DE10236735A1

DE10236735A1 - Verfahren zur Generierung von zum Fahrbetrieb schädigungsäquivalenten Rauschprofilen zur Vibrationsprüfung von Fahrzeugkomponenten

Info

Publication number: DE10236735A1
Application number: DE10236735A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Greim
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2022-08-10
Also published as: DE10236735B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung eines Leistungsdichtespektrums für einen Prüfstand für Vibrationsprüfungen an Fahrzeugkomponenten, mit folgenden Schritten: DOLLAR A a. Aus dem im Fahrbetrieb gemessenen Beschleunigungs-Zeitsignal wird ein Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiv gebildet. DOLLAR A b. Aus den Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiven wird ein Leistungsdichtespektrum (5) erzeugt. DOLLAR A c. Das am Prüfstand entstehende Beschleunigungs-Zeitsignal wird gemessen. DOLLAR A d. Aus dem gemessenen Beschleunigungs-Zeitsignal wird ein Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiv gebildet. DOLLAR A e. Durch Vergleich der beiden Schädigungs-Maße wird die benötigte Prüfzeit zum Erreichen des Schädigungs-Maßes im Fahrbetrieb am Prüfstand errechnet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Generierung von zum Fahrbetrieb schädigungsäquivalenten Rauschprofilen zur Vibrationsprüfung von Fahrzeugkomponenten.

Im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs können die Beschleunigungen gemessen werden, mit denen einzelne Fahrzeugkomponenten zu Vibrationsschwingungen angeregt werden und die eine bestimmte Schädigung, im folgenden als Schädigungs-Maß bezeichnet, an der Fahrzeugkomponente verursachen können bzw. verursachen. Dabei sei darauf hingewiesen, dass diese Schädigungen selbstverständlich die Funktion des Fahrzeugs nicht beeinträchtigen. Ein Test, der eine Schädigung mit dem gleichen Schädigungsmaß verursacht, kann auf dem Prüfstand durchgeführt werden. Hierzu wird ein Shaker mit einem Rauschsignal angesteuert, das die Fahrzeugkomponenten in Vibrationsschwingungen versetzt. Die am Prüfstand entstehenden Beschleunigungen können gemessen und ausgewertet werden.

Ein derartiges Verfahren zur Generierung eines Rauschprofils ist bereits aus der WO 98/14765 bekannt. Nach diesem Verfahren wird anfangs ein Fre quenzbereich festgelegt, für den das Rauschprofil erstellt werden soll. Anschließend werden Leistungsdichtespektren (PSDs) mithilfe von Fourier-Transformationen aus den Daten des Fahrbetriebs ermittelt. Aus diesen Leistungsdichtespektren wird ein einziges Leistungsdichtespektrum in Form einer Treppenfunktion generiert, das anschließend geglättet wird. Mithilfe einer Material-Wöhlerlinie und einem, mit einer FEM-Berechnung ermittelten Frequenzgang wird das für den Test optimale Leistungsdichtespektrum berechnet.

Nachteilig an diesem Verfahren ist erstens, dass das Leistungsdichtespektrum für den Test am Prüfstand nur sehr kompliziert aus bestimmten Parametern aus Wöhlerlinien und FEM-Berechnungen, die in der Regel entweder nicht vorliegen oder sehr aufwändig durchzuführen, bzw. zu ermitteln sind, bestimmt werden kann. Zweitens wird bei einer Fourier-Transformation jeweils für jede diskrete Frequenz nur z. B. ein Mittel- oder Maximalwert der Amplituden berechnet, die tatsächliche Verteilung der Amplituden geht verloren. Diese beschriebene Methode führt zu relativ ungenauen Leistungsdichtespektren.

Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache Weise ein Ansteuersignal für einen Prüfstand generiert werden kann, das im wesentlichen zum gleichen Schädigungs-Maß führt, wie im Fahrbetrieb.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass für ein Verfahren zur Generierung von zum Fahrbetrieb schädigungsäquivalenten Rauschprofilen für Vibrationsprüfungen zum Ansteuern eines Prüfstandes für Kraftfahrzeugkomponenten folgender Aufbau möglich ist:
Aus dem im Fahrbetrieb an der zu prüfenden Fahrzeugkomponente gemessene Beschleunigungs-Zeitsignal einer Schwingungsanregung wird zunächst mindestens für einen definierten Frequenzabschnitt in einem vorgegebenen Frequenzbereich jeweils ein Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiv berechnet, das die Häufigkeiten der Größen der Amplituden des Beschleunigungs-Zeitsignals angibt. Um auf dem Prüfstand ein Schädigungs-Maß zu erhalten, das dem Schädigungs-Maß aus dem Fahrbetrieb im wesentlichen entspricht, können bevorzugt mehrere Frequenzabschnitte mit einer gleichen definierten Breite gebildet werden. Dies ist durch eine vorangehende Schmalbandfilterung des Beschleunigungs-Zeitsignals aus dem Fahrbetrieb möglich. Die Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektive aus dem Fahrbetrieb werden danach durch eine Klassierung des gefilterten Signals, vorzugsweise eine Range-Pair Klassierung, berechnet. An den einzelnen Stützstellen im Frequenzbereich, die sich aus der Filterbreite ergeben und die Frequenzabschnitte voneinander trennen, wird somit in Abhängigkeit von der Größe der Beschleunigungs-Amplituden ihre Häufigkeit angegeben.

Aus den Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiven wird anschließend ein Leistungsdichtespektrum zur Ansteuerung bspw. eines Shakers, der ein Element des Prüfstands ist, erzeugt. Als Ansteuersignal wird ein Leistungsdichtespektrum zum Beispiel aus den Maximal- und Minimalwerten der Amplituden der jeweiligen Lastkollektive in den dazugehörigen Frequenzabschnitten gebildet. Für jeden Frequenzabschnitt wird eine eigene Berechnung durchgeführt. Eine möglich Berechnung des Leistungsdichtespektrums zeigt folgende Formel, wobei fb für die Filterbandbreite steht: PSD = ((⏐amax⏐ + ⏐amin⏐)/2)2/(10⋅fb) [g2/Hz]

Mit diesem Ansteuersignal wird der Shaker oder dgl. angesteuert. Das am Prüfstand an der zu prüfenden Fahrzeugkomponente als Schwingungsanre gung entstehende Beschleunigungs-Zeitsignal wird gemessen. Dieses gemessene Beschleunigungs-Zeitsignal wird mit dem gleichen Filter wie das Beschleunigungs-Zeitsignal aus dem Fahrbetrieb gefiltert. Aus diesen gefilterten Beschleunigungs-Zeitsignalen wird im vorgegebenen Frequenzbereich für jeden definierten Frequenzabschnitt jeweils ein Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiv berechnet, das die Häufigkeit der Größen der Amplituden des gemessenen Beschleunigungs-Zeitsignals angibt.

Anschließend wird ein Schädigungs-Maß ermittelt, das bevorzugt nach dem später beschriebenen Verfahren berechnet wird. Nun kann durch Verhältnisbildung des bestimmten Schädigungs-Maßes der Schwingungsanregung der Fahrzeugkomponente aus dem Fahrbetrieb und des bestimmten Schädigungs-Maßes der Schwingungsanregung der Fahrzeugkomponente aus dem Prüfstandbetrieb die benötigte Prüfzeit zum Erreichen des Schädigungs-Maßes aus dem Fahrbetrieb am Prüfstand errechnet werden. Bei einer Ansteuerung des Shakers für die Dauer der errechneten Prüfzeit mit dem Leistungsdichtespektrum über alle definierten Frequenzabschnitte im vorgegebenen Frequenzbereich hinweg, stellt sich am Prüfstand im wesentlichen das gleiche Schädigungs-Maß ein, das im Fahrbetrieb auftritt.

Alternativ kann aber auch mit einer vorgegebenen Soll-Prüfzeit, die für alle Frequenzabschnitte gleich ist, eine Ansteuerung des Prüfstands vorgenommen werden, mit der für alle Frequenzabschnitte im vorgegebenen Frequenzbereich das gleiche Schädigungs-Maß am Prüfstand wie im Fahrbetrieb auftritt. Um dieses neue Leistungsdichtespektrum zu erhalten muss das aus dem Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiven berechnete Leistungsdichtespektrum mit einem Faktor x, der sich aus der für alle definierten Frequenzabschnitte im vorgegebenen Frequenzbereich gleichen Soll-Prüfzeit t_soll und der für jeden Frequenzabschnitt unterschiedlichen Prüfzeit t_fi berechnen lässt, multipliziert werden.

Vorzugsweise kann das Schädigungs-Maß der Fahrzeugkomponenten aus den Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiven und das Schädigungs-Maß der Fahrzeugkomponenten aus den Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiven nach einem geeigneten Verfahren berechnet werden. Ein dem Fachmann grundsätzlich bekannte Möglichkeit stellt die Schadensakkumulationshypothese nach Palmgren-Minen dar.

Um das Leistungsdichtespektrum noch genauer auf den Fahrbetrieb abzustimmen, kann das Verfahren vorzugsweise iterativ durchgeführt werden.

In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung
Aus einem im Fahrbetrieb gemessenen Beschleunigungs-Zeitsignal 1 der Schwingungsanregung wird nach einer Schmalbandfilterung 2 mit einer Filterbandbreite von zum Beispiel 5 Hz über einen vorgegebenen Frequenzbereich (z. B. von 5Hz bis 500Hz) für jeden Frequenzabschnitt mit einer Breite von 5Hz ein Fahrbetrieb-Beschleunigungs-Lastkollektiv 3 ermittelt. Darin sind die Häufigkeiten der Größen der Amplituden dieses Frequenzbereichs an der zu dem jeweilig gehörigem Frequenzabschnitt entsprechenden Stützstelle (5Hz, 10Hz, 15Hz, ...) dargestellt. In der Stellung A eines Schalters 4 wird ein Leistungsdichtespektrum 5 aus den Maxima und Minima der einzelnen Fahrbetrieb-Beschleunigungs-Lastkollektiven 3 erstellt. Mit diesem Leistungsdichtespektrum 5 wird im Prüfstand 6 ein Shaker angesteuert und das an einer in diesem Prüfstand aufgespannten Fahrzeugkomponente entstehende Beschleunigungs-Zeitsignal 1' der Schwingungsanregung gemessen. Aus diesem Beschleunigungs-Zeitsignal 1' wird wiederum nach einer Schmalbandfilterung 2' mit der gleichen Frequenzbandbreite für jeden Frequenzab schnitt jeweils ein Lastkollektiv, nämlich das Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiv 3', erstellt.
Anschließend wird der Schalter 4 nach B gestellt. Beispielsweise wird nun mit Hilfe einer Standard-Wöhlerlinie oder der Bauteil- oder Material-Wöhlerlinie nach dem für den Fachmann bekannten Miner-elementar-Verfahren für jeden Frequenzabschnitt das Schädigungs-Maß 7 der Fahrbetrieb-Beschleunigungs-Lastkollektive der Schwingungsanregung und das Schädigungs-Maß 7' der Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektive der Schwingungsanregung ermittelt. Aus den beiden Schädigungs-Maßen wird in einem Vergleicher 9 die benötigte Prüfzeit zum Erreichen des Schädigungs-Maßes 7 aus dem Fahrbetrieb generiert, indem der Quotient aus dem Schädigungs-Maß 7 aus dem Fahrbetrieb und dem Schädigungs-Maß 7' aus dem Prüfstand berechnet wird.
Damit die Prüfzeit für alle Frequenzabschnitte gleich ist, wird eine Soll-Prüfzeit 8 angegeben, an die das Leistungsdichtespektrum 5 für alle Frequenzabschnitte angepasst werden soll. In einer Recheneinheit 9 wird demzufolge für jeden Frequenzabschnitt im definierten Frequenzbereich ein Faktor x berechnet, mit dem das Leistungsdichtespektrum 5 multipliziert werden muss, um aus allen Frequenzbereichen ein Soll-Leistungsdichtespektrum 5' zu generieren. Der Faktor x berechnet sich aus der Wurzel des Quotienten aus der berechneten Prüfzeit zum Erreichen des geforderten Schädigungs-Maßes 7 für jeden Frequenzbereich t_fi und der Soll-Prüfzeit t_soll:
Für ein sehr genaues Leistungsdichtespektrum, welches das Schädigungs-Maß aus dem Fahrbetrieb noch genauer erreicht, kann das Verfahren iterativ die Schleife 10 durchlaufen. Es können jedoch eine Vielzahl weiterer Details durchaus abweichend von obiger Beschreibung gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Generierung eines Leistungsdichtespektrums für einen Prüfstand für Vibrationsprüfungen an Fahrzeugkomponenten, mit folgenden Schritten: a. Aus dem im Fahrbetrieb an der zu prüfenden Fahrzeugkomponente gemessenen Beschleunigungs-Zeitsignal (1) einer Schwingungsanregung wird mindestens für einen definierten Frequenzabschnitt in einem vorgegebenen Frequenzbereich jeweils ein Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiv (3) gebildet, das die Häufigkeit der Größen der Amplituden des Beschleunigungs-Zeitsignals (1) angibt. b. Aus den Fahrbetriebs-Beschleunigungs-Lastkollektiven (3) wird ein Leistungsdichtespektrum (5) zur Ansteuerung des Prüfstands (6) erzeugt. c. Das am Prüfstand (6) an der zu prüfenden Fahrzeugkomponente entstehende Beschleunigungs-Zeitsignal (1') der Schwingungsanregung wird gemessen. d. Aus dem am Prüfstand (6) an der zu prüfenden Fahrzeugkomponente gemessene Beschleunigungs-Zeitsignal (1') wird im vorgegebenen Frequenzbereich für jeden definierten Frequenzabschnitt jeweils ein Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiv (3') gebildet, das die Häufigkeit der Größen der Amplituden des gemessenen Beschleunigungs-Zeitsignals (1') angibt. e. Für jeden definierten Frequenzabschnitt im vorgegebenen Frequenzbereich wird durch Vergleich des vorher bestimmten Schädigungs-Maßes (7) der Fahrzeugkomponente aus dem Fahrbetrieb und des vorher bestimmten Schädigungs-Maßes (7') der Fahrzeugkomponente aus dem Prüfstandbetrieb die benötigte Prüfzeit zum Erreichen des Schädigungs-Maßes (7) im Fahrbetrieb am Prüfstand (6) errechnet.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Schädigungs-Maß (7') der Schwingungsanregung der Fahrzeugkomponente auf dem Prüfstand, das identisch zum Schädigungs-Maß (7) der Schwingungsanregung der Fahrzeugkomponente im Fahrbetrieb sein soll, der Prüfstand (6) mit dem berechneten Leistungsdichtespektrum (5) mit der zu dem jeweiligen Frequenzabschnitt berechneten Prüfzeit angesteuert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer für alle definierten Frequenzabschnitte im vorgegebenen Frequenzbereich gleichen vorgegebenen Soll-Prüfzeit (8) der Prüfstand (6) mit einem Soll-Leistungsdichtespektrum (5') angesteuert wird, wobei sich das Soll-Leistungsdichtespektrum (5') aus dem Leistungsdichtespektrum (5), den jeweiligen Prüfzeiten der einzelnen Frequenzabschnitte und der Soll-Prüfzeit (8) errechnet.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schädigungs-Maß (7) der Schwingungsanregung der Fahrzeugkomponente aus den Fahrbetrieb-Beschleunigungs-Lastkollektiven (3) und das Schädigungs-Maß (7') der Schwingungsanregung der Fahrzeugkomponente aus den Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiven (3') berechnet werden.
Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schädigungs-Maß (7) der Fahrzeugkomponente aus den Fahrbetrieb-Beschleunigungs-Lastkollektiven (3) und das Schädigungs-Maß (7') der Fahrzeugkomponente aus den Prüfstand-Beschleunigungs-Lastkollektiven (3') nach dem Miner-elementar-Verfahren gegen eine Standard-, Material- oder Bauteil-Wöhlerlinie errechnet werden.