DE4122422C1

DE4122422C1 - Measuring periodic axial forces on differential gearing - using real=time filtering of axial force amplitude by bandpass filter triggered by shaft rotation frequency

Info

Publication number: DE4122422C1
Application number: DE19914122422
Authority: DE
Inventors: Jan-Welm Priv.-Doz. Dr.-Ing. 5100 Aachen De Biermann; Rolf Dipl.-Ing. 5161 Merzenich De Ganzmann
Original assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT KRAFTFAHRWESEN MBH 5100 AACHEN DE
Current assignee: FORSCHUNGSGESELLSCHAFT KRAFTFAHRWESEN MBH 5100 AACHEN DE
Priority date: 1991-07-06
Filing date: 1991-07-06
Publication date: 1992-08-27
Anticipated expiration: 2011-07-07

Abstract

A method of measuring the periodic axial forces of parallel linkages-via which the drive torque is transferred from a vehicle differential to its drive shafts or wheels-involves using force measurement devices attached to a lateral shaft to measure the axial forces. The shaft rotation rate is measured and the friction dependent acial force in the drive shaft detrermined from the number of force transfer rollers using real time filtering of the axial force amplitude. A bandpass filter is triggered by a shaft rotation frequency to maintain a control characteristic. The frequency sought is passed undamped in a narrow band with all adjacent orders significantly damped. ADVANTAGE - Enables periodic axial forces to be measured both under test stand and non-stationary conditions.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der periodischen Axialkräfte von Gleichlaufgelenken, über welche bei Kraftfahrzeugen eine formschlüssige Übertragung des Antriebsdrehmomentes von einem Differential auf die Antriebswellen bzw. auf die Antriebsräder erfolgt.The invention relates to a method for measuring the periodic axial forces of constant velocity joints, via which in motor vehicles a positive transmission of Drive torque from a differential to the Drive shafts or on the drive wheels.

Als Verschiebegelenke ausgebildete Gleichlaufgelenke ermöglichen eine gleichförmige Momentübertragung bei Beugewinkeln der Antriebswelle bis ca. 22° und bei durch Hubbewegungen der Räder bedingten axialen Ausgleichsbewegungen bis zu 50 mm.Constant velocity joints designed as sliding joints allow a uniform torque transmission at Angles of the drive shaft up to approx. 22 ° and at through Lifting movements of the wheels result in axial compensating movements up to 50 mm.

Mit Ausnahme der radseitigen Gelenke bei Fahrzeugen mit Frontantrieb, die aufgrund der Lenkbewegung Beugewinkel bis über 50° ermöglichen müssen und daher den Einsatz teurer Festgelenke erfordern, werden Gleichlauf-Verschiebegelenke bei allen Antriebsseitenwellen zum Winkelausgleich verwendet. Aufgrund ihrer Gleichlaufeigenschaft und der damit verbundenen Vorteile gegenüber Kreuzgelenken bezüglich Komfort- und Schwingungsverhaltens finden Gleichlauf-Verschiebegelenke auch zunehmend Verwendung im Bereich der Kardanwellen. With the exception of the wheel-side joints on vehicles with Front-wheel drive that bends up due to the steering movement must allow over 50 ° and therefore the use more expensive Fixed joints require constant velocity sliding joints all drive side shafts used for angle compensation. Because of their synchronism and the associated Advantages over universal joints in terms of comfort and Synchronous sliding joints also find vibration behavior increasingly used in the field of cardan shafts.

Obschon die Fertigungsgenauigkeit und Verschleißunempfindlichkeit der Gleichlauf-Verschiebegelenke optimiert zu sein scheinen, kann ein Nebeneffekt konstruktive Änderungen der Bauelemente gleichwohl wünschenswert sein lassen, um dadurch bei Kraftfahrzeugen eine zunehmende Schwingungs- und Geräuschunterdrückung zu erreichen und den Fahrkomfort insgesamt noch zu verbessern.Although the manufacturing accuracy and Wear resistance of the constant velocity sliding joints Seem to be optimized, a side effect can be constructive Changes to the components may nevertheless be desirable let, thereby increasing in motor vehicles To achieve vibration and noise suppression and To improve overall driving comfort.

