DE10332817B3

DE10332817B3 - Verfahren und Fahrzeugprüfstand zur dynamischen Fahrtsimulation

Info

Publication number: DE10332817B3
Application number: DE10332817A
Authority: DE
Inventors: Ismail Aydin Aykan
Original assignee: Aykan Ismail Aydin Dipl-Ing
Current assignee: Aykan Ismail Aydin Dipl-Ing
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-07-19
Also published as: WO2005012868A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Fahrzeugprüfstannd zur Ermittlung der Kenndaten von Rad- und Achssystemen für die Definition und die Ermittlung der Fahreigenschaften und des technischen Zustandes eines mit bereiften Rädern bestückten Fahrzeugs. Das Fahrzeug wird in einer beliebigen Lage festgehalten oder es ist an mindestens einer Achse ortsgefesselt. Jedes der Räder wird auf einer diesem zugeordneten Unterlage abgestützt, die eine unbegrenzte Linearbewegung in einer ersten Richtung und eine begrenzte Linearbewegung in einer zu der ersten Richtung rechtwinkligen zweiten Richtung ausführen kann. Die Räder werden angetrieben, und die Koordinaten der Radaufstandspunkte auf jeder Unterlage werden ermittelt. Eine von einem angetriebenen Rad auf die zugeordnete Unterlage in der zweiten Richtung ausgeübte Kraft wird gemessen, und die Orientierung jeder Unterlage in Bezug auf das darauf abgestützte Rad wird verstellt, bis die gemessene Kraft mit einer in der zweiten Richtung auf die Unterlage ausgeübten Kraft übereinstimmt. Der Winkel zwischen der durch jede Unterlage definierten ersten Richtung und der Längsachse des Fahrzeugs wird gemessen, und aufgrund der Koordinaten der Radaufstandspunkte und der gemessenen Winkel werden die Koordinaten des Wendepunkts für jede Achse des Fahrzeugs ermittelt.

Description

Die bis heute bekannten mechanischen, optischen und optoelektronischen Vorrichtungen für die Prüfung der Fahrwerksgeometrie eines Fahrzeuges beruhen auf der statischen Messung der Fahrwerks-Kenngrößen, wie Sturz-, Nachlauf- und Lenkwinkel, Spur und vielen anderen Achseinstellwerten (Ref. 1: Seite 101-ff). Diese statischen Achsvermessungen können über das Fahrverhalten eines Fahrzeuges keine sicheren Aussagen liefern. Die dynamischen Reifenprüfstande von kommerziellen Anbietern und diversen fahrzeugtechnischen Instituten ermöglichen zwar die rationelle Vermessung statischer und dynamischer Kennwerte von bereiften Rädern und der Lenkgeometrie und Radaufhängung einer Achse, aber nicht die exakte Beurteilung des Fahrverhaltens eines Fahrzeugs (Ref. 2, Seite 626–632).

Die WO 92/20997 A1 offenbart ein Verfahren und einen Fahrzeugprüfstand, bei dem die Räder eines Fahrzeugs jeweils auf zwei zylindrischen Rollen drehbar abgestützt sind. Die beiden Rollen sind in einem Rahmen gelagert. Eine Winkelemesseinrichtung besteht aus einer auf der Felge montierten Befestigungseinheit, Messbolzen, Lenkarm und Signalgeber. Die Winkelemesseinrichtung soll Radsturz, Spreizung und Nachlauf der Räder messen. Zusätzlich werden mit vier Kraftsensoren die von einem Rad auf den zugeordneten Rahmen ausgeübten Lasten erfasst. Eine Vierpunktmessung ist jedoch nicht eindeutig, da statisch unbestimmt.

Um die dynamischen Fahreigenschaften eines Fahrzeuges in der Entwicklungsphase zu bestimmen, werden zwar zeitraubende Autodromprüfungen durchgeführt, die optimalen Eigenschaften bei fahrendem Fahrzeug letztlich aber subjektiv ermittelt. Bei den zu dynamischen Prüfvorrichtungen zählenden Spurmessplatten (Radlauf-Tester) (Ref. 1, Seite 143-ff) wird nur die Geradeausfahrt einer Achse auf Spurfehler getestet und als Ergebnis mm/m oder in m/km angezeigt. Die Fahrzeughersteller geben keine Kenndaten für diese Art dynamischer Messungen an, weil die in x-Richtung rollenden Räder einer Achse auf den in y-Richtung frei beweglichen Spurmeßplatten nur eine kurze Strecke (1 m bis 2 m) fahren, während die Räder der anderen Achsen auf festem Boden in eine nicht genau definierbare Richtung nur mit einer halben Umdrehung rollen. Daher ist dieses Prüfverfahren ungenau und eng mit den praktischen Erfahrungen des Prüfers verbunden. Genauere Messungen für die Bestimmung und Einstellung der Fahrwerksgeometrie werden letztendlich mit den bekannten Geräten der statischen Messung durchgeführt.

