DE4000940A1

DE4000940A1 - Verfahren und vorrichtung zum pruefen von fahrzeugen

Info

Publication number: DE4000940A1
Application number: DE19904000940
Authority: DE
Inventors: Juergen Ohr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-01-15
Filing date: 1990-01-15
Publication date: 1991-07-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen der Betriebsfe stigkeit von Fahrzeugkarosserien sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Durch die steigende Nachfrage nach individuellen Fahrzeugen, die durch Umbau beispielsweise eines Kabrioletts oder der Ver längerung oder Verkürzung eines Personenwagens angefertigt wer den, steigen auch die Anforderungen an die Prüfmethoden staatli cher oder halbstaatlicher Überwachungsvereinigungen. Auf diesem Sektor der Typenprüfungen werden Fahrzeuge untersucht und abge nommen, bei denen umfangreichere Änderungen an tragenden Bautei len der Karosserie vorgenommen worden sind. Hierbei werden bis her im wesentlichen subjektive Prüfmethoden angewendet. Ein zu prüfendes Fahrzeug wird beispielsweise auf schlechten Landstra ßen oder im Ausnahmefall auf einer Rennstrecke gefahren, wobei die Straßenlage und das Aufschwingverhalten im Verhältnis zum Originalfahrzeug beurteilt werden. Zusätzlich wird durch ein einfaches Anheben eines Rades über die Schließeigenschaften der Türen und Klappen auf mögliche Verformungen der Karosserie ge schlossen.

Darüber hinaus sind dynamische Prüfungen in der Erprobung, de ren Ablauf etwa folgendermaßen sein soll:
Anbringung eines Dehnmeßstreifens an einer tragenden Komponente des Fahrzeugs,
einseitiges Überfahren einer Schwelle bestimmter Form und Größe,
Messen der maximalen Dehnung bei dem hierbei ausgeüb ten Stoß und dabei Rückschluß auf die Spannungsspitze,
schwellende Simulation dieser gemessenen Belastung mit festgelegter Lastspielzahl auf einem Prüfstand.

Bei diesem Prüfverfahren werden wesentliche Einflußfaktoren ver nachlässigt, vor allem Fahrereinflüsse, Reifeneigenschaften, Fe der-Dämpfersysteme und wirkliche, durch die Straßenverhältnisse verursachte Lastkollektive. Damit ist auch eine genauere Aussa ge über die Sicherheit eines Fahrzeugs nicht möglich.

Die technischen Möglichkeiten für eine weitgehende Prüfung, die einen sicheren Rückschluß auf die Betriebsfestigkeit von Serien fahrzeugen zuläßt, sind bei den Fahrzeugherstellern vorhanden. Dort wird ein neues Fahrzeug auf einen Mehrachsenprüfstand ge setzt, mit dem wirkliche Fahrbelastungen von verschiedensten Strecken im Zeitraffer simuliert werden können. Bei diesem ver schärften Test werden etwa 300000 km in zwei Wochen simulativ gefahren. Eine Vorschädigung des Fahrzeugs ist dabei nicht mit Sicherheit zu vermeiden. Die Grundlagen für solche verschärften Untersuchungen sind darin zu sehen, daß die Fahrzeughersteller völlig neue Konstruktionskonzepte auf ihre Lebensdauer prüfen müssen. Hierzu steht ihnen eine Reihe von Versuchsfahrzeugen zur Verfügung, so daß auch zerstörende Tests durchgeführt wer den können, mit denen die Bautoleranzen einer Großserie abgesi chert werden müssen. Nicht zuletzt ist entscheidend, daß die fi nanziellen Möglichkeiten eines Großunternehmens besser sind als die eines Überwachungsvereins.