Aufgrund der Kinematik der Gleichlauf-Verschiebegelenke werden periodische Axialkräfte in der Antriebswelle verursacht, die als Vibration in das Chassis des Fahrzeuges eingeleitet werden und je nach Größe dieser Kräfte zu unerwünschten Schwingungen führen oder Resonanzen anderer Bauteile anregen können.Due to the kinematics of the constant velocity sliding joints periodic axial forces in the drive shaft caused that be introduced as vibration into the chassis of the vehicle and depending on the size of these forces to undesirable vibrations lead or stimulate resonances of other components.

Die Bestrebungen bei der Weiterentwicklung von Gleichlauf-Verschiebegelenken zielen daher darauf ab, die reibungsbedingten periodischen Wechselkräfte durch konstruktive und tribologische Maßnahmen auf ein unkritisches Maß zu reduzieren. Voraussetzung zur objektiven Beurteilung derartiger Maßnahmen ist aber eine Messung dieser Wechselkräfte unter realitätsnahen Bedingungen nahe am Entstehungsort, z. B. auf der Antriebswelle, um auch betragsmäßig sehr kleine Kräfte von nur 10 N sicher auflösen zu können.The efforts in the further development of Constant velocity sliding joints are therefore aimed at the periodic alternating forces due to friction due to constructive and tribological measures to an uncritical level to reduce. Prerequisite for the objective assessment of such Measures, however, is a measurement of these alternating forces realistic conditions close to the place of origin, e.g. B. on the Drive shaft to even very small amounts of only 10 N can be resolved safely.

Die Messung relativ kleiner Wechselkräfte in Antriebswellen ist mit den bisher bekannten Meßverfahren nicht zufriedenstellend durchführbar. Die mit hohen Drehmomenten belasteten und dementsprechend dimensionierten Rohr- oder Vollwellen erfahren infolge der im Vergleich geringen Axialbelastung eine äußerst geringe Verformung. Bei Applikation von Meßmitteln, die, wie beispielsweise Dehnungs-Meßstreifen, auf Basis der Bauteildehnung infolge Belastung reagieren, sind trotz theoretisch 100%iger Kompensations-Verschaltung die Einflüsse der Störgrößen um ein Vielfaches höher als das eigentliche Meßsignal.The measurement of relatively small alternating forces in drive shafts is not satisfactory with the previously known measuring methods feasible. Those loaded with high torques and correspondingly dimensioned tubular or solid shafts due to the comparatively low axial load an extreme low deformation. When applying measuring equipment, such as for example strain gauges, based on the Component elongation due to stress are despite theoretically 100% compensation connection the influences of the disturbance variables many times higher than the actual one Measurement signal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, mit dem sich sowohl auf dem Prüfstand in stationären Betriebspunkten als auch im Fahrzeug im instationären Betrieb in Echtzeit die periodischen Wechselkräfte in Antriebswellen erfassen lassen.The invention has for its object a method of propose the type described above, with which both on the test bench in stationary operating points as well as in Vehicle in transient operation in real time the periodic Have alternating forces recorded in drive shafts.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Seitenwelle mit Kraftmeßeinrichtungen, wie z. B. Dehnungs-Meßstreifen oder dergleichen, zur Ermittlung der Axialkraft auszurüsten und eine Signalübertragung von der rotierenden Welle durchzuführen, deren Drehzahl gemessen wird. Weiterhin wird aus der Anzahl kraftübertragender Rollen oder Kugeln des Gleichlaufgelenkes, von denen jede eine axiale Bewegung in ihrer Führungsbahn ausführt, die reibungsabhängige Axialkraft in der Antriebswelle durch eine in Echtzeit realisierbare Filterung der gesuchten Axialkraftamplitude vorgenommen. Dazu wird ein Bandpaßfilter eingesetzt, welches mittels Wellendrehfrequenz getriggert wird und damit eine Nachlaufcharakteristik erhält. Durch dessen Bandbreite und Flankensteilheit wird ausschließlich die gesuchte Frequenz innerhalb eines schmalen Frequenzbandes ungedämpft "durchgelassen", während alle benachbarten Ordnungen ausreichend gedämpft werden.To solve this problem, the invention proposes a sideshaft with force measuring devices, such as. B. Strain gauges or the like, for determining the Equip axial force and signal transmission from the rotating shaft whose speed is measured. Furthermore, the number of force-transmitting rollers or Balls of the constant velocity joint, each of which is axial Movement in their guideway runs that is friction dependent Axial force in the drive shaft through a real time Realizable filtering of the desired axial force amplitude performed. A bandpass filter is used for this, which is triggered by shaft rotation frequency and thus a Follows characteristics. Because of its bandwidth and Slope is only the frequency sought undamped within a narrow frequency band "let through" while all neighboring orders be sufficiently damped.

