DE3920277A1

DE3920277A1 - Verfahren und vorrichtung zur untersuchung von fahrzeugen auf pruefstaenden

Info

Publication number: DE3920277A1
Application number: DE19893920277
Authority: DE
Inventors: Reinhold Bendel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Horiba Automotive Test Systems GmbH
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1989-06-21
Publication date: 1991-01-03
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: DE3920277C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Untersuchung von Fahrzeugen auf Prüfständen, wobei die Fahrzeuge jeweils auf einer von Elektromaschinen angetriebenen beziehungsweise gebremsten Trommelanordnung stehen.

Zur stationären Prüfung von Kraftfahrzeugen werden häufig Prüfstände mit Rollenanordnungen verwendet, auf denen das jeweilige Fahrzeug steht. Weil sich das zu prüfende Fahrzeug nicht wirklich bewegt, müssen verschiedene Fahrzeug- und Straßenparameter simuliert werden, aus denen sich die für die Beschleunigung und/oder Erhaltung der Fahrzeuggeschwindigkeit notwendigen Kräfte ergeben.

Zur Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit muß ein Fahrzeugmotor geschwindigkeitsabhängige Kräfte überwinden. Bei positiver oder negativer Beschleunigung müssen Trägheitskräfte überwunden oder aufgenommen werden, Die geschwindigkeitsabhängigen Kräfte werden von der Anfahrreibung, der Rollreibung und den Windkräften hervorgerufen. Es müssen also diejenigen Kräfte simuliert werden, die auf das Fahrzeug einwirken, wenn es auf der Straße fährt. Bei der Simulation sind auch die Gegebenheiten der Rollenanordnung zu berücksichtigen. In einem Simulator müssen daher die Fahrgleichungen des Fahrzeugs, der Straße und der Rollenanordnung bestimmt werden. Die Fahrzeugkräfte ergeben sich nach folgender Gleichung:

F_F + F_W + m_F (± ) + G (± sin α) = 0 (1)

In dieser Gleichung sind mit F_F die am Reifen wirkende Kraft, mit F_W die Windkraft, mit m_F die Fahrzeugmasse, mit v die Fahrzeugbeschleunigung, mit G das Fahrzeuggewicht und mit α der Neigungswinkel der Straße bezeichnet.

Die auf die Rollenanordnung einwirkenden Kräfte ergeben sich aus folgender Gleichung:

Hierin sind mit F_P die Kräfte an der Trommellauffläche, mit M_dM das auf die Welle der elektrischen Antriebsmaschine bezogene Drehmoment, mit J das Massenträgheitsmoment der Prüfstandstrommel, mit die Winkelbeschleunigung der Prüfstandstrommeln, mit M_R das Reibungsmoment der Prüfstandstrommeln und mit r der Trommelradius bezeichnet.

Da die Kräfte an den Reifen- und Trommellaufflächen gleich groß sind, gilt F_P = F_F.

Hieraus ergibt sich die Gleichung:

Als Regelgröße in einem Regelkreis kann die Zugkraft verwendet werden. Ein Simulator bildet aus den vorgegebenen Fahrzeug-, Straßen- und Prüfstandsgrößen F_W, m_F, +v, G, α, J, ±ω und M_R den Sollwert der Zugkraft und stellt ihn dem Regelkreis zur Verfügung. Die Zugkraft ergibt sich aus folgender Beziehung:

worin mit F_SimF die auf der linken Seite der Gleichung (3) stehenden Größen und mit F_SimP die auf der rechten Seite der Gleichung (3) stehenden Größen mit Ausnahme der Zugkraft bezeichnet sind.

Die Zugkraft als Regelgröße eignet sich für den Regelkreis eines Prüfstands, der für eine Achse des Fahrzeugs nur ein Antriebsaggregat hat.

Für die Prüfung allradangetriebener Fahrzeuge sind gesondert angetriebene Trommeln für die Ausbildung von Drehzahldifferenzen der Räder einer Achse erforderlich. Für die Einstellung der Differenzdrehzahlen sind aufwendige Differenzdrehzahlregelkreise mit Differenzkraftbegrenzung nötig.