Die Randbedingungen eines technischen Überwachungsorgans sind hingegen hiervon verschieden. Vor allem muß eine Vorschädigung des zu prüfenden Fahrzeugs vermieden oder zumindest gering ge halten werden, da das Fahrzeug nach der Prüfung am Verkehr teil nehmen soll. Weiter soll die Prüfung zwar die Festigkeit insge samt sicherstellen, das Fahrzeug ist aber durch die im allgemei nen zweÿährigen Untersuchungsintervalle regelmäßig überwacht und kann deshalb einer reduzierten Prüfmethode unterzogen wer den. Außerdem wird jedes umgebaute Fahrzeug vor der Zulassung geprüft, da keine Stichprobenprüfung vorgesehen ist. Schließ lich kann eine gewisse Grundfestigkeit bei derartigen Fahrzeu gen vorausgesetzt werden, da als Basis in aller Regel Serien fahrzeuge verwendet werden, die schon bei ihrer Entwicklung ver schärften Tests unterzogen worden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei wirtschaft lich günstigen Randbedingungen eine sichere Aussage über das Be triebsfestigkeitsverhalten eines Fahrzeugs ermöglichen, so daß ohne eine Vorschädigung des zu prüfenden Fahrzeugs und mit ei nem vertretbaren Aufwand eine realistische, technisch fundierte Prüfung anstelle einer willkürlichen Beurteilung möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Kennzeichen der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird von dem dreiachsigen Belastungsspektrum eines Fahrzeuges im Straßenbetrieb hauptsächlich die Torsionskomponente betrachtet, zum Teil auch die Querkraftkomponente. Diese Idealisierung ist deshalb möglich, weil bei einer eingangs erwähnten Veränderung der Karosserie im allgemeinen hauptsächlich die Torsionssteifig keit verringert wird, während Biegung und Querkraft kaum beein flußt werden. Zur Prüfung dient ein Torsionsprüfstand, bei dem eine Achse, im allgemeinen die Vorderachse des zu prüfenden Fahrzeugs, relativ zur festgehaltenen Hinterachse verdreht wird. Den Antrieb übernimmt eine kraftgeregelte Bewegungsein heit.

Der Prüfungsablauf setzt sich aus verschiedenen Prüffeldern zu sammen, von denen jedes das Belastungsprofil verschiedener, rea listischer Fahrstrecken in einer für die Lebensdauer des Fahr zeugs durchschnittlichen Verteilung wiedergibt. Ein Prüffeld entspricht einer bestimmten Fahrstreckeneinheit, die mit einem empirisch ermittelten Schlüssel aufgeteilt ist in verschiedene, realistische Teilstrecken mit jeweiligem Streckenprofil und Streckenverlauf. Diese Belastungsprofile werden durch Änderung der Frequenz und/oder des Hubes der Antriebseinheit erzeugt.

Durch die anzahlmäßige Definition der Prüffelder wird die simu lativ gefahrene Strecke festgelegt. Weiterhin kann durch Defini tion verschiedener Prüffelder jedem Anwendungsfall eines Kraft fahrzeuges Rechnung getragen werden.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel er läutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigen

Fig. 1 die schematische Vorderansicht eines Prüfstandes zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,

Fig. 2 die Seitenansicht des Prüfstandes,

Fig. 3 die Draufsicht eines Kraftfahrzeugs mit im Bereich der Räder angebrachten Dehnmeßstreifen zur Ermittlung der einwirkenden Torsionsmomente,

Fig. 4 die Diagrammdarstellung verschiedener Belastungskollek tive,

Fig. 5 die qualitative Darstellung einer repräsentativen Schwingbeanspruchung bei einem Belastungsprofil Auto bahn,

Fig. 6 die Schwingbeanspruchung bei einem Belastungsprofil Landstraße,

Fig. 7 die Schwingbeanspruchung bei einem Belastungsprofil Schotterstrecke und

Fig. 8 die Diagrammdarstellung eines aus den Belastungsprofi len der Fig. 5, 6 und 7 zusammengesetzten Prüfpro gramms.

Zur Prüfung der Betriebsfestigkeit einer Fahrzeugkarosserie 10 wird das Fahrzeug 12 zunächst im normalen Fahrbetrieb auf unter schiedlichen Fahrbahnen mit typischen Belastungsprofilen gefah ren, wobei die auf die Vorderachse 14 und die Hinterachse 16 einwirkenden Torsionsmomente gemessen werden. Hierzu werden im Bereich aller vier Räder 18 Dehnmeßstreifen angebracht, über welche die einwirkenden Kräfte ermittelt werden können. Nach der Vorzeichendefinition der Einzelsignale an allen vier Kraft einwirkungspunkten gemäß Fig. 3 werden die zu jedem Zeitpunkt einwirkenden Einzelradlasten in einem Rechner 38 diagonal ad diert bzw. subtrahiert, wodurch der Verlauf der Torsionsmomente M_t ermittelt werden kann. Aufgrund der erläuterten Vorzeichen definition werden somit nur die Torsionsmomente ermittelt, während andere Krafteinwirkungen, beispielsweise Bremskräfte, die in diesem Zusammenhang nicht interessieren, ausgefiltert werden.