Das Funktionsprinzip des Meßverfahres beruht auf der Kenntnis des Zusammenhanges zwischen Wellendrehfrequenz und Axialkraftfrequenz. Diese Abhängigkeit ergibt sich bei den gebräuchlichsten Gleichlaufgelenkbauformen aus der Anzahl der kraftübertragenden Rollen (Tripodegelenk = 3) oder Kugeln (Kugelgelenk = 6). Bei Rotation der Antriebswelle führt jedes dieser Elemente eine axiale Bewegung in seiner Führungsbahn aus und verursacht damit eine reibungsabhängige Axialkraft in der Antriebswelle. The principle of operation of the measuring method is based on knowledge the relationship between shaft rotation frequency and Axial force frequency. This dependence arises with the most common constant velocity joint designs from the number of force-transmitting rollers (tripod joint = 3) or balls (Ball joint = 6). When the drive shaft rotates, each leads of these elements an axial movement in its guideway and thus causes a frictional axial force in the Drive shaft.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, unter Verwendung einer Serienfahrzeugwelle neben den Randparametern Wellendrehmoment und Wellendrehzahl die periodischen Axialkräfte in Echtzeit zu erfassen. Mit diesem Meßverfahren läßt sich bei Fahrversuchen neben der bisher üblichen, rein subjektiven Gleichlaufgelenk-Beurteilung erstmals auch eine objektive Meßwerterfassung durchführen. Bei entsprechendem Korrelationsnachweis kann auf den Einsatz speziell geschulter Fahrer eventuell ganz verzichtet werden.The method according to the invention makes it possible to use a series vehicle wave in addition to the marginal parameters Shaft torque and shaft speed the periodic Capture axial forces in real time. With this measurement method can be used in driving tests in addition to the usual, pure subjective constant velocity joint assessment also for the first time carry out objective measurement acquisition. With appropriate Correlation evidence can be specially trained on use Driver may be completely waived.

Für den stationären Prüfstandsbetrieb wird zur Messung der Axialkräfte und Drehmomente von Gleichlauf-Verschiebegelenken eine serienmäßige Rohrseitenwelle mit DMS-Vollbrücken für Axialkraft und Drehmoment ausgerüstet. Die Signalübertragung von der rotierenden Welle erfolgt drahtlos mittels Telemetrie oder ähnlichem. Die Drehzahl der Welle wird berührungslos mittels einer Zahnscheibe, die beispielsweise 60 Zähne aufweist, und einem Impulsgeber gemessen. Die Rohrwelle wird an den Enden mit Anschlußflanschen versehen, um verschiedenste Gleichlaufgelenktypen anschließen zu können.For stationary test bench operation, the Axial forces and torques of constant velocity sliding joints a standard tube side shaft with strain gauge full bridges for Equipped with axial force and torque. The signal transmission of the rotating shaft is done wirelessly using telemetry or similar. The speed of the shaft becomes contactless by means of a toothed washer, for example 60 teeth has, and measured a pulse generator. The tubular shaft is on the ends with connecting flanges to various To be able to connect constant velocity joint types.

Für die Ermittlung der periodischen Axialkraft bei stationärem Betrieb der Welle genügt somit eine Ordnungsanalyse des Meßsignales (z. B. durch sogenannte FFT = Fast-Fourier-Transformation). Die Kraftamplitude bei der x-fachen Wellendrehfrequenz (x = Anzahl der Kugeln bzw. Rollen im Gelenk) ist die periodische Wechselkraft des Gelenkes. Da die Störgrößen, wie Drehmoment, Biegemoment, Unwuchten oder Temperaturdrift, von anderer Frequenz als die periodische Axialkraft sind, kann die Amplitude des Axialkraftsignales aus dem Frequenzspektrum ohne zusätzliche aufwendige Kompensation von unerwünschten Störgrößen direkt ermittelt werden. For the determination of the periodic axial force with stationary Operation of the shaft is therefore sufficient for an order analysis of the Measurement signals (e.g. through so-called FFT = Fast Fourier Transform). The force amplitude at the x times the shaft rotation frequency (x = number of balls or rollers in the joint) is the periodic alternating force of the joint. There the disturbance variables such as torque, bending moment, unbalance or Temperature drift, of a different frequency than the periodic Axial force are, the amplitude of the axial force signal the frequency spectrum without additional complex compensation of undesired disturbances can be determined directly.