Der Erfindung liegt die Aufgbe zugrunde, zur Untersuchung von Fahrzeugen der Prüfstände mit einer Trommelanordnung ein Verfahren zu entwickeln, mit dem durch zwei oder mehr einzeln angetriebenen Trommeln auf einfache Weise die Drehzahlen der Räder des Fahrzeugs unterschiedlich eingestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Regelgröße die Umfangsgeschwindigkeit der von den Fahrzeugrädern angetriebenen Trommeln verwendet wird und daß der Geschwindigkeitssollwert aus der Gesamtgleichung der Fahrzeugkräfte und der Prüfstandskräfte berechnet wird und bei Kurvenfahrsimulation zu der Sollgeschwindigkeit vorzeichenrichtig die halbe Differenz der Geschwindigkeitssollwerte der jeweils zu einer Achse gehörenden Räder hinzugefügt wird. Bei diesem Verfahren wird jedes Rad gemäß einem aus Simulationsgrößen bestimmten Geschwindigkeitssollwert geregelt. Der Geschwindigkeitssollwert kann dem für die Simulation einer Kurvenfahrt oder eines Schlupfes erforderlichen Differenzdrehzahlsollwert entsprechen.

Vorzugsweise wird die Fahrzeuggeschwindigkeit nach folgender Gleichung bestimmt:

worin mit M_F die Fahrzeugmasse, mit R der Reibradius, mit J das Massenträgheitsmoment der Prüfstandstrommeln, mit F_W die Windkraft, mit MR die Reibung, mit G das Fahrzeuggewicht und mit α der Straßensteigungswinkel und mit M_dM das Drehmoment, bezogen auf die Antriebsmaschine, bezeichnet wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Geschwindigkeitsregelung mit einer Differenzkraftbegrenzung für die Räder ausgerüstet.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahren besteht erfindungsgemäß darin, daß mindestens für jedes treibende Fahzeugrad eine Trommel vorgesehen und je mit einer elektrischen Maschine verbunden ist und daß die Maschine jeweils Stellglied eines Geschwindigkeitsregelkreises ist, dessen Istwert von einem mit der Maschine verbundenem Tachogenerator und dessen Sollwert von einem Prozessor erzeugt wird, in dem die Fahrzeug-, Prüfstands- und Straßenparameter gespeichert sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils ein Ist-Drehmomentsensor zur Messung des von der Maschine auf die Trommel übertragenen Drehmoments mit dem Prozessor verbunden, in dem Sollwerte über die zulässigen Differenzzugkräfte zwischen den Rädern der gleichen Achse und gegebenenfalls den Radpaaren der verschiedenen Achsen gespeichert sind und der jeweils bei Erreichen der zulässigen Differenzzugkräfte die Geschwindigkeitsregelkreise im Sinne einer Begrenzung der Differenzgeschwindigkeiten beeinflußt. Es kann auch eine Absolutkraftbegrenzung vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Fahrzeugprüfstand schematisch in Seitenansicht,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der elektrischen Teile des Fahrzeugprüfstands mit Differenzkraftbegrenzung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektrischen Teile des Fahrzeugprüfstandes mit Absolutkraftbegrenzung.

Ein Kraftfahrzeugprüfstand 1 enthält einen Rahmen 2, der für jedes Rad einen Satz von Trommeln enthält. Zu Fig. 1 sind jeweils ein Satz vorderer Trommeln 3, 4 und ein Satz hinterer Trommeln 5, 6 dargestellt. Von jedem Satz Trommeln ist ein, zum Beispiel 3 und 5, mit einem elektrischen Antrieb verbunden. Ein zu testendes Fahrzeug 7 ruht mit den Vorderrädern 8 auf den beiden Sätzen der vorderen Trommeln und mit seinen Hinterrädern 9 auf den beiden Sätzen der hinteren Trommeln.

Die elektrischen Maschinen für jeweils eine Trommel eines jeden Satzes sind in den Fig. 2 und 3 mit 10, 11, 12 und 13 bezeichnet. Es handelt sich um Gleichstrommaschinen, die je nach den betrieblichen Gegebenheiten als Motor oder Generator arbeiten können. Beispielsweise sind die Maschinen 10, 11 je mit einer Trommel 3 und 14 der Sätze für die Vorderräder und die Maschinen 12, 13 je mit einer Trommel 5 und 15 der Sätze für die Hinterräder verbunden. Mit Ist-Drehmomentsensoren 16, 17, 18, 18′ werden jeweils die zwischen den Maschinen 10, 11, 12 und 13 und den Trommeln 3, 14, 5 und 15 übertragenen Drehmomente M_d1 bis M_d4 gemessen. Den Maschinen 10, 11, 12 und 13 sind jeweils Stromrichter 19, 20, 21, 22 vorgeschaltet, die je von Regelverstärkern 23, 24, 25, 26 gesteuert werden. Mit den Maschinen 10, 11, 12, 13 sind jeweils Tachogeneratoren 27, 28, 29, 30 verbunden, mit denen die Winkelgeschwindigkeiten ω₁-ω₂ gemessen werden. Die Regelverstärker 23 bis 27, die Stromrichter 19 bis 22, die Tachogeneratoren 27 bis 30 und die Maschinen 10 bis 13 sind jeweils Bestandteile von Drehzahlregelkreisen, die vor den Regelverstärkern 23 bis 26 jeweils die Regelabweichungen zwischen den von den Tachogeneratoren 27 bis 30 gelieferten Drehzahlwerten beziehungsweise Geschwindigkeitswerten und Sollwerten bilden, die mit einem Prozessor 31 gebildet werden, der über Ausgänge mit jedem Regelkreis verbunden ist.

Als Prozessor kann ein Rechner, zum Beispiel ein Prozessorrechner, oder ein programmierbares Steuergerät verwendet werden. Es sei angenommen, daß der Prozessor an die Drehzahlregelkreise analoge Drehzahlsollwerte ausgibt. Dem Prozessor werden noch in analoger Form die Geschwindigkeits-Istwerte der Tachogeneratoren 27 bis 30 und die Istwerte der Ist-Drehmomentsensoren 16 bis 19 zugeführt.

Mit der in der Fig. 1 und der dargestellten Anordnung werden für das zu prüfende Fahrzeug 7 Fahrzeug- beziehungsweise Straßenparameter simuliert. Diese Parameter entsprechen den für die Beschleunigung oder Geschwindigkeitsaufrechterhaltung des Fahrzeugs notwendigen Kräften. Die Fahrzeugkräfte werden nach folgender Beziehung ermittelt:

F_F + F_W + m_F (± v) + G (± sin α) = 0

Die Prüfstandskräfte ergeben sich aus folgender Beziehung

In den beiden Gleichungen entsprechen die Formelzeichen folgenden Größen:

F = Kraft in Fahrtrichtung
G = Fahrzeuggewicht
m = Fahrzeugmasse
M_d = Drehmoment (bezogen auf die Motormaschinenwelle)
= Fahrzeugbeschleunigung
= Winkelbeschleunigung der Trommel
J = Massenträgheitsmoment der Prüfstandstrommeln
r = Trommelradius

Die Indexe haben folgende Bedeutung:

w = Wind
b = Beschleunigung
St = Steigung
P = Trommel
R = Reibung
M = Maschine

Die Gesamtgleichung lautet:

Da die Kräfte an den Reifen- und Trommelflächen gleich groß sind, heben sie sich in der Gleichung auf:

Der Prozessor 31 bestimmt hieraus die Geschwindigkeit

Die Größen m_F, J, G und r sind im Prozessor 31 für das jeweils zu prüfende Fahrzeug gespeichert. Ferner enthält der Prozessor den Wert des Trägheitsmoments. Darüber hinaus sind im Prozessor 31 das Reibungsmoment M_R der Antriebsmaschine sowie die Windkraft beispielsweise in Form einer geschwindigkeitsabhängigen Funktion beziehungsweise Tabelle gespeichert. Für die Untersuchung eines bestimmten Fahrverhaltens werden die Fahrzeuggeschwindigkeit v, aus der der Prozessor die Fahrzeugbeschleunigung errechnet und der Straßensteigungswinkel α nach einem Fahrprogramm vorgegeben. Änderungen der Trommelumfangsgeschwindigkeiten bestimmt der Prozessor aus den Tachogeneratorsignalen durch Bildung der ersten Ableitung nach der Zeit nach folgender Gleichung:

Für die Simulation einer Kurvenfahrt werden vom Prozessor 31 für die einzelnen Räder angegebenen Drehzahlsollwertzeichen mit Hilfe der Fahrzeuggeschwindigkeit wv und der der Kurvenfahrt entsprechenden Differenzgeschwindigkeiten wΔv1 bis wΔv4 die einzelnen Trommelumfangsgeschwindigkeiten wie folgt gebildet:

worin mit wv1, wv2, wv3, wv4 die Sollwerte für die Umfangsgeschwindigkeiten der vier Räder, mit wv die oben beschriebene Fahrzeugsollgeschwindigkeit und mit wΔv1, 2, wΔv3, 4 die Geschwindigkeitssollwertdifferenz für eine Radachse bezeichnet wird.

Im Beispiel der Fig. 2 sind im Prozessor 31 weiterhin Differenzzugkraftgrenzen für die einzelnen Räder eines Radpaares und für Radpaare gespeichert. Aus den gemessenen Ist-Drehmomenten M_d1 und M_d2 der beiden Räder einer Achse bestimmt der Prozessor 31 die Zugkräfte F₁, F₂ und die Differenzzugkraft ΔF_1,2. Diese Differenzzugkraft wird beispielsweise nach Umwandlung in einen analogen Wert mit dem vorgegebenen Grenzwert ΔF_1,2 verglichen. Hierfür kann eine Summierstelle 32 mit nachgeschaltetem Regelverstärker 33 vorgesehen sein. Der Ausgang des Regelverstärkers 32 ist mit den Regelverstärkern 23 und 24 derart verbunden, daß zum Beispiel bei Gleichheit der vorgegebenen Differenzzugkraft wΔF_2,3 und der aus den Drehmomenten berechneten Differenzzugkraft xΔF_1,2 das Ausgangssignal des Regelverstärkers 33 die Ausgangsignale der Regelverstärker 23, 23, begrenzt. Zur Begrenzung können an sich bekannte Diodenschaltungen verwendet werden.

Für das weitere Radpaar werden aus den gemessenen Zugkräften F₃, F₄ und die Differenzzugkraft xΔF_3,4 mit dem Prozessor 31 bestimmt. Diese Differenzzugkraft wird mit einer vorgegebenen Differenzzugkraft wF_3,4Grenz, zum Beispiel in einem Summierer 34 verglichen, dem ein Regelverstärker 35 nachgeschaltet ist. Der Regelverstärker 35 ist ausgangsseitig mit den Regelverstärkern 25, 26 verbunden. Liegt die Bedingung xF_3,4 = wF_3,4Grenz vor, dann werden die Ausgangssignale der Regelverstärker 25, 26 begrenzt.

Aus den Zugkraftistwerten xF₁ bis xF₄ berechnet der Prozessor 31 auch die mittleren Zugkräfte jeder Achse und die mittlere Differenzzugkraft xΔF_v/h zwischen beiden Achsen. Diese mittlere Differenzzugkraft xF_v/h wird mit einem vorgegebenen Grenzwert wF_v/hGrenz, zum Beispiel in einem Summierer 36 verglichen, dem ein Regelverstärker 37 nachgeschaltet ist, dessen Ausgang mit den Regelverstärkern 23 bis 26 verbunden ist. Wenn xF_v/h = wF_v/hGrenz ist, dann verhindert der Regelverstärker 37 ein weiteres Ansteigen der Ausgangsignale der Regelverstärker 23 bis 26. Der Vorteil dieser Differenzringkraftbegrenzung liegt darin, daß sowohl Fahrzeuge mit freien als auch mit gesperrten Differentialen und/oder Achsverteilergetrieben ohne besondere Reglerumschaltungen geprüft werden können.