Die Radaufhängungen eines Fahrzeuges müssen neben einer Vielzahl von Anforderungen (Ref. 3, Seite 13-ff) insbesondere die bereiften Räder auf der Fahrbahn unter allen denkbaren Betriebsbedingungen abrollen lassen. Jede Seitenkraft, (außer durch seitlichen Wind oder bei Kurvenfahrt entstehender Zentrifugalkraft oder wegen geneigter Fahrbahn entstehender Kräfte), die rechtwinklig zur Geradeausrollrichtung des Rades bzw. des Fahrzeuges wirkt, verursacht unnötigen Leistungsverlust und ist in kritischen Fällen sogar ein Sicherheitsrisiko. Bei der Geradeausfahrt eines Fahrzeuges sollen die Räder im Idealfall keine Seitenkräfte bilden oder unter bestimmten Voraussetzungen einen definierten Betrag nicht überschreiten, damit bei einer schnellen Fahrt eine Seite des Fahrzeuges, die sich auf einer mit einer kleinen Reibungszahl behafteten unhomogenen Fahrbahn befindet, nicht die andere Seite der Räder des Fahrzeuges in die Richtung der eigenen Seitenkräfte das Fahrzeug seitlich wegzieht.

Die Radaufstandsfläche eines Rades soll alle vertikalen Radkräfte, die Traktions-, Brems- und Seitenkräfte ohne Schlupf auf die Fahrbahn leiten. Die Radaufstandsfläche ist bei diesen Anforderungen die kritische Schnittstelle (Interface) in der Kraftübertragungskette zwischen dem Fahrzeug und der Fahrbahn. Obwohl der Radaufstandspunkt W als Kräftemittelpunkt aller Kräfte, die auf der Radaufstandsfläche wirken, definiert ist, sind in der Kraftfahrzeugtechnik keine stationären Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die das Geradeaus- und Kurvenfahrtverhalten des gesamten Fahrzeuges dynamisch, nämlich bei rollenden Rädern des Fahrzeuges in bezug auf den Radaufstandspunkt W und die darauf wirkenden Kräfte prüfen und messen. Die heute in der Fahrzeugtechnik für Kurvenfahrten angewandten Ackermann-Bestimmungen, die sich an ein Ackermann GB-Patent 4212 von 1818 anlehnen, das ursprünglich auf die Lenkachskonstruktion des Münchener Wagenbauers Georg Lankensperger aus dem Jahr 1816 bezogen war (Ref. 4), beruhen auf den kinematischen Zusammenhängen, um den Schnittpunkt der Achsverlängerungen aller rollenden Räder als Wendepunkt Meines Fahrwerks zu definieren. Die Reifenbreiten bei heutigen Fahrzeugen sind aber größer als die damaligen Reifenbreiten und die Radaufhängungen von modernen Fahrzeugen bringen zusätzliche Konstruktionsparameter wie Sturz-, Nachlauf- und Lenkwinkel und andere Achseinstellwerte mit sich, um das Fahrverhalten von Fahrzeugen zu optimieren. Ein bereiftes Rad dreht sich bei der Geradeausfahrt, bei einer mit positivem Sturzwinkel ε und Vorspur eingestellten lenkbaren Achse mit seiner Felge um die Radachse, aber nicht exakt in Fahrtrichtung (12), sondern mit einem Reifenschräglaufwinkel α, wbei die Reifen mit ihrer Radaufstandsfläche bzw. mit ihrem Radaufstandspunkt W in Fahrtrichtung (12) rollen (Ref. 3: Seite 242, Bild 3.119) und die Seitenkräfte und alle anderen Kräfte den Radaufstandspunkt W sogar von der Radmitte weg schieben.

Ein bereiftes Rad mit seiner Aufhängungskinematik und dem Fahrwerk bildet gegenüber der Fahrbahn ein komplexes elastokinematisches System, wobei die Radaufstandsfläche mit dem Radaufstandspunkt W eine wichtige Schnittstelle bildet. Mit der Annahme eines fiktiven, dünnen Rades, das auf dem Radaufstandspunkt W senkrecht auf der Fahrbahn in Fahrtrichtung (12) rollt, kann man die Ackermann-Prinzipien für Kurven- und Geradeausfahrt anwenden. Die Schnittpunkte der Achsverlängerungen der fiktiven Räder einer Achse bzw. eines Fahrzeugs ergeben dabei die Wendepunkte M. Dabei befinden sich die Achsen der fiktiven Räder rechtwinklig zur Fahrtrichtung (12) auf dem Radaufstandspunkt W. Der Radius dieser fiktiven Räder kann als unendlich klein angenommen werden und geht im Limit des Radaufstandspunktes W auf. Man kann den Lenkwinkel für dieses fiktive Rad als den effektiven Lenkwinkel δA definieren, wobei der effektive Lenkwinkel δA die Summe des Lenkwinkel δ und des Reifenschräglaufwinkels α ist: δA = α + δ. Bei bereiften Rädern einer Achse, links gelenkt sind, ist dieser Zusammenhang in 1 dargestellt. Bei bereiften Räder mit lenkbarer und/oder unlenkbarrer Achse eines Fahrzeugs, bei dem die Fahrtrichtung (12) auf Geradeausfahrt eingestell ist, ist der effektive Lenkwinkel δA = 0, weil der Lenkwinkel δ bei dem linken Rad negativ und bei dem rechten Rad positiv ist und ebenso die Reifenschräglaufwinkel α positiv bzw. negativ sind und die gleiche Winkelbeträge besitzen.

Aufgrund dieser Überlegungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die Messung aller Kräfte und die Bestimmung der Koordinaten der Radaufstandspunkte W und den effektiven Lenkwinkel δA auf einem stationären Prüfstand bei simulierter dynamischer Fahrt eines Fahrzeuges zu ermöglichen.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 bzw. 2 angegeben. Mit der Erfindung wird ein stationärer, rechnergestützten Fahrzeug-Prüfstand geschaffen, der das Fahrverhalten eines mit Reifen bestückten Fahrzeuges auf einer durch Flachbänder simulierten Fahrbahn dynamisch prüft und die erforderlichen Einstellungen der Radkinematik und Radaufhängung für das ideale Abrollen der Räder (ohne Seitenkraft, oder mit gewollter Seitenkraftbildung zwischen den Radaufstandspunkten und der Fahrbahn) während des Prüfgangs beim angetriebenen sowie frei oder gebremst rollenden Rades erlaubt. Das Prüfverfahren beruht auf der dynamischen Messung und Bestimmung der Abrollrichtung (12) bzw. des effektiven Lenkwinkels δA des breiften Rades, und der Kräfte und der Koordinaten des Radaufstandspunktes W und auf der Bestimmung der Koordinaten des Wendepunktes M für jede Achse, wobei das Fahrverhalten des Fahrzeuges bei Kurvenfahrten und Geradeausfahren bei allen möglichen denkbaren Fahrbahnlagen und bei verschiedenen Beladungszuständen des Fahrzeuges ermittelt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt:
1 Winkelparameter der bereiften Räder eines Fahrzeugs
2 Bestimmung der Koordinaten der Wendepunkte W_f und W_r nach Ackermann eines mit vier Rädern ausgestatteten Fahrzeugs durch den Fahrzeug-Prüfstand
3a Koordinatendefinition der Radmesseinheit von oben gesehen
3b Definition der XYZ-Koordinaten des Radaufstandspunktes W
4 Radmesseinheit im Querschnitt xz, bei y = 0
5 Radmesseinheit im Querschnitt xz, bei y = yC
6 Radmesseinheit im Querschnitt xy, bei x = 0
7 Radmesseinheit im Querschnitt xy-Sicht aus +z-Richtung
8 Radmesseinheit im Querschnitt yz-Sicht aus +x-Richtung
9 Radmesseinheit im Querschnitt yz-Sicht aus –x-Richtung
Die 1 bis 9 zeigen einen Fahrzeug-Prüfstand mit den Radmesseinheiten (1) für ein Fahrzeug (2) mit vier bereiften Rädern (6). Die vier Radmesseinheiten (1), definiert durch die x1y1z1-, x2y2z2-, x3y3z3- und x4y4z4-Koordinatensysteme, sind ortsfest oder können mit Geradführungsystemen der Fahrzeuggröße angepasst werden. Die Radmesseinheiten können in Z-Richtung des XYZ-Koordinatensystems mit Höheneinstellvorrichtungen zwecks Simulation der Fahrbahnlage eingestellt werden. Eine Fahrzeugfesselungsvorrichtung (4) mit Fahrzeugfesselungspunkten (5) und mit einer Höheneinstellvorrichtung kann die Lage- und Belastungssimulation des Fahrzeuges (2) ermöglichen, wobei alle Räder (6) auf den Flachbändern (7) der Radmesseinheiten (1) rollen. Zusätzlich werden am Radaufstandspunkt W die Kräfte in Richtung z-, x- und y-Achsen des xyz-Koordinatensystems (9) direkt gemessen oder mit den gewünschten Werten angebracht. Die Tests erfolgen manuell oder nach einem Computerprogramm automatisch; die Ergebnisse können gleichzeitig auf dem Bildschirm ermittelt und mit dem Drucker dokumentiert werden.
Jede Radmesseinheit (1) soll die Koordinaten des Radaufstandspunktes W bei einer bestimmten Fahrtrichtung (12) mit dem effektiven Lenkwinkel δA der rollenden Reifen eines Rades (6) und mit der Radlast F_Z,W, der Seitenkraft F_Y,W und der Längskraft F_X,W an dem Radaufstandspunkt W messen können. Eine Radmesseinheit (1) besteht aus vier Funktionsgruppen: Dem Bandblock (13), dem Trägerblock (14), der Drehplatte (15) mit den Linearführungen in y-Richtung (9) und der Basisplatte (16), wobei diese Funktionsgruppen für alternative konstruktive Lösungen auch anders zusammengefasst werden können.
Der Bandblock (13) umfasst ein Endlosband (7) durch zwei Trommeln (17) (mit elektrischem oder hydraulischem Antrieb) angetrieben wird. Eine Trommel kann dabei nach Bedarf nur als Umlenkrolle ohne Antriebsmotor gestaltet werden. Die Trommeln (17) sind am Bandblock (13) montiert. Das Flächenlager (18) überträgt die vertikale Kraft F_Z,W des Rades (6) auf den Bandblock (13) und soll eine minimale Flächenreibung aufweisen. Drei Stempel (19) mit Kugelenden sind an den Punkten A, B und C am Bandblock (13) befestigt und übertragen die Kräfte in ihrer axialen Richtung an Kraftmesssensoren (21) am Trägerblock (14) und die lateralen Kräfte auf den Trägerblock (14).
Der Trägerblock (14) trägt den Bandblock (13) an den drei Punkten A, B und C. An den Punkten L und K des Bandblocks (13) üben einstellbare Federvorrichtungen (23) eine Ziehvorspannung aus. Diese Vorspannungen wirken gegen die Kippung des Bandblocks, wenn sich der Radaufstandspunkt W außerhalb des von den drei Punkten A, B und C definierten Dreiecks befindet und während alle Kraftmesssensoren (21), ohne zum Messnullpunkt zu kommen, nämlich ohne Hysterese und immer in der Druckrichtung ihrer Umwandlungscharakteristik arbeitend, die Kräfte erfassen. Dieses Verfahren erhöht die Messpräzision und vergrößert die Messfläche auf das ganze Flachband (7). Zur Last- und Abkippbegrenzung sind einstellbare Vorrichtungen (24) vorgesehen.
Die mit Linearführungen (25) versehene Drehplatte (15) trägt den Trägerblock (14) mit vier Linearführungswagen (26) und erlaubt eine präzise Linearbewegung im begrenzten Betrag von ±s, um den Bandblock (13) bzw. das Flachband (7) den lateralen Bewegungen des Rades (6) beim Ein- und Ausfedern des Fahrzeuges (2) und bei Lenkbewegungen frei anzupassen. Ein zwischen Drehplatte (15) und Trägerblock (14) angeordneter Linearwegemesssensor (28) erfasst den Betrag von s. Die Drehplatte (15) ist in z-Richtung auf der Basisplatte (16) drehbar axial und radial gelagert (4). Auf der Drehplatte (15) befinden sich zwei abnehmbare (in 6 und 7 als Beispiel abnehmbar dargestellt), oder nach Bedarf feststellbare in y-Richtung (9) gleitende Kraftmesssensoren (29), um die in y-Richtung vom Radaufstandspunkt W verursachten Seitenkräfte F_Y,W (12) zu erfassen. Um die Längskräfte F_X,W in x-Richtung zu erfassen, können zwischen Bandblock (13) und Trägerblock (14) Messsensoren von der gleichen Art wie (29) angebracht werden. In diesem Fall müssen die Stempel (19) in x-Richtung frei beweglich (< 1 mm) gestaltet werden. Die Längs- und Seitenkräfte, die auf dem Radaufstandspunkt W entstehen, müssen auf der Fliessbandebene bei z = 0 erfasst werden. Ein Aktuator (30) befindet sich auf der Drehplatte (15) zur Blockierung oder zur Einstellung eines bestimmten Betrages von ±s des Trägerblocks (14) in y-Richtung. Die Messungen von Seitenkräften F_Y,W und der linearen Verschiebung s in y-Richtung können in den Aktuator (30) integriert werden, wobei dann die Kraftmesssensoren (29) und der Linearmesssensor (28) entfallen.
Die Basisplatte (16), die die Koordinaten durch das x1y1z1-Koordinatensystem definiert, ist die Grundplatte der Radmesseinheit (1) und kann für unterschiedliche Prüfstandanforderungen beliebig mit Linearführungen, Hexapots und/oder Hebevorrichtungen befestigt werden oder für einen bestimmten Fahrzeugtyp ortsfest verankert werden. Ein auf der Basisplatte (16) angeordneter Winkelmesssensor (32), misst die Drehwinkel, nämlich den effektiven Lenkwinkel δA zwischen Basisplatte (16) und Drehplatte (15). Durch einen Motor (33) auf der Basisplatte (16) wird ein beliebiger Drehwinkel δA bei Bedarf eingestellt. Der Winkelmesssensor (32) kann mit einem Motor (33), der digital gesteuert angetrieben und aber auch ohne Antrieb die Drehwinkel δA erfasst, integriert werden.
Das in 1, 2, 3a und 3b gezeichnete Koordinatensystem ist das in der Fahrzeugtechnik üblicherweise angewandte Hauptkoordinatensystem. Das XYZ-Koordinatensystem ist auf festen Grund bezogen. Der ersten Basisplatte (16) ist das x1y1z1-Koordinatensystem zugeordnet und dessen Originpunkt wird, bezogen auf das XYZ-Koordinatensystem als O1(Xo1,Yo1,Zo1) definiert. Dementsprechend ist der n-ten Basisplatte das xnynzn-Koordinatensystem zugeordnet und der Originpunkt wird als On(Xon,Yon,Zon) definiert, wobei die xnynzn-Achsrichtungen zu den XYZ-Achsen parallel sind. Dem Bandblock (13) wird das xyz-Koordinatensystem zugeordnet. Die Oberfläche des Flachbandes (7) ist als Origin der Z-Achse der XYZ- (3) und xyz-Koordinatensysteme definiert.
Die Koordinaten des Radaufstandspunktes W1 sind auf das Flachband (7) bezogen als W1(x,y,z) definiert. Die Beträge von x, y und z können aus den durch die Kraftmesssensoren (21) erfassten Kräften durch die Berechnung der Null-Summe von Momenten bezogen auf die x-, y- und z-Achsen (9) ermittelt werden. Von der Summe der von den Kraftmesssensoren (21) erfassten Kräfte werden das Eigengewicht der Bandgruppe (13) und die Hilfskräfte der Vorspannvorrichtungen (23) abgezogen, und so ergibt sich die Radkraft F_Z,W. Die Koordinaten des Radaufstandspunktes W1(x,y,z) bezogen auf den Bandblock (13) können über die x'y'z'-Hilfskoordinaten als W1(x1,y1,z1) bezogen auf die Basisplatte (16) ermittelt werden: x1 = x·cos(δA) – y·sin(δA) – s·sin(δA) y1 = x·sin(δA) + y·cos(δA) + s·cos(δA) z1 = z
Dabei verschiebt das auf dem Flachband (7) geführte Rad (6) den Bandblock (13) und den Trägerblock (14) um den Betrag von ±s entlang der y-Achse. Die Drehplatte (15) wird manuell oder automatisch vom Rechner gesteuert und bis zum Winkelbetrag von ±δA gedreht, bis keine seitliche Bewegung am Bandblock (13) und Trägerblock (14) mehr entsteht oder es wird die gewollt angebrachte Seitenkraft F_Y,W in y-Richtung gemessen. Die Koordinaten vom Radaufstandspunkt W1(x1,y1,z1) bezogen auf die Basisplatte können mit Hilfe der Koordinaten seiner Origin O1(Xo1,Yo1,Zo1) bezogen auf das XYZ-Koordinatensystem (3) durch die Gleichungen: X1 = x1 + Xo1 Y1 = y1 + Yo1 Z1 = z1 + Zo1als W1(X1,Y1,Z1), bezogen auf XYZ-Koordinatensystem transformiert werden. Auf die gleiche Weise erfolgt die Koordinatentransformation für die übrigen Radaufstandspunkte. Die Koordinaten der Wendepunkte M einer Achse können als Schnittpunkte der Geradelinien (36), die auf den Radaufstandspunkten W1(X1,Y1,Z1) bzw. W2(X2,Y2,Z2) liegen und in y-Richtung des Koordinatensystems des jeweiligen Bandblocks (13) und Trägerblocks (14) verlaufen, bestimmt werden.
Um für das Fahrverhalten eines Fahrzeuges die richtigen Schlussfolgerungen zu ziehen, müssen die Koordinaten der Radaufstandspunkte W und der effektive Lenkwinkel δA für jedes einzelne Rad (6) bei einem Fahrzeug mit rollenden Rädern, bei simulierten Fahrt- und Fahrbahnzuständen und bei simulierter Fahrzeugladung bestimmt werden, wobei das Fahrzeug selbst gefesselt ist. Durch das Aufbringen der Seitenkräfte F_Y,W an den Radaufstandspunkten W kann schnelle Kurvenfahrt simuliert werden. Bei der Kurvenfahrt soll im Idealfall ein Fahrwerk nur einen Wendepunkt M aufweisen und die durch die Fahrzeugfliehkratt bei bereiften Rädern entstehenden Seitenkräfte F_Y,W an den Radaufstandspunkten sollen bis zu ihrer Bodenhaftungsgrenze, entsprechend verteilt, wirken.
Ein Fahrzeug mit mehr als einem Wendepunkt M verursacht bei Kurvenfahrt unnötiges Reifenschlupfen und neigt bei schneller Kurvenfahrt zum Über- oder Untersteuern.
Die an den Fahrzeug-Fahrbahn-Schnittstellen, d.h. an den Radaufstandspunkten W, erfassten dynamischen Messdaten können die Entwicklungs- und Untersuchungsdauer für die Ermittlung der optimalen Fahreigenschaften eines Fahrzeuges erheblich verkürzen. In der Entwicklungsphase kann die Fahrwerkskinematik mit den Zieleigenschaften des Fahrzeuges bei allen möglichen Fahrbahn-, Belastung- und Lagezuständen, wie auch Wankel- und Nickzustände, geprüft und gemessen werden. Auch die optimale Anpassung und Typenfeststellung der diversen Reifenfabrikate kann im Labor ermittelt werden. Auch die das Fahrverhalten stabilisierenden Einrichtungen können auf diesem Prüfstand entwickelt, gemessen und geprüft werden.
Während dar Herstellung, der Reparatur und den periodischen Fahrzeugprüfungen können die Koordinaten der Radaufstandspunkte W bei z = 0 (ebene, horizontale Fahrbahn) und bei Geradeaus- und bei langsamen Kurvenfahrten getestet und mit einfacher Fahrzeugfesselung (4) durchgeführt werden, wobei für die Radmesseinheiten (1) keine Höhenverstellung wie Hexapots nötig sind. Die Messwerte in mm/m oder m/km der Seitwärtsbewegungen aller Räder stellen für die Geradeausfahrt eines Fahrzeugs ein wichtiges Ergebnis dar, das in nur 6 Sekunden bei einer Flachbandgeschwindigkeit von 64 kmh über 100 m auf der Radmesseinheit präzise ermittelt werden kann, wobei ein Rad sich ca. 50 mal um die eigene Achse dreht. Der Zustand der Fahrwerkgeometrie kann durch eine schnelle Messung der Koordinaten der Radaufstandspunkte W (gemessen) bei ruhenden Rädern) getestet werden. Die Messungen der Eigenschaften bei Geradeaus- und bei langsamer Kurvenfahrt mit rollenden Rädern, die Rechts- und Linkssymmetrie der Lenkung sowie die Wendepunkte M von lenkbaren und unlenkbaren Achsen können dann mit den angegebenen Toleranzbereichen des Herstellers verglichen werden.
Der in den Zeichnungen dargestellte und vorstehend beschriebene Fahrzeug-Prüfstand ist grundsätzlich für alle Achs- und Radkombinationen von allen denkbaren Fahrzeugtypen geeignet, wobei pro Rad jeweils eine Radmesseinheit (1) vorzusehen ist. Der Fahrzeug-Prüfstand kann im Entwicklungs-, Herstellungs-, und Instandsetzungsstadium sowie bei den periodischen technischen Überprüfungsstadien während der Nutzung des Fahrzeuges eingesetzt werden kann.
Bei der Entwicklung der modernen Fahrwerkskinematik mit erhöhten Anforderungen an die Sicherheit und an die Fahrökonomie von Fahrzeugen bringt der Fahrzeug-Prüfstand die geforderte Präzision und eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis.
Bei der Herstellung eines Fahrzeuges kann entsprechend der in der Entwicklung ermittelten Fahrzeugkenndaten jedes neue Fahrzeug vor Auslieferung auf die optimale Einstellung der Fahrwerkskinematik hin geprüft und erforderliche Korrekturen können rasch und ohne großen zeitlichen Aufwand durchgeführt werden. Ein mitgeliefertes Messprotokoll für jedes Fahrzeug ist ein Beleg für die Sicherheitsqualität des Produkts.
Bei Reparaturen und periodischen technischen Prüfungen kann der Zustand der Fahrwerkskinematik eines Fahrzeuges für die wichtigen Fahrsituationen anhand der vom Hersteller bereitgestellten Kenndaten schnell, zuverlässig und kostengünstig ermittelt werden. Die Durchführung erforderlicher Korrekturen und die Behebung von Mängeln kann zügig und korrekt auf der Grundlage der Ursprungsdaten des Herstellers für das Fahrzeuges erfolgen und ein Messprotokoll kann den Zustand des Fahrzeuges dokumentieren. Dies bringt für in Betrieb befindliche Fahrzeuge einen wichtigen Sicherheitsfaktor.

Ref. 1: „Fahrwerkdiagnose", Horst Gräter, Vogel Verlag 1997, 1. Auflage, Seite 101–ff
Ref. 2: „Moderne Prüfstandstechnik für das Fahrwerk ", Philip Köhn/Peter Holdmann, aus ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 100 (1998), Seite 626–632
Ref. 3: „Fahrwerktechnik: Grundlagen", Jörnsen Reimpell/Jürgen Betzler, Vogel Verlag, 2000, 4. Auflage
Ref. 4: „Die Achsschenkellenkung und andere Fahrzeug-Lenksysteme", Erick Eckermann, Deutsches Museum, ISBN-Nummer: 3-924183-51-1

1: Radmesseinheit
2: Fahrzeug
3
4: Fahrzeugfesselungsvorrichtung
5: Fahrzeugfesselungspunkt
6: Rad, bereiftes Rad
7: Flachband
8
9: Lenkachse (King pin)
10: Radachse
11: Rechtwinklige horizontale Richtung
: zur Radachse, auf Felgenebene
12: Fahrtrichtung des bereiften Rades
13: Bandblock
14: Trägerblock
15: Drehplatte
16: Basisplatte
17: Trommel, Flachbandtrommel
18: Flächenlager
19: Stempel
20
21: Kraftmesssensor
22
23: Federvorrichtung, einstellbar
24: Begrenzervorrichtung gegen Last-
: und Abkippen
25: Linearführungen, in y-Richtung
26: Linearführungswagen
27
28: Linearwegemesssensor, in y-
: Richtung
29: Kraftmesssensor für
: Seitenkraftmessung, in y-Richtung
30: Aktuator, in y-Richtung wirkend
31
32: Winkelmesssensor zur Messung der
: effektive Lenkwinkel δA
33: Motor
34
35
36: Geradelinien zwischen dem
: Ackermann-Wendepunkt W und
: dem Radaufstandspunkt M
M: Ackermann-Wendepunkt
W: Radaufstandspunkt, (center of tyre
: contact)
α: Reifenschräglaufwinkel, (slip angle
: of the wheel)
δ: Lenkwinkel, zwischen X-Richtung
: und rechtwinklig zur Radachse,
: (steer angle)
δA: effektiver Lenkwinkel, zwischen der
: x1- bzw. X-Richtung und der
: Fahrtrichtung des bereiften Rades,
: bezogen auf Radaufstandspunkt W,
: (effective steer angle)
ε: Sturzwinkel, (camber angle)
σ: Spreizungswinkel, (kingpin
: inclination angle)
τ: Nachlaufwinkel, (caster angle)
F_Z,W: Radlast
F_Y,W: Seitenkraft

Claims

Verfahren zur Ermittlung der Kenndaten von Rad- und Achssystemen für die Definition und Ermittlung der Fahreigenschaften und des technischen Zustandes eines mit bereiften Räder bestückten Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß das Fahrzeug in einer beliebigen Lage festgehalten wird oder an mindestens einer Achse ortsgefesselt ist, daß jedes der Räder auf einer ihm zugeordneten ebenen Unterlage abgestützt wird, die eine unbegrenzte Linearbewegung in einer ersten Richtung, der Abrollrichtung des Reifens des Rades, und eine begrenzte Linearbewegung in einer zu der ersten Richtung rechtwinkligen zweiten Richtung ausführen kann, daß die Räder durch die Unterlage frei oder gebremst rollend oder durch den Fahrzeugmotor angetrieben werden, daß der Betrag der unbegrenzten Linearbewegung in der ersten Richtung gemessen wird, daß der Betrag der begrenzten Linearbewegung in der zweiten Richtung gemessen wird, daß die Orientierung in z-Achse jeder Unterlage in Bezug auf das darauf abgestützte rollende Rad in Bezug auf das ortsfeste XYZ-Koordinatensystem drehbar um die vertikale z-Achse verstellt wird, bis bei seitenkraftfreiem Rollen des Rades keine seitlichen Bewegungen in die zweite Richtung der Unterlage entstehen und/oder bei mit vordefinierter Seitenkraft rollendem Rad die gemessene Kraft mit einer in der zweiten Richtung auf die Unterlage ausgeübten Kraft übereinstimmt, daß der effektive Lenkwinkel δA bezogen auf die Abrollrichtung des Reifens des Rades zwischen der durch jede Unterlage definierten ersten Richtung und der Soll-Geradeausfahrtrichtung des Fahrzeugs gemessen wird, wobei der gemessene effektive Lenkwinkel δA die Summe des Lenkwinkels der Radfelge δ und des Reifenschräglaufwinkels α ist, daß die vertikalen Kräfte der Radlast auf der Unterlage gemessen werden, daß die XYZ-Koordinaten der Radaufstandspunkte auf jeder Unterlage ermittelt werden, daß eine von einem rollenden Rad auf die zugeordnete Unterlage in der zweiten Richtung ausgeübte Kraft gemessen wird, und, daß aufgrund der XYZ-Koordinaten der Radaufstandspunkte (W) und der gemessenen effektiven Lenkwinkel δA jedes bereiften Rades, die Koordinaten des Wendepunkts für jede Achse des Fahrzeugs ermittelt werden.
Fahrzeugprüfstand zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rad (6) an einer Achse eines Fahrzeugs jeweils eine Radmeßeinheit (1) zugeordnet ist, umfassend: einen Bandblock (13), der ein durch ein in der besagten ersten Richtung (x) von einem Motor (17) oder Rad (6) des Fahrzeugs (2) angetriebenes endloses Flachband (7) trägt, das mit seiner Oberfläche eine bestimmte Fahrbahnoberfläche simuliert, eine Meßeinrichtung mit Kraftmeßsensoren (21), die in z-Richtung die Kraftkomponente der Radlast (F_Z,W) erfaßt zur rechnerischen Ermittlung der Koordinaten des Radaufstandspunktes (W) bezogen auf das xyz-Koordinatensystem des Bandblocks (13) und der Radlast (F_Z,W), eine Lagereinrichtung, die den in der besagten zweiten Richtung (y) begrenzt beweglichen Bandblock (13) aufnimmt, und eine Meßeinrichtung (28), die die Verschiebung (s) des Bandblocks (13) in der besagten zweiten Richtung (y) mißt.
Fahrzeugprüfstand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandblock (13) jeder Radmeßeinheit (1) mit den Kraftmeßsensoren (21) an den Ecken eines den Radaufstandspunkt (W) enthaltenden Dreiecks (A, B, C) auf einem Trägerblock (14) abgestützt ist, daß der Trägerblock (14) über Linearführungen (25, 26) mit einer Drehplatte (15) in der zweiten Richtung (y) begrenzt beweglich verbunden ist, und daß die Drehplatte (15) auf einer Basisplatte (16) zu einer Verdrehung um eine zu der ersten und zweiten Richtung (x, y) rechtwinkligen Achse (z) dreheinstellbar gelagert ist.
Fahrzeugprüfstand nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die die Radmeßeinheit (1) auf festen Grund ortsfest verankert oder sich im XY- oder XYZ-Koordinatensystem in beliebiger Lage der Ebene des Flachbandes (7) manuell oder durch von einem Prozeßrechner gesteuerte Aktuatoren einstellen läst und bestimmte Radlasten (F_Z,W) aufbringen läst, wobei das Fahrzeug (2) mit einer Fesselungsvorrichtung (4) im XY- oder XYZ-Koordinatensystem fixierbar ist.
Fahrzeugprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine einstellbare Vorspanneinrichtung (23), die zwischen Bandblock (13) und Trägerblock (14) eine Ziehvorspannung ausübt.
Fahrzeugprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch die der Bandblock (13) in Rollrichtung des Rades (6) nach einem bestimmten effektiven Lenkwinkel δA um die z-Achse manuell oder durch einen Motor (33) gesteuert von einem Prozessrechner verdrehbar ist und die den Betrag des effektiven Lenkwinkels δA erfasst,
Fahrzeugprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagereinrichtung Linearführungen (25, 26) aufweist.
Fahrzeugprüfstand nach einem der Ansprüche Z bis 7, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (29), welche die vom Radaufstandspunkt (W) ausgehenden auf den Bandblock (13) in der besagten zweiten Richtung (y) ausgeübten Seitenkräfte (F_Y,W) mißt.
Fahrzeugprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen Prozeßrechner, der die von den Meß- und Prüfsensoren erfaßten Daten direkt oder über ein Ablaufprogramm bearbeitet und die für das dynamische Fahrverhalten relevanten Daten errechnet, auf einem Bildschirm anzeigt und durch einen Drucker dokumentiert.
Fahrzeugprüfstand nach einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung, welche die vom Radaufstandspunkt (W) ausgehenden auf den Bandblock (13) in der x-Richtung ausgeübten Längskräfte (F_X,W) mißt.