Die Anwendung des Meßverfahrens bei instationärem Betrieb mit wechselnden Drehzahlen bereitet die Schwierigkeit, daß die Axialkraftfrequenz sich schneller ändert, als die FFT zu folgen imstande ist. Die auftretenden Ungenauigkeiten verhindern dann die zuvor beschriebene Vorgehensweise.The application of the measuring method with unsteady operation with changing speeds creates the difficulty that the Axial force frequency changes faster than following the FFT is able. Then prevent the inaccuracies that occur the procedure described above.

Als Abhilfe wird beim instationären Betrieb anstelle der FFT eine in Echtzeit realisierbare digitale Filterung der gesuchten Frequenz vorgenommen. Dazu wird mittels geeigneter Software ein digitales Bandpaßfilter programmiert, dessen Bandpaßbreite und Flankensteilheit so berechnet werden, daß nur die gesuchte Frequenz innerhalb eines schmalen Frequenzbandes ungedämpft "durchgelassen" wird und alle benachbarten Ordnungen um mehr als 40 dB abgesenkt werden.As a remedy for transient operation instead of FFT a real-time digital filtering of the sought Frequency. To do this, use a suitable software digital bandpass filter programmed, its bandpass width and Edge steepness can be calculated so that only the one you are looking for Frequency undamped within a narrow frequency band "let through" and all neighboring orders by more be lowered than 40 dB.

Die nötige "Nachlaufcharakteristik" wird durch Triggern der einzelnen Filtervorgänge mit der 60-Zähne-Impulsgeberscheibe auf der Meßwelle erreicht.The necessary "lag characteristic" is triggered by the individual filtering processes with the 60-tooth pulse generator disc reached on the measuring shaft.

Um z. B. eine dritte Ordnung, d. h. eine Axialkraftfrequenz der dreifachen Wellendrehfrequenz, bei allen Drehzahlen herauszufiltern, muß die Abtastrate des digitalen Filters das 20fache der Bandpaßmittenfrequenz betragen. Bei einer sechsten Ordnung entsprechend 10fache Abtastrate usw. Bei der Programmierung des Bandpaßfilters wird neben dem speziellen Filterdesign, wie Dämpfung, Fensterbreite etc., jeweils nur ein Frequenzverhältnis (Abtastrate/Bandpaßmittenfrequenz) festgelegt. Die Nachlaufcharakteristik und die nötige variable Bandpaßbreite sind durch das Triggern mit Wellendrehfrequenz somit automatisch gegeben. To z. B. a third order, d. H. an axial force frequency of triple shaft rotation frequency, at all speeds to filter out, the sampling rate of the digital filter must be 20 times the bandpass center frequency. A sixth Order corresponding to 10 times the sampling rate etc. With the Programming the bandpass filter is in addition to the special Filter design, such as damping, window width etc., only one Frequency ratio (sampling rate / bandpass center frequency) fixed. The overrun characteristic and the necessary variable Bandpass width are due to triggering at shaft rotation frequency thus automatically given.

Vor dem Filtervorgang wird das aus obengenannten Gründen schwache Axialkraft-Meßsignal mit einem Präzisionsverstärker angehoben, um eine gute Aussteuerung des Analog-Digital-Wandlers zu erzielen.Before the filtering process, this is for the reasons mentioned above weak axial force measurement signal with a precision amplifier raised to a good level of the To achieve analog-to-digital converter.

Das nach der Filterung wieder analogisierte Signal beinhaltet nur noch die periodische Wechselkraft des Gleichlaufgelenkes in Abhängigkeit von der vorher festgelegten Ordnung.The signal that has been analogized again after filtering contains only the periodic alternating force of the constant velocity joint in Dependence on the previously defined order.