Bei dieser Ermittlung der realistischen Belastungskinematik wer den die Anzahl, Geschwindigkeit und Höhe der Lasteinbringungen ermittelt. Den Meßfahrten geht eine Einteilung der Fahrzeuge in Klassen voraus. Merkmale hierfür sind Leistung, Gewicht und Dämpfungssystem des jeweiligen Fahrzeugs. Jede Fahrzeugklasse wird auf den repräsentativen Belastungsprofilen Autobahn, Über landstraße und Schotterpiste (Normschlechtwegstrecken) gefah ren.

Fig. 4 zeigt die nach den Testfahrten gewonnenen Meßergebnisse als Lastkollektive der einzelnen Belastungsprofile, bezogen auf eine bestimmte Fahrstreckenlänge.

Dabei bedeuten:
A Autobahn,
L Landstraße,
R Schotterstrecke,
M_t Torsionsmoment,
n Lastspielzahl.

So ist beispielsweise zu erkennen, daß für das Lastkollektiv Au tobahn (A) die einwirkenden Torsionsmomente gering sind, wäh rend die Lastspielzahl n groß ist; ein über die gesamte Fahr streckenlänge repräsentativer Punkt ist mit A₁ angedeutet. Ent sprechende repräsentative Punkte für Landstraße und Schotter strecke sind mit L₁ bzw. R₁ eingezeichnet.

Die Aufbereitung dieser Werte der Fig. 4 mittels phänomenologi scher Schadensakkumulationstheorien, z. B. der Wöhlertheorie, er gibt eine repräsentative Schwingbeanspruchung, die in Frequenz und Belastungshöhe einem definierten Fahrbahnprofil entspricht. Die Länge der simulierten Strecke wird durch die Lastspielzahl bestimmt. Die repräsentativen Schwingbeanspruchungen zeigen die Fig. 5, 6 und 7, wobei der Momentenverlauf M über der Zeit t qualitativ angegeben ist. Am Beispiel der Fig. 5 für das Bela stungskollektiv Autobahn (A) ist zu erkennen, daß die Amplitude der Torsionsmomente gering ist, während ihre Frequenz hoch ist. Umgekehrt verhält es sich beim Belastungskollektiv Schotter strecke (R) der Fig. 7, während das Belastungskollektiv L für die Landstraße in Fig. 6 dazwischen liegt.

Fig. 8 zeigt den aus den drei unterschiedlichen Belastungspro filen (Fig. 5 bis 7) zusammengesetzte "Belastungsmix". Eine in dieser Weise zusammengestellte Belastungsreihe entspricht ei ner Fahrstreckeneinheit, beispielsweise 100 km, und stellt das zu simulierende Prüfprogramm dar. Dieses enthält eine auf die Lebensdauer des Fahrzeugs bezogene, statistische Verteilung der Belastungsprofile, wobei der zeitliche Anteil von schlechten Strecken (R) am geringsten und der Anteil gefahrener Landstra ßenstrecken (L) am größten ist. Die realistische Verteilung er folgt aufgrund langjähriger Erfahrungswerte der Automobilindu strie, die mit bestimmten Verteilungsschlüsseln arbeitet.

Um die anschließende Untersuchung auf dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Prüfstand 20 vorzunehmen, wird das Prüfprogramm der Fig. 8, das die kleinste, ausführungstechnisch optimale Ein heit einer statistisch verteilten Fahrstrecke darstellt, wieder holt durchgeführt, wobei die Torsionsmomente der Belastungsrei he über die Räder 18 in die Karosserie 10 eingeleitet werden. Durch die Definition der Anzahl der Wiederholungen wird die Län ge der zu simulierenden Strecke bestimmt; wenn beispielsweise die Fahrstreckeneinheit der Fig. 8 einer Strecke von 100 km entspricht und das Prüfprogramm dreißigmal wiederholt wird, ent spricht dies einer tatsächlich gefahrenen Strecke von 3000 km. Im Anschluß daran wird die Karosserie 10 auf möglicherweise ein getretene Schäden untersucht, beispielsweise optisch auf Risse.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Prüfstand 20 ist ein an sich bekannter Mehrachsenprüfstand mit einer Basisplatte 22, die einen starren Querbalken 24 für die Abstützung der Räder 18 der Hinterachse 16 trägt. Zur Abstützung der Räder 18 der Vor derachse 14 dient eine bewegliche Traverse 26, welche unter dem Aufstandspunkt für eines der beiden Vorderräder 18 auf einem kraftgeregelten Hubantrieb 28, z. B. einem Hydraulikzylinder, für die Einleitung einer Vertikalkraft abgestützt ist. In der vertikalen Längsmittelebene des Fahrzeugs 12 ist die Traverse 26 auf einem Lagerorgan 30 abgestützt.