Gleichzeitig können die in diesen Getrieben eingesetzten Ausgleichssperren durch Voreinstellung der zulässigen Differenzmomentgrenzen geschützt werden.

Eine andere Art der Kraftbegrenzung ist in dem Beispiel Fig. 3 dargestellt. Hierbei werden die Absolutkräfte begrenzt.

Das entspricht weitgehend der Zugkraftbegrenzung, wie sie zwischen Reifen und Straße auftritt. (Durchrutschen des Reifens, wenn die Zugkraft am Reifen größer ist als die übertragene Kraft.)

Bei diesem Regelkonzept greifen die Zugkraftregler 38, 39, 40, 41 nicht in alle Drehgaberegler 23 bis 26 ein, sondern nur jeweils in den zum gleichen Stellglied gehörenden Drehzahlregler.

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung von Fahrzeugen auf Prüfständen, wobei die Fahrzeuge jeweils auf einer von Elektromaschinen angetriebenen beziehungsweise gebremsten Trommelanordnung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße die Umfangsgeschwindigkeit der je durch die Fahrzeugräder antreibbaren Trommeln verwendet wird und daß der Geschwindigkeitssollwert aus der Gesamtgleichung der Fahrzeugkräfte und der Prüfstandskräfte berechnet wird und bei Kurvenfahrtsimulation vorzeichenrichtig die halbe Differenz der Drehzahlsollwerte der jeweils zu einer Achse gehörenden Räder hinzugefügt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit nach folgender Gleichung bestimmt wird: worin mit m_F die Fahrzeugmasse, mit r der Reibradius, mit J das Massenträgheitsmoment der Prüfstandstrommeln, mit F_W die Windkraft, mit MR die Reibung, mit G das Fahzeuggewicht und mit α der Straßensteigungswinkel und mit M_d das Drehmoment, bezogen auf die Maschinenwelle der Antriebsmaschine, bezeichnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsregelung für die Nachbildung von Kurvenfahrten Zusatzsollwerte aufgeschaltet werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsregelung mit einer Differenzzugkraftbegrenzung für die Räder ausgerüstet ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitsregelung mit einer Absolutkraftbegrenzung ausgerüstet ist.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens für jedes treibende Fahrzeugrad eine Trommel (3, 14; 5, 15) vorgesehen und je mit einer elektrischen Maschine (10, 11; 12, 13) verbunden ist und daß die Maschine jeweils Stellglied eines Geschwindigkeitsregelkreises ist, dessen Istwert von einem mit der Maschine verbundenen Tachogenerator (27, 28; 29, 30) und dessen Sollwert von einem Prozessor (31) erzeugt wird, in dem die Fahrzeug-, Straßen- und Prüfstandsparameter gespeichert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Ist-Drehmomentsensor (16, 17; 18, 19) zur Messung des zwischen Maschine (11, 12; 13, 14) und der Trommel (3, 14; 5, 15) übertragenen Drehmoments mit dem Prozessor (31) verbunden ist, in dem Sollwerte über die zulässigen Differenzzugkräfte zwischen den Rädern der gleichen Achse und gegebenenfalls den Radpaaren verschiedener Achsen gespeichert sind und der jeweils bei Erreichen der zulässigen Differenzzugkraft die Geschwindigkeitsregelkreise im Sinne einer Begrenzung der Differenzzuggeschwindigkeiten beeinflußt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Ist-Drehmomentsensor (16, 17; 18, 19) zur Messung des zwischen Maschine (11, 12; 13, 14) und der Trommel (3, 14; 5, 15) übertragenen Drehmoments mit dem Prozessor (31) verbunden ist, in dem Sollwerte über die zulässigen Absolutkräfte an den Rädern gespeichert sind und den jeweils bei Erreichen der zulässigen Absolutzugkräfte die Geschwindigkeitsregelkreise im Sinne einer Begrenzung der Absolutzugkräfte beeinflußt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine übergeordnete Geschwindigkeitsbegrenzung das Durchdrehen eines Antriebs im Falle der Absolutkraftbewegung bewirkt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Trommeln auf die Anzahl der treibenden Fahrzeugachsen begrenzt ist.