Für eine "online"-Bewertung im Fahrzeug kann neben der Speicherung des Meßsignales auf entsprechenden Datenträgern eine direkte Anzeige des gefilterten Kraftsignales nützlich sein. Dazu müssen die z. T. sehr niederfrequenten Axialkraftsignale ( 5 Hz) durch eine RMS-DC-Umwandlungseinheit gleichgerichtet werden und können dann z. B. mittels Digitalvoltmeter direkt zur Anzeige gebracht werden.For an "online" evaluation in the vehicle, in addition to the Storage of the measurement signal on appropriate data carriers a direct display of the filtered force signal is useful be. For this, the z. T. very low frequency Axial force signals (5 Hz) through an RMS-DC conversion unit be rectified and then z. B. means Digital voltmeter can be displayed directly.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Axialkraftmeßsystems mit einem Bandpaßfilter für dritte Ordnung der Axialkraft zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt:
Eine Antriebsseitenwelle 1 ist mit als Kraftmeßeinrichtungen dienenden Meßstreifen 2 zur Axialkraft- und Drehmomentermittlung bestückt. Von der Antriebsseitenwelle 1 werden die Kraftsignale berührungslos mittels einer Telemetrieanlage 3, bestehend aus einem Sender in der Telemetriemanschette, über eine Empfängerspule 4 auf einen Signaldemodulator 5 übertragen. Die Impulse eines Zahnkranzes werden ebenfalls berührungslos von der Welle 1 abgenommen und einerseits zur Drehzahlermittelung der Welle 1 herangezogen und andererseits als Triggersignal für ein Digitalfilter 6 zur Axialkraftfilterung verwendet. Der gesamte Axialkraftsignalpegel wird zuvor einem Präzisionsverstärker 7 zugeleitet, da die Meßsignale sonst für eine Analog-Digital-Wandlung zu schwach sind. Das durch die Triggerimpulse ausgelöste Bandfilter 6 gibt die gefilterten Axialkraftwerte in analoger Form wieder aus. Da es sich bei diesen Meßsignalen um periodische Wechselkräfte handelt, deren Frequenz als Funktion der jeweiligen Drehzahl der Welle 1 bekannt ist, wird zur Vereinfachung der Darstellung und für die "online"-Auswertung eine Gleichrichtung in einem RMS-DC-Wandler 8 vorgenommen. Als Ausgangsgröße steht nun der sogenannte RMS-Wert (quadratischer Mittelwert) der periodischen Wechselkraft zur Verfügung und kann im Fahr- oder Prüfstandsbetrieb unmittelbar in einer Anzeigeneinheit 9 zur Anzeige gebracht werden. Zudem können alle Meßgrößen in einem Datenspeicher 10 abgelegt werden.The drawing shows an embodiment of an axial force measuring system with a bandpass filter for the third order of axial force for carrying out the method according to the invention:
A drive side shaft 1 is equipped with measuring strips 2 serving as force measuring devices for determining the axial force and torque. The force signals are transmitted contactlessly from the drive side shaft 1 by means of a telemetry system 3 , consisting of a transmitter in the telemetry collar, via a receiver coil 4 to a signal demodulator 5 . The impulses of a ring gear are also taken from the shaft 1 without contact and used on the one hand to determine the speed of the shaft 1 and on the other hand used as a trigger signal for a digital filter 6 for axial force filtering. The entire axial force signal level is previously fed to a precision amplifier 7 , since the measurement signals are otherwise too weak for an analog-to-digital conversion. The band filter 6 triggered by the trigger pulses outputs the filtered axial force values in an analog form. Since these measurement signals are periodic alternating forces, the frequency of which is known as a function of the respective speed of shaft 1 , rectification is carried out in an RMS-DC converter 8 to simplify the illustration and for "online" evaluation. The RMS value (root mean square) of the periodic alternating force is now available as an output variable and can be displayed directly in a display unit 9 in the driving or test bench mode. In addition, all measured variables can be stored in a data memory 10 .

Claims

Method for measuring the periodic axial forces of constant velocity joints, via which a positive transmission of the drive torque from a differential to the drive shafts or to the drive wheels takes place in motor vehicles, characterized in that a side shaft is equipped with force measuring devices for determining the axial force, a signal transmission from the rotating shaft, the speed of which is measured, and from the number of force-transmitting rollers or balls of the constant-velocity joint, each of which executes an axial movement in its guideway, the friction-dependent axial force in the drive shaft is carried out by filtering the sought-after axial force amplitude in real time by a bandpass filter is used, which is triggered by means of the shaft rotation frequency and thus receives a tracking characteristic, and because of its bandwidth and slope, only the frequency sought within half of a narrow frequency band is passed through without attenuation, while all neighboring orders are sufficiently attenuated.