Das Lagerorgan 30 hat für die Verdrehung der vorderen Traverse 26 relativ zu dem hinteren Querbalken 24 ein Drehlager 32 mit einer Drehachse a, die unterhalb der Längs-Schwerachse s_h des Fahrzeugs 12 und parallel zu dieser liegt. Die Drehachse a liegt dabei unter der Radaufstandsebene des Fahrzeugs 12. In Fig. 2 ist der vertikale Abstand r der Drehachse a von der Längs-Schwerachse s_h des Fahrzeugs eingezeichnet; die Hoch- Schwerachse ist mit s_v bezeichnet. Bei einem ausgeführten Prüf stand ist der Wert für r etwa 90 cm, während der Abstand p zwi schen der Basisplatte 22 und der Traverse 26 etwa 70 cm be trägt.

Das Lagerorgan 30 hat ein zusätzliches Drehlager 34 zur freien Verdrehbarkeit um eine Hochachse c, die in der vertikalen Längs mittelebene des Fahrzeugs 12 und in der vertikalen Querebene liegt, welche die Vorderachse 14 enthält.

Schließlich ist das Lagerorgan 30 mit einem Linearlager 36 aus gerüstet, das eine freie Verschiebbarkeit der Traverse 26 in ei ner unterhalb der Längs-Schwerachse s_h des Fahrzeugs 12 und par allel zu dieser liegenden Richtung b gestattet.

Das Lagerorgan 30 gibt der Traverse 26 somit insgesamt drei Freiheitsgrade, nämlich eine Drehung um die horizontale Achse a, eine Drehung um die vertikale Achse c sowie eine Linearbewe gung b parallel zur Längsachse des Fahrzeugs. Würde man bei der Prüfung der Karosserie 10 lediglich eine Drehung um die x-Achse erzeugen, d. h. um die Längs-Schwerachse s_h des Fahrzeugs, so würde in diesem ein reines Torsionsmoment erzeugt, das in der Wirklichkeit nur sehr selten vorkommt. Durch die Verschiebung der Drehachse a nach unten entsteht jedoch eine zusätzliche Be wegung und somit ein Moment um die z-Achse, die in den Fig. 1 und 2 eingezeichnet ist. Erst diese Kombination aus einem Tor sionsmoment und dem Moment, das sich aus der Querkraft ergibt, entsteht eine wirklichkeitsgetreue Simulation einer Kurven fahrt. Um einen natürlichen Bewegungsablauf während der Prüfung zu garantieren, müssen daher eine Bewegung um die Hoch-Schwer achse s_v mit dem Drehlager 34 (Achse c) und eine lineare Ver schiebung b im Linearlager 36 ermöglicht werden. Eine Verschie bung der neutralen Faser des Fahrzeugs aus der Prüfstandsmitte verursacht eine Veränderung der Geometrie, so daß eine starre Befestigung zu undefinierten Verspannungserscheinungen führen würde, die das Ergebnis verfälschen.

Bei der Prüfstandsuntersuchung der Karosserie 10 wird die insge samt einwirkende Belastung in der folgende Weise auf das Tor sionsmoment und die Querkraft verteilt:

Das polare Flächenträgheitsmoment I_p der Karosserie ergibt sich aus der Summe der Flächenträgheitsmomente I_y und I_z um die y-Achse bzw. um die z-Achse:

I_p = I_y + I_z

Die Querkraft F_Q berechnet sich wie folgt:

F_Q = (3 · M_b · l · r · I_z)/((I_p · l³/46) + 3 · l · r² · I_z)

wobei

M_b eingebrachtes Lastmoment
F_Q Querkraft
I_p polares Flächenträgheitsmoment
l Radstand
r vertikale Verschiebung der Drehachse a unter die Längs-Schwerachse s_h
I_z/I_y∼2/3 (geschätzt).

Bei einem Flächenträgheitsmoment I_z=0 ergibt sich aus der obigen Gleichung eine Querkraft F_Q=0. Für

lim I_y → 0

ergibt sich die Querkraft zu

F_Q = 0,38°F_gesamt.

Aus der obigen Berechnung folgt, daß in Abhängigkeit von der Geometrie des Prüfstandes und von dem Verhältnis der Flächen trägheitsmomente um die y-Achse und um die z-Achse die Bela stungsverteilung zwischen 0% und 38% liegt.

Die Verlagerung der Achse a unter die x-Achse bewirkt zusätz lich eine Querkraftkomponente, während die weitere Verlagerung der Achse a unter die Radaufstandsebene eine zusätzliche Bela stung simuliert; diese überreale Erhöhung des Querkraftanteiles um etwa 20% berücksichtigt somit die Fliehkraftbelastung beim Kurvenfahren.

Der Einfluß der Flächenträgheitsmomente bestimmt das endgültige Verhältnis zwischen den beiden Belastungsarten Torsion und Quer kraft. Dieses Zusammenwirken der beiden Trägheitsmomente ist eine fahrzeugspezifische Größe, die sich sowohl im Fahrbetrieb als auch in der Simulation unverändert auswirkt.

Unter Berücksichtigung dieser Parameter ist es nun möglich, die extremste Belastungssituation für die eingangs erläuterten Fahr zeugumbauten künstlich nachzubilden.

Die Definition der Prüfstandsgeometrie und der Freiheitsgrade verwandelt einen einachsigen Prüfaufbau, der bisher nur zur Kon trolle von Torsionssteifigkeiten gedient hat, in eine Prüfvor richtung, mit der völlig reale und reproduzierbare Belastungen auf ein Fahrzeug gebracht werden können. Die Möglichkeit der Lastverschiebung zwischen Querkraft und Torsionsmoment macht dieses Verfahren für fahrzeugspezifische Belastungsfälle und für die simulative Ausführung kritischer Fahrsituationen univer sell anwendbar.

Aus der Verbindung hochtechnisierter Meßverfahren, anerkannter Theorien der Schadensakkumulation und der Erfahrungswerte der Kraftfahrzeugentwicklung ist ein Prüfverfahren gebildet worden, das in statistischer, lebensdauerbezogener Verteilung eine quan tifizierbare Belastungseinbringung ermöglicht.

Claims

1. Verfahren zum Prüfen der Betriebsfestigkeit von Fahrzeugka rosserien, dadurch gekennzeichnet, daß im norma len Fahrbetrieb auf unterschiedlichen Fahrbahn-Belastungsprofi len die auf die Fahrzeugachsen einwirkenden Torsionsmomente ge messen, aus der jedem Belastungsprofil zugeordneten Momentenver teilung über eine bestimmte Fahrstrecke eine repräsentative Schwingbeanspruchung ermittelt und diese Schwingbeanspruchungen zu einer den unterschiedlichen Belastungsprofilen entsprechen den Belastungsreihe zusammengestellt werden, die einer Fahr streckeneinheit entspricht, welche Belastungsreihe dann auf ei nem Prüfstand wiederholt in zu prüfende Fahrzeugkarosserien ein geleitet wird, welche vor und nach dem Prüfprogramm auf Schäden untersucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in je der Belastungsreihe die Frequenz und die Amplitude verändert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einleiten der Belastungsreihe in die Fahrzeugkarosserie ein Rad einer Achse durch eine Vertikalkraft belastet wird, wäh rend die andere Achse feststeht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderachse relativ zur Hinterachse verdreht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse unterhalb der Längs-Schwerachse des Fahrzeugs und par allel zu dieser liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse unter der Radaufstandsebene des Fahrzeugs liegt.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Mehrachsenprüfstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfstand ein Torsionsprüfstand (20) mit einem starren Querbalken (24) für die Abstützung der Hinter achse (16) und einer beweglichen Traverse (26) für die Abstüt zung der Vorderräder (14) ist, welche Traverse (26) unter dem Aufstandspunkt für ein Vorderrad (18) auf einem kraftgeregelten Hubantrieb (28) für die Einleitung der Vertikalkraft und in der vertikalen Längsmittelebene des Fahrzeugs (12) auf einem Lager organ (30) abgestützt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerorgan (30) für die Verdrehung der vorderen Traverse (26) relativ zu dem hinteren Querbalken (24) ein Drehlager (32) mit einer Drehachse (a) hat, die unterhalb der Längs-Schwerachse (s_h) des Fahrzeugs (12) und parallel zu dieser liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (a) unter der Radaufstandsebene des Fahrzeugs (12) liegt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Lagerorgan (30) ein Linearlager (36) zur freien Verschiebbarkeit in einer unterhalb der Längs-Schwerach se (s_h) des Fahrzeugs (12) und parallel zu dieser liegenden Richtung (b) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerorgan (30) ein zusätzliches Drehlager (34) zur freien Verdrehbarkeit um eine Hochachse (c) aufweist, die in der verti kalen Längsmittelebene des Fahrzeugs (12) und in der die Vorder achse (14) enthaltenden, vertikalen Querebene liegt.