel- oder Bandantrieben 25 aufgenommen werden. Bei Bremsvorgängen muß die Testoberfläche angetrieben werden, beim Antreiben muß die Testoberfläche zum Beispiel über Wasserwir­ belbremsen oder E-Motoren abgebremst werden, wobei eine Ener­ gierückgewinnung möglich ist.

Die in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellte Fesselung des Fahr­ zeuges mittels Lenker 13 kann problematisch sein, wenn der Fahr­ zeugschwerpunkt nicht zugänglich ist, oder wenn die Fahrzeug­ struktur eine Konzentration der horizontalen Massenkräfte aus Längs- und Querbeschleunigungen nicht zuläßt.

Für diesen Fall wird in Fig. 11 eine Prüfstandsvariante vor­ geschlagen, die durch entsprechende Neigung der Testoberfläche Gewichtskräfte zur Simulation der Massenkräfte benutzt.

Die Antriebs- und Umlenkrollen 32 und 33 eines Prüfstandes mit umlaufendem Band 31 sind auf einer Schwenkeinrichtung 115 mit kugelförmiger Lagerungsfläche 113 so montiert, daß sie auf einen Fundamentteil 114 geschwenkt werden kann. Der Kugelmit­ telpunkt liegt dabei etwa im Schwerpunkt 12 des Fahrzeuges 1.

Die in Richtung der Testoberfläche wirkende Komponente F_GB der Fahrzeuggewichtskraft F_GW muß durch Bremskräfte F_B an den Rädern ausgeglichen werden, wenn das Fahrzeug seine Schwerpunktslage im Raum beibehalten soll. Bei Bremssimulation wird hier ein Wegregelkreis statt eines Kraftregelkreises benutzt.

Im Fahrzeugschwerpunkt 12 ist eine Wegmeßeinrichtung 112 befestigt, die den Abstand des Schwerpunktes von einem Punkt 111 am Schwenk­ rahmen 115 feststellt. Dieser Abstand wird mittels Regeleinrich­ tung 92 konstant gehalten, wenn am Sollwertgeber 98 ein konstanter Sollabstand eingestellt wird.

Sein Stellsignal wirkt im Falle der Bremssimulation auf die Fahrzeugbremsen über das Stellglied 94 und im Fall der Simulation von Antriebskräften F_A auf den Fahrzeugmotor über das Stellglied 104 im Fahrsimulator 15.

Analog lassen sich Seitenkräfte FS dadurch erzeugen, daß die Schwenkeinrichtung 115 seitlich verkippt wird und ein weiterer nicht dargestellter Wegregelkreis die Seitenverschiebung des Fahrzeuges über Lenkeinschläge relativ zur Testoberfläche konstant hält.

Die in Fig. 11 dargestellte Schwenkeinrichtung läßt sich nur langsam verstellen, kann somit Reibkräfte bei Bergfahrten, lang­ samen Bremsvorgängen oder Kurvenfahrten auf konstantem Kurvenradius simulieren.

Zur Simulation hochfrequenter Reibkräfte ist in Fig. 12 eine Prüfstandsvariante mit den gleichen Wegregelkreisen wie in Fig. 11 gezeigt. Das Fahrzeug bleibt hier ebenfalls ungefesselt, kann aber horizontale Bewegungen ausführen. So führt eine Brems­ kraft F_B zu einer Beschleunigung des Fahrzeuges nach rückwärts und damit zu einer Verschiebung des Schwerpunktes 12. Anschließend ist dann eine Beschleunigung nach vorn notwendig, um die Schwer­ punktsverschiebung wieder rückgängig zu machen.

Innerhalb des vom Prüfstand vorgegebenen Bewegungsraumes in Längs­ und -querrichtung können beliebig hohe, nur durch die Reibung begrenzte Massenkräfte über die Räder in das Fahrzeug eingeleitet werden. Lediglich die Zeit ihrer Einwirkung muß so kurz gehalten werden, daß die Verschiebungen nicht zu groß werden. Dies ist kein genereller Nachteil bei Betriebsfestigkeitsuntersuchungen, wo es nur auf die Größe und Zahl der Belastungsamplituden, nicht jedoch auf die Dauer der Belastung ankommt.

Bei Studien über Lebensdauer und Erwärmung von Bremsanlagen ist jedoch eher ein Prüfstand nach Fig. 11 von Vorteil, weil hier Bremsbelastungen beliebig lange simuliert werden können.

Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dargestellten neuen Merkmale allein oder in sinnvoller Kom­ bination sind erfindungswesentlich, auch wenn sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Simulation von Betriebsbeanspruchungen an Fahr­ zeugen und Fahrwerken durch Vorgabe der zeitlichen Anregungs­ funktionen durch Fahrbahnoberflächen und Fahrmanöver dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrmanöver wie Beschleunigen, Brem­ sen, Geschwindigkeitwählen, Kurvenfahrt einerseits und die Er­ regung der schwingungsfähigen Fahrzeugstruktur durch Uneben­ heiten der Straßenoberfläche andererseits auf einem Prüfstand getrennt voneinander eingeleitet werden, daß diese getrennt gemessenen Anregungsfunktionen für unterschiedlich harte Prüfungen beliebig gemischt werden können, daß dieselben An­ regungsfunktionen auf unterschiedliche Fahrzeuge angewendet werden können, daß bei unterschiedlichen Fahrzeugen durch ver­ schiedene Übertragungsfunktionen zwischen den Erregerstellen und den interessierenden Fahrzeugpunkten an diesen Punkten auch verschiedene Beanspruchungen von selbst wie im Fahrbe­ trieb auftreten, ohne daß diese Antwortfunktionen wie Deh­ nungen, Schwingwege, Beschleunigungskräfte oder Verformungen an diesen Fahrzeugpunkten für unterschiedliche Anregungen oder Fahrzeuge gemessen und durch Weg- oder Kraftsimulatoren re­ produziert werden müssen.

2. Verfahren und Prüfstand nach Anspruch 1 zur Ermittlung der Betriebsfestigkeit von Fahrzeugen aller Art, bei denen die Räder des zu prüfenden Fahrzeuges auf einer Testoberfläche abrollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Testoberfläche re­ lativ zum Fahrzeug bewegt und deren Profil frei program­ mierbar verändert wird.

3. Prüfstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Testoberfläche auf der Mantel- oder Stirnfläche einer ro­ tierenden Trommel ausgebildet ist, auf der alle Räder des Fahrzeuges aufliegen.

4. Prüfstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Testoberfläche als umlaufendes Band ausgebildet ist, auf dem die Räder eines oder mehrerer Fahrzeuge aufliegen.

5. Prüfstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Testoberfläche auf mehreren Trommeln abgebildet wird, auf denen je ein Rad des Fahrzeugs aufliegt.

6. Prüfstand nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Profilierung der Testoberfläche Fahrbahnelemente verwen­ det werden, die durch Stellantriebe einzeln relativ zur Fahr­ bahnoberfläche verstellt werden können, so daß ein veränder­ liches Profil erzeugt werden kann.

7. Prüfstand nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenktrommeln Stelltriebe aufweisen, deren Position auf die Fahrbahnelemente eines umlaufenden Bandes übertragen werden können, so daß ein veränderliches Profil erzeugt wer­ den kann.

8. Prüfstand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festhalten der Position der Fahrbahnelemente im umlaufenden Band vorgespannte Formschluß- oder Reibschlußverbindungen eingesetzt werden, die in der Druckzone eines gegliederten Bandes liegen und sich bei Belastung des geraden Bandteiles z. B. durch die Fahrzeugräder, von selbst festhalten.

9. Verfahren zur Simulation von Reibkräften am Radumfang im Kon­ taktpunkt zwischen Fahrzeugrad und Testoberfläche in Kombina­ tion mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug in Richtung der Reibkraft gefesselt, in allen übrigen Frei­ heitsgraden beweglich ist, und daß Kraftregelkreise für die horizontalen Längskräfte und Querkräfte an der Fesseleinrichtung verwendet werden.

10. Verfahren zur Simulation von Reibkräften am Radumfang in Kombination mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Testoberfläche in Richtung der Reibkraft geneigt wird und die Kraftübertragung durch Antreiben der Fahrzeugräder und Abbremsen der Testoberfläche oder umgekehrt bewerkstel­ ligt wird, und daß Lageregelkreise den Schwerpunkt des Fahr­ zeuges in Längs- und Querrichtung halten.

11. Verfahren zur Simulation von Reibkräften am Radumfang in Kombination mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug sich auf der Testoberfläche horizontal frei bewegen kann und durch Lageregelkreise in Längs- und Quer­ richtung beschleunigt werden